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摘要：国内飞行培训学校和机构开展驾驶员执照训练的飞机一般是从国外采购，座位数是2至5个，这类教练机设计定型较早，配置了简单的加温系统和通风口盖，座舱环境控制集成度不高，舒适性较差。某国产新型教练机的座舱环境控制系统集成了座舱通风、座舱加温和座舱制冷功能，显著提高了座舱舒适性；通过中央控制面板对不同环境控制功能和模式进行集中管理和控制，便于飞行员操作和使用。经过飞行试验和地面试验的测试，试验结果表明该方案符合设计要求。

关键词：环控系统；环境控制；座舱通风；座舱加温；空调系统

中图分类号：V245.3      文献标识码：A

Abstract：Domestic flight training schools and institutions generally purchased pilot license training aircraft from abroad， with a seating capacity of 2 to 5. This type of trainer aircraft was designed and finalized early， equipped with a simple heating system and ventilation cover， and had low integration of cabin environment control， resulting in poor comfort. The cabin environment control system of a new domestically produced training aircraft integrates cabin ventilation， cabin heating and cabin cooling functions， significantly improving cabin comfort; Different environmental control functions and modes are centrally managed and controlled by the central control panel， making it easier for pilots to operate and use. After flight and ground tests， the test results show that the scheme meets the design requirements.

Key words：environmental control system；environmental control；cabin ventilation；cabin heating；air conditioning system

0  引  言

目前飞行培训学校和机构在学员初始培训时使用的教练机机型为轻型飞机，轻型飞机所具有的特点，决定了飞机座舱大部分是非气密舱、系统配置简单实用，早期的轻型飞机大部分只有通风系统，没有配备完整的座舱环境控制系统。但随着经济的发展和飞机研制水平的提高，用户为扩大飞机的出勤率和作业范围，在同等性价比的情况下，把飞机舒适度也作为关注的指标，对环境控制系统设计提出了更高的要求[1]。

本文将介绍某型教练机座舱环境控制系统的设计，该系统已经进行了验证并获得中国民航局批准，可按需调节驾驶舱的温度，同时能够实现座舱通风、座舱加温和座舱制冷的集中控制，极大的提高了飞机座舱环境舒适度和操作便利性。

1  设计方案

座舱加温系统的功能是为座舱空气加温供暖和提供风挡玻璃除雾热气，该系统以发动机高温排气为热源，在寒冷天气为机上乘员提供适宜的温暖空气，以及为风挡玻璃除雾，加温调节通过一个多位开关进行控制，该开关控制加温调节电机使得加温调节箱开启到多个角度或关闭以调节进入座舱的热气流量，除雾手柄对座舱热气流量单独进行调节用于风挡除雾。

座舱通风系统的功能是为座舱提供新鲜空气，满足机上乘员对新鲜空气的需求。

座舱制冷采用制冷剂蒸发循环的空调系统，其功能是利用制冷剂蒸发吸热、凝结放热将座舱循环空气的热量搬运到座舱外的环境空气中。

座舱通风和座舱制冷共用一套空气分配管路，通过通风/空调分配电机进行通风功能和制冷功能的切换。

环境控制系统原理如图1所示。

1.1 加温系统

加温系统由加温开关、NACA型进气口、热交换器、加温调节箱、热空气分流装置、扭力弹簧、加温调节电机、除雾手柄、除雾环、拉索以及出风口等部件组成。

新鲜空气从发动机舱的NACA型进气口进入，通过空气管路输送到热交换器，热交换器与发动机排气消音器接触，发动机排气消音器里的高温尾气将热量通过消音器传递给热交换器内的空气，新鲜空气吸收热量后变成热空气；热空气随后输送到安装在防火墙上的加温调节箱，加温调节箱通过拉索和扭力弹簧与加温调节电机机械连接，加温调节箱可以控制热空气进入座舱的流量，并将未进入座舱的热空气排出飞机外。

加温开关位于中央控制面板上，包含OFF档位和四个调节档位， 加温开关打开后加温调节电机与电机离合器耦合，电机与离合器同步转动，离合器带动摇臂和扭力弹簧运动，从而驱动拉索推动加温调节箱内部阀板运动；同时摇臂还带动电位器上的转销转动，当电位器上的转销转动到的位置与开关拧转的位置匹配时，电机停止转动，电机与离合器保持耦合状态，摇臂保持在该位置，加温调节箱的阀板开度就保持在该开关档位对应的目标位置，不同的开关档位对应不同的阀板运动开度，即实现座舱加温热气流量的调节；当飞机供电故障或加温调节电机失去电源时，电机与离合器解除耦合，摇臂上安装的扭力弹簧会将摇臂扭转回原来的位置，即加温调节箱的阀板关闭。该设计保证在断电时能够切断气源，物理隔离防火墙和座舱空间，以防止发动机着火或有害气体进入座舱危害乘员安全。

