气密座舱及其环境控制系统

气密座舱及其环境控制系统
高空飞行会带来缺氧，减压症及气温过高过低的问题。

解决的办法就是采用气密座舱。

气密座舱是采用气密性良好的座舱结构，使舱内与外界大气阁开，它有增压空气源以保证高空飞行时座舱内的空气压力较舱外大气压力为高，这样即可使吸入空气的氧分压提高，又可避免减压病。

此外，用改变流入气密座舱的空气温度的办法，控制座舱温度处在适宜范围内。

由于采用了气密座舱，人类进入高空飞行方能实现。

a.气密座舱
气密座舱有通风式和再生式两种，目前飞机上最常用的是通风式的。

通风式气密座舱－这是利用发动机压气机（或专用增压器）供给
的增压空气来增压和通风的座舱。

由压气机来的增压空气经过温度调节装置，供气开关等附件，不断进入座舱。

座舱内的空气又不断地经压力调节装置流出，带走乘员的二氧化碳和水汽，使舱内空气保持新鲜。

温度调节装置能自动控制流向加温装置和冷却装置的空气流量比例，以保持座舱温度。

压力调节器用来调节座舱压力，使它按一定的规律变化。

通风式座舱的优点是：对座舱气密性要求较低，因儿构造简单；
增压空气温度较高，一般不要另装加温设备。

其主要缺点是使用高度受增压装置的限制，一般只适用于升限在20～25公里范围之内的飞机。

再生式气密座舱－舱内装有再生装置不断地将舱内二氧化碳和水
汽吸收，再生成氧气放出，使座舱内空气能循环使用。

为了补偿座舱空气泄露，利用机上的氧气瓶和冷气瓶向舱内输送气体。

这样，使用时可以不受飞行高度的限制，它主要用于载人宇宙飞船上。

b.座舱环境控制系统
座舱环境控制系统又称座舱空气调节系统（简称空调系统），它
保证在各种飞行状态和外界环境条件下，使飞机座舱内的压力、温度、湿度等参数适合人体生理要求，满足设备（如电子设备）冷却、增压要求，保证乘员生命安全、舒适，保证设备正常工作。

座舱环境控制系统由气源、冷却、加热、温度调节、湿度调节、
座舱压力调节和空气分配的分系统组成。

座舱增压供气装置
通风式气密座舱都要增压供气，为此要有增压供气装置。

一般增
压供气装置包括增压源、供气量调节器、空气滤、供气开关、单向活门和空气导管等。

增压供气装置的主要问题是确定所需供气量和选择电压源。

供气量应满足座舱（或设备舱）增压、通风和温度调节的需要。

目前通风式气密舱的增压源，主要式利用发动机压气机。

这种从
发动机压气机直接引气的方法最大优点是结构简单、重量轻、压力合适、供气量大。

它的主要缺点是供气参数（压力、流量等）随发动机工作状态的变化而变化，这对保持座舱内空气压力和温度的稳定是不利的。

另外供出的空气可能受染油蒸汽污染。

有的飞机上为了向座舱输送清洁的增压空气，采用了专用增压器，这种增压器也可由发动机直接带动。

冷却系统
冷却系统又称制冷系统，是给座舱或设备舱的空气调节提供冷空
气的系统，它是座舱空调系统的重要组成部分。

冷却系统的型式和组成的工作原理，往往代表着空气调节系统的特征。

冷却系统分空气循环冷却系统和蒸发循环冷却系统两种。

空气的冷却原理有：
用低温介质与高温空气进行热交换。

通过空气制冷机使具有一定压力和温度的空气膨胀作功,将空气
降压、降温。

利用液态制冷剂蒸发时吸收空气中的热量。

空气循环冷却系
空气循环冷却系统是利用高压源供给的空气来制冷的,高压空气
通过一个涡轮冷却器,由于在涡轮中膨胀作功,空气本身的温度和压力
大大降低.为了消耗这部分功,涡轮可以带动风扇,压气机或其它装置,
这样,高压空气中的热能就转换为可用的机械功,从而达到降温和制冷
的目的.
1)简单式空气循环冷却系统
又称“涡轮运风式空气循环冷却系统"(或涡轮风扇式空气循环冷
却系统),主要由气源、热交换器和涡轮冷却器等组成.
由发动机压气机的高温高压空气经热交换器预冷后,通过冷却涡
轮进一步膨胀冷却,供给座舱.涡轮通常传动一个风扇或一个引射器的
压气机,以抽吸或引射热交换器的冷边空气.这种系统结构简单,重量轻,在各类战斗机、轰炸机上均获得广泛的应用.该系统主要缺点是涡轮功
率没有充分利用,系统性能系数低.涡轮转速和效率随大气密度而变化,因此高空飞行时系统性能受到限制.
2)升压式空气循环冷却系统
简称“升压式冷却系统".主要由气源、升压式涡轮冷却器,初级和
中间热交换器等组成。

