题目：大型飞机环境控制系统研究

2007年2月，国务院原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项，标志着我国大型飞机项目的正式上马。大型飞机是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机，包括军用和民用大型运输机，以及150座级以上的干线客机。本文以大型飞机的三项关键评价标准——安全性、可靠性和舒适性为依据，对大型飞机的环境控制系统进行了较系统的理论分析和仿真研究。环境控制系统的任务是在各种飞行条件下，将舱内空气的压力、温度、湿度、气流速度和洁净度保持在允许范围或规定值内，为机上乘员提供健康舒适的座舱环境，保障机载电子设备的正常运行。随着社会的进步、科技水平的提高，对飞行的安全性、经济性、环保性以及乘坐的舒适性提出了更高的要求。本文以此为目标，提出了一套新型环境控制系统方案。文中对新系统的稳态性能进行了详细的分析计算；建立了主要部件及整个系统的仿真模型，对其动态特性进行了研究并制定了相应的控制策略；在系统经济性分析中进行了简单的代偿损失计算，提出了应用全寿命期费用法进行评价的思想。主要研究内容可归纳如下：1）大型飞机新型环境控制系统总体方案设计为了实现飞机“更安全、更舒适、更经济、更环保、更高效”的设计理念，经过详细的分析论证，制定了新的座舱压力制度，等效高度最高为1800m；设计了新的座舱湿度控制方案，增加了巡航时的座舱湿度；提出了一套新型环境控制系统方案：取消发动机引气，用冲压空气作气源；蒸发循环制冷取代涡轮膨胀空气制冷，使用变频涡旋制冷压缩机，选用R134a制冷剂，机上燃油作冷源；变频电机驱动的增压器保证座舱供气压力；独立的电动引气风扇。新系统能够降低能耗，提高座舱舒适性。2）新型环境控制系统主要部件仿真模型建立分析新型环境控制系统中主要部件的工作原理，在此基础上进行分析简化，利用质量、动量和能量守恒原理，建立了冲压空气引气、喷水预冷器、换热器、变频电机驱动的增压器和电动引气风扇、涡旋压缩机及变频器、以及连接设备用空气管道的仿真模型，作为后续系统研究的基础。3）新型环境控制系统的稳态性能及动态特性研究详细分析了座舱热载荷的组成及计算要求，以北京航空航天大学大型飞机高级培训班设计的150座级民用客机CJ818为例，分别计算了设计环境、标准大气环境以及实际飞行环境下七个典型状态的加热、冷却热载荷。在此基础上，对新型环境控制系统的稳态制冷性能进行了分析计算，确定了系统中各部件的工作范围；根据能量、质量守恒原理，采用集总参数法建立了新型环境控制系统的动态特性方程，以实际飞行的热天环境为例，对系统在整个飞行剖面上的动态性能进行了仿真研究。4）新型环境控制系统的控制策略及其在动态仿真中的应用制定了新型环境控制系统的动态控制策略，取座舱温度为受控对象，经蒸发制冷装置冷却后的冷空气流量和温度为控制量。比较了PID控制和Fuzzy（模糊）控制的调节性能，在整个飞行剖面的动态仿真中，选用Fuzzy控制方式调节座舱温度，与PID控制效果对比表明在热载荷大范围变化过程时，Fuzzy控制的效果较好，其超调量小、调节时间短、控制精度高。5）新型环境控制系统的经济性分析以热天实际飞行环境为例，计算了新型环境控制系统在整个飞行剖面上的能耗，将其与应用涡轮膨胀空气制冷的环境控制系统能耗分别折算为燃油消耗进行比较，表明在整个飞行过程中前者的燃油消耗始终低于后者。应用起飞总质量法，计算了系统的代偿损失，并简单介绍了采用全寿命期费用对系统进行经济性分析的方法。本文以我国的大型飞机项目为背景，提出了一套具有竞争力的新型环境控制系统方案，并进行了较全面、系统的分析计算和仿真研究，为我国大型军用运输机和大型民用客机的研制提供了必要的技术储备，促进了计算机仿真技术在飞机环境控制系统研究领域的应用和发展。