流经加温调节箱的热空气穿过防火墙，通过热空气分流装置进行分流，一部分输送到主驾驶出风口、副驾驶出风口和乘客出风口用于座舱，另一部分热空气会通向除雾环，从除雾环的出气孔喷向风挡玻璃，为风挡玻璃除雾或防止风挡玻璃结雾；除雾手柄通常设在飞行控制台上，手柄的一端通过拉索连接到热空气分流装置内部的阀板，飞行员可手动设置除雾手柄的位置，以分配除雾环和出风口的热空气流量。出风口可手动转动以调整气流喷出角度和风量大小。

热交换器为一环形密封结构，通过蜗杆紧固卡箍包裹在发动机排气消音器外壳上。热交换器由上、下部分两个焊接组件组成，内侧设有翅片用于发动机排气消音器充分吸热。上部由2个C型槽钢肋骨点焊至外壳；下部与上部类似，但多了进出口管道、L型角片，L型角片用于阻挡进出口两侧气流，使得冲压空气在热交换器中充分吸热。

加温调节箱安装在发动机舱一侧的防火墙上，为防火材料制成，由贯穿焊接件、加热箱盖、转轴、阀板等组成，贯穿焊接件与加热箱盖通过铆接装配，阀板是合页和门板形式，门板上有供加温调节钢索连接的角片，可以通过钢索控制阀板的打开和闭合。调节箱设有一个入口和两个出口，入口用于接收从热交换器输送的热空气，一个出口用于输送热空气进入座舱，另一个出口则根据加温调节箱阀板的调节量将未进入座舱的热空气排到发动机舱外。

热空气分流装置是一个Y形的空腔组件，内部安装了可旋转的铝制分流板，该组件包括了四个出口和一个入口，入口用于接收从加温调节箱输送的热空气，三个出口用于输送热空气到出风口，另一个出口与除雾环的管路连接。

1.2 通风系统

通风系统是将飞机外的环境空气引入座舱进行分配，其通过通风/空调开关控制通风/空调分配电机进行开启和关闭。新鲜空气从安装在座舱结构上的NACA型进气口引入，当通风/空调开关打开时，通风/空调分配电机控制通风/空调分流装置中的挡板运动到新风通路位置，从座舱外引入的外界空气会在通风/空调分流装置进行分流，分流装置将冷空气分流向三处位置，第一处位置为主驾驶通风口，第二处位置为副驾驶员通风口，第三处位置为第三个座位通风口。

通风/空调开关位于中央控制面板上，包含OFF档位、通风开启档位和空调三个调节档位。

通风/空调分流装置是一个异形的空腔组件，内部设有直角形挡板用于通风空气和制冷空气分流，挡板绕着腔体的中心轴转动，该挡板由通风/空调分配电机直接驱动，分流装置的腔体包括了三个出口和两个入口，两个入口分别用于接收从NACA型进气口输送的外界空气和空调系统鼓风机抽吸的冷空气，三个出口用于输送空气至三个通风口。

1.3 空调系统

按照SAE AIR1168/3中描述的方法，计算得出该型飞机空调系统的制冷负荷应不低于7500 BTUH，该负荷是在系统工作期间从飞机座舱移除的热量峰值。

制冷负荷计算的条件如下：

（1）室外空气温度和湿度：104°F（40℃），95％；

（2）载客量：1020 BTUH（3名成人）；

（3）太阳辐射：3000 BTUH；

（4）地面风速：0节；

（5）其他内部热负荷（电气/航空电子设备）：2390 BTUH；

（6）座舱温度：75°F（24℃）。

座舱制冷采用蒸发循环的系统，空调系统采用通用的环保制冷剂R134a，利用制冷剂蒸发吸热、凝结放热将座舱循环空气的热量搬运到座舱外环境空气中。制冷剂被封闭在空调系统中进行循环工作，制冷剂由压缩机控制盒控制进入压缩机，压缩机对制冷剂大幅增压，高压的制冷剂蒸汽转变为液态，制冷剂温度升高；然后制冷剂进入冷凝器，制冷剂通过冷凝器的散热器将热量传递给流过冷凝器散热器的外界空气，制冷剂的温度降低，设备舱外抽取的外界空气温度升高并由冷凝器风扇向另一个方向排出；然后制冷剂流过集液/干燥器，集液/干燥器吸收制冷剂中的水，避免水干扰空调系统运行，并使一部分制冷剂从液态转变为气态，制冷剂成为气液混合态；然后制冷剂进入蒸发器，制冷剂在蒸发器降压，制冷剂从液态转变为气态，制冷剂从液态变为气态吸收热量，制冷剂通过蒸发器的散热器，并从流过蒸发器散热器的座舱空气中吸收热量，流过蒸发器散热器的座舱空气温度大幅降低，为座舱空气降温；然后制冷剂再次进入压缩机，形成循环。