由发动机压气机来的高温高压空气经初级热交换器1预冷后,经过涡轮驱动的压气机 3.增压，空气的压力和温度提高了,再经中间热交换器2冷却,空气温度下降,最后通过涡轮4膨胀冷却,供给座舱或设备舱.
这种型式的冷却系统,在英美飞机上,尤其在客机上获得较广泛的
采用。

这是因为:在早期,采用专用增压器作为增压源，其增压比小，为
了保证座舱增压和获得足够的冷却，往往采用升压式冷却系统。

今天在喷
气式飞机上用发动机压气机作为增压源的情况下，亦较多地采用升压式冷却系统。

升压式冷却系统在地面停机或起飞滑跑时,热交换器冷边流量少,系统冷却能力小,这是它不如涡轮通风式冷却系统的地方.涡轮通风式
冷却系统,由于热交换器冷边有冷却涡轮所传动的风扇在抽风(或引射
器引射)故仍有良好的冷却能力.
3)简单一升压式空气循环冷却系统
这是把升压式和涡轮通风式组合起来成为一个升压式一涡轮通风
式组合冷却系统.这种系统的冷却装置特点是:冷却涡轮驱动同轴的风
扇和升压式压气机.因涡轮、压气机和风扇三个叶轮装在同一根轴上,供气压力小,节省功率,又吸收了涡轮通风式系统的优点，地面有冷却能力.这种系统的涡轮功率主要部分为压气机吸收，既充分利用能量，又可防止冷却装置和风扇的过速.这是空气循环冷却系统的最新发展,在现代
客机上获得泛的应用,如波音一747,D C一10等均采用这种冷却系统。

由增压源来的高温高压空气经初级热交换器1预冷后，进入升压
式压气机3再次增压，然后经中间热交换器2冷却，再经涡轮4膨胀作功进一步冷却后供给座舱。

组合式热交换器1，2的冷空气由三轮装置的风扇抽吸。

三轮冷却装置结构复杂，安装空间大，故目前只在旅客机上使用。

4）高压除水-回冷式空气循环冷却系统
现代飞机上所采用的空气循环冷却系统，在大气湿度较高的条件
下使用时，不能获得最大的冷却能力，原因是：
一为了防止涡轮出口导管上结冰,就要使涡轮出口温度高于O℃,
这就使系统冷却能力减小了.
一大气中的水蒸汽,通过冷却涡轮后要凝结,其凝结的水由水分离
器除去了,不能再蒸发，这样使冷却能力大为减低。

提高空气循环冷却系统能力的办法是：使大气中的水蒸汽在供入
冷却涡轮之前除去(高压下除水).这样可使涡轮出口的冷却空气温度很低.同时还可把涡轮前凝结的水分,喷进热交换器的冷边空气中,使它再
蒸发,以降低热交换器冷边入口气流的温度,这样又可提高热交换器效率.在该系统里增加了一个回冷热交换器,放在冷却涡轮之前,用涡轮出口的一部分冷空气作为它的冷却介质,这样能有效地冷却,保证在涡轮
之前将水蒸汽充分地凝结下来并分离出来.
这种高压除水式的冷却系统很适合低空低湿区飞行的机种,对装
备有大量电子设备的现代高性能军用机也是十分吸引人的.
蒸发循环冷却系统
蒸发循环冷却系统是利用液态制冷剂蒸发时吸收空气中热量的原理,使系统中的空气在进入座舱之前显著地降低温度.
基本型式有两种:开式蒸发冷却系统和闭式蒸发循环冷却系统.
1)开式蒸发冷却系统
如图11.6所示,液态制冷剂从贮液箱3中经调节阀2到蒸发器1,
吸热蒸发后排出机外,供向座舱的空气则经蒸发器而降温.
本系统通常与空气循环冷却系统组合使用，即用制冷剂蒸发时吸
热来代替热交换器的冷源.这种组合式系统安装位置灵活,结构比较简单,适用于高空高速歼击机.制冷剂有水、液氮、液氧等,最常用的还是水.
2)闭式蒸发循环冷却系统
液体制冷剂在蒸发吸收供给座舱空气的热热量后而成为蒸汽,接
着在压气机中压缩到较高的压力和温度,而后在冷凝器中被冷却又转变
为液态.离开冷凝器的液态制
冷剂经过节流(膨胀)阀而流向蒸发器,在蒸发器中又吸收热量而不断循
环着,故称闭式回路系统.在冷凝器中,制冷剂将吸收的热量排给冷源,
冷凝器冷边流量,飞行时利用冲压空气,在地面则靠涡轮风扇吸收.因此,闭式蒸发循环冷却系统在地面停机情况下,也有良好的冷却作用.
闭式蒸发循环冷却系统里制冷剂一般采用氟利昂，如F12等。

由
于该系统重重量大,维护复杂,故很少使用.
加温系统
低速飞机上加温系统是一个重要的系统，因为低速飞行时,需要大量的热量来补偿座舱向外界的热损失。

即使现代超音速飞机，在某些飞行状态下也还要有加温系统,如在冬天高空低速飞行，或低空低速飞行时,都需要对座舱进行加温或者进行温度调节.
现代飞机上常用发动机压气机的热空气作为热源。

它所具有的温
度和热焓足够保证座舱所必须的温度。

由于现代飞机空气调节系统(冷却、加温、加湿、去湿、通风和增压等)是一个整体,故来自发动机压气机的压缩热空气,只要通过一个绕过冷却涡轮或热交换器的旁路系统
(热路)向座舱进行加温。

根据系统的要求不同,旁路热空气可从热交换器前、中、后某处或某几处同时引出，使空调系统具有良好的调节性能。

在大多数条件下，旁路热空气和冷空气按比例混合后，作座舱调温或加温用。

所以，保持座舱空气温度在规定范围内,就是靠温度调节系统调节冷热空气流量的混合比来实现的.
座舱压力调节系统
座舱压力调节系统的基本任务是使在舱内的空气压力及压力变化
速度等参数按规定的要求变化.
压力调节系统由气源、压力调节装置、增压舱等组成.而压力调节装置主要是座舱压力调节器、安全活门、应急卸压活门等.
我们可将通风式气密座舱看作具有一定容积的空间,一方面为保
证座舱增压通风要供入增压空气,另一方面为使座舱压力不继续增大,需要在座舱上安装一个排气活门,将供入的空气排出.
1)座舱压力调节规律
又称“座舱压力制度".它是座舱压力随飞行高度变化的规律。

此规律是根据机种、飞机性能及乘员生理要求等条件综合研究制定的。

在保证座舱结构强度的前提下,一般要求是:
对歼击机:在正常情况下(指座舱不破坏)以保证飞行员获得足够
的氧分压和不发生减压症为原则。

这是因为歼击机续航时间短,飞行员又经过严格训练,故条件要苛刻一些,这样座舱承受余压值小,结构强度相应可低一些。

对轰炸机:考虑续航时间较长,为此压力制度要高一些,有些轰炸机采用双压差调节装置,正常飞行状态使用高压差,战斗状态使用低压差.
对旅客机:要求舒适,为此在任何飞行高度上应保证不使用氧气设备均可工作,还要求座舱压力变化速度尽可能小.
各类飞机的典型的座舱压力调节现律见图11.9。

由图可见:座舱压力制度一般分为非增压区(自由通风区),绝对压力调节区,等压差调节区(等余压区)。

座舱绝对压力是以绝对真空(即压力为0)为基准表示的座舱空气压力,而座舱剩余压力(简称余压)则是座舱空气压力高于座舱外界大气压力的差值.
2)座舱压力调节器
是调节增压座舱内空气压力和压力变化速度的装置.由控制机构(控制器)执行机构(排气活门)组成。

座舱压力调节器分为直接式和间接式两大类。

凡是控制机构传给执行机构的指令信号是机械位移,则称直接式座舱压力调节器.凡是执行机构所接受的指令信号是气压信号或电信号,则称间接式座舱压力调节器.间接式座舱压力调节器按其控制形式和能源种类又分为气动式、电动式、电子-气动式、电子-电泊式等.
座舱压力调节器把座舱压力、压差、压力变化速度与相应的给定值进行比较,利用所得的差值来控制排气活门的开度,改变座舱的排气
量来控制座舱的空气压力.
由于直接式座舱压力调节器不能控制座舱,压力变化速度,现已被间接式所代替.间接式座舱压力调节器精度高,目前电子-气功式、电子-气动式的座舱压力调节器已在旅客机上得到应用.。