空调系统将流过蒸发器散热器的空气通过鼓风机抽吸并注入通风/空调分流装置中，此时通风/空调分流装置中的挡板打开到空调通路位置，冷空气会在通风/空调分流装置进行分流，分流装置将冷空气分流向三处位置，第一处位置为主驾驶通风口，第二处位置为副驾驶员通风口，第三处位置为第三个座位通风口。保障冷空气可以优先分配给座舱内乘员，增加乘员体感舒适度。

只有中央控制面板上的通风/空调开关打开至空调开启档位或某一调节档位时，空调系统才会工作，且通风/空调分配电机控制至通风/空调分流装置中的挡板运动到通路位置。

通风/空调开关设置了三个调节档位，分别对应鼓风机50％、75％和100％风量。

2  测试结果

为了验证设计的符合性，该系统装机后开展了飞行试验和地面试验。飞行试验包括新风流量验证、除雾性能验证和加温性能验证三个科目。

飞行员在起飞前将通风/空调开关调节到通风开启档位，随后飞行员操纵飞机爬升至14000英尺。飞机以最大巡航功率在此高度进行平飞，飞行员进行通风系统功能检查，当调节通风/空调开关到OFF档位，通风口处无气流，当调节通风/空调开关到通风开启档位，通风口处产生明显的空气气流。飞机巡航时，主驾驶、副驾驶和后排乘客通风口处由风速计采集的平均空气流量分别为987 ft/ min、1486 ft / min和1238 ft / min，试验结果表明通风系统满足“每位乘员出风口处的新风量不低于0.55 lb/ min（810 ft /min）”的设计要求。

除雾性能试验时需要将飞机在高空低温条件下冷浸，然后转入温暖、潮湿的环境（参考地面露点温度不低于21℃）中，创造风挡结雾的条件，对风挡保持清晰视界的能力进行评定。试验前飞机在室外停放，当试验环境满足露点要求时，飞机滑行起飞，爬升至最大巡航高度后平飞一段时间，使风挡冷浸，然后按照飞行手册规定的程序下降，下降过程中风挡开始起雾，当风挡上基本结满雾气，飞行员打开加温开关到最大档位进行除雾，风挡上的雾气逐步消散，风挡的视野不影响观察下降、返场和着陆。风挡除雾效果满足飞行中驾驶舱视界的要求。

加温性能验证试飞科目在寒冷的冬季进行，试验时地面温度为-5℃，起飞前飞行员打开加温系统，飞行员操纵飞机正常爬升至14000英尺，外界温度（GMN_OAT）约为-29.5℃ ，在爬升过程中座舱温度逐渐上升，当座舱温度（Cabin Temp）升高到18℃后，飞机在该高度上保持平飞，并继续飞行36.8min，座舱温度保持在19.2℃以上，峰值温度达到21℃，加温性能试验试飞的测试数据见图2，试验结果表明加温系统的性能满足“在外界气温不高于-24℃ 的高度上飞行时，加温系统能使座舱温度最低达到18℃ 且至少保持30min”的设计要求。

地面试验主要是在地面开车状态下验证空调系统的制冷能力和功能是否满足设计预期，试验前将飞机推至停机坪在高温条件下进行暴露，当座舱温度到达47.2℃时打开空调系统，经过18.1 min后温度记录仪采集的座舱温度下降到27℃，且保持该温度以下的时间在32.2 min以上，试验的测试数据见下图3，试验结果表明空调系统的性能满足“在座舱温度不低于46℃情况下，空调系统开启后座舱温度能在30 min内降至27℃并至少保持30 min”的设计要求。

3  结  论

本文描述了某型教练机座舱环境控制系统的功能、原理和组成，通过飞行试验和地面试验验证了该方案能够满足预期的设计要求，对新开发或改装的小型通用飞机环控系统的方案设计或构造具有一定的参考意义。

参 考 文 献

[1] 陈明生， 汪明明， 黄万甲. 轻型飞机座舱加温系统浅析[J]. 中国科技信息， 2014（19）： 191-192.

CHEN Mingsheng， WANG Mingming， HUANG Wanjia. Analysis of Cabin Heating System for Light Aircraft[J]. China Science and Technology Information， 2014（19）： 191-192. （in Chinese）

通信作者：石晓龙（1988 -  ），男，本科，高级工程师。