第八章 飞机空调系统
8.1 概述
一、创造空中座舱环境的技术措施
为了确保飞行安全，改善空中人员的生活和工作条件，一般可采用以下两类措施： 1、供氧装置
供氧方式对于民用飞机来说仅适用于低速的螺旋桨类飞机，或者为喷气客机气密座舱的一种补充方式，如给机组人员或病员补充供氧，或者当座舱失去气密时用氧气面罩作为应急供氧。
2、气密座舱（又称增压舱）
它是将飞机座舱密封，然后给它供气增压，使舱内压力大于外界大气压力，并对座舱空气参数进行调节，创造舒适的座舱环境，以满足人体生理和工作的需要。这是一种高空飞行时安全而有效的措施，是当代民用飞机普遍采用的一种方式。当座舱增压后，机身结构承受拉应力。
二、气密座舱的环境参数及其要求
气密舱的主要环境参数是座舱空气的供气量温度、压力、压力变化率以及座舱余压，另外还有空气的湿度、清洁度等等，对它们的要求主要是基于满足人体生理卫生要求出发的，应能为乘客和空勤人员提供安全而舒适的生活和工作环境。
1、对座舱温度的要求 根据航空医学要求，最舒适的座舱温度为20～22℃，正常保持在15～26℃的舒适区范围内。
另外，座舱内温度场应均匀，无论是垂直方向还是水平方向，与规定座舱温度值的偏差，一般不得超过±3℃。座舱壁、地板和顶部的内壁温度，基本上应保持与舱内温度一致，否则由于热辐射和对流的影响会使乘员感到不舒适。同时，各内壁的温度应高于露点，使其不致蒙上水汽。
2、座舱压力的要求
对座舱压力有两个方面的要求，一个是使用升限时座舱空气压力的绝对值，另一个是座舱压力变化速率的要求。常用到的与座舱压力有关的参数有以下几个： （1）座舱空气压力pC
使用升限时座舱空气的绝对压力，应保证舱内有足够的氧分压，以使在整个飞行过程中，旅客不需要使用氧气设备。根据生理研究，对于一般乘客只要保证吸入空气的压力不小于570mmHg就不会产生缺氧症状 （2）座舱高度HC
1 座舱压力也可以用座舱高度（HC）表示。座舱高度是指座舱内空气的绝对压力值所对应的标准气压高度，单位为m。对应于座舱空气压力上限值565mmHg，它大约相当于2,400m高度上的大气压力，即称此时的座舱高度为2,400m。
座舱压力降低，相应的座舱高度升高。现代一些大中型飞机上，当座舱高度达到10,000ft（相当于3,050m）时，通常设有座舱高度警告信号，向机组成员发出警告，它表示座舱压力不能再低，此时必须采取措施。 （3）座舱余压Δpc
座舱内部空气的绝对压力pc与外部大气压力pH之差就是座舱空气的剩余压力，简称余压，即Δpc=pc?pH。
正常情况下，余压值为正，但在某些特殊情况下，也可能会出现负余压。某一飞机所能承受的最大余压值取决于其座舱的结构强度，并与爆炸减压对人体的影响有关。飞行中飞机所承受的余压值与飞行高度有关。国际航空运输协会的医学手册规定，亚音速喷气式客机的最大压差范围约在400～440mmHg（7.7～8.5psi）；超音速运输机为490mmHg（9.5psi）。随着客机使用升限的提高和对舒适性要求的提高，客机的Δpc有增大的趋势，如波音747-400和MD-11飞机的最大余压值达9.1psi。
（4）座舱空气的压力变化率dpc/dt
飞机在爬升或下降过程中，由于其座舱高度随飞行高度的变化，以及座舱供气流量的突然变化，都能导致座舱压力产生变化。座舱压力对时间的变化率dpc/dt称为座舱压力变化率。座舱压力变化率过大时，轻者使人耳腔疼痛不适，重者产生航空中耳气压症，严重时可能引起耳膜穿孔。所以，除绝对压力外，压力变化率也是一个极为重要的参数。 生理试验证明，对于一般健康人而言，人体对座舱压力变化率的耐受能力，主要决定于压力变化率的大小及其作用时间。对于大约为153m/min（近似2.5m/s）的垂直上升速度（相当于0.22～0.23mmHg/s的压力降低速度），以及92m/min（近似1.5m/s）的垂直下降速度（相当于0.13～0.14mmHg/s的压力增长速度），它们对人体可以长时间作用而不致产生航空中耳气压症。
3、供气量
满足座舱通风换气要求，通风换气次数不能少于25-30次/小时。
8.2 气源系统
对于大气通风式的旅客机的座舱来说，为了对气密座舱进行温度控制、压力调节以及进行通风换气，需要不断向座舱进行增压供气。气源系统在向座舱提供气源的同时，还对所供入的空气进行压力、流量及温度的控制，然后经空调组件调节其温度、压力等参数后供入座舱，或用作发动机或机翼前缘等的防冰加温。
一、气源系统的基本构形
座舱空气调节系统的气源分系统由增压供气源和供气参数控制两部分组成。增压供气源向座舱供入清洁度符合要求的空气，以满足座舱内增压、调节温度和通风换气的要2
求。
在安装有喷气式发动机的飞机上，一般是采用从发动机压气机引气。为使从发动机压气机的引气对飞机功率消耗和燃油消耗最小，许多现代客机都采用了两个引气口，即中压引气口和高压引气口。在飞行时由中压级引气，而在中压引气口压力不足时用高压级引气，如图8-1。
图8-1 发动机压气机引气示意图
采用发动机压气机引气是现代旅客机气源系统的主要形式，如波音737-300型飞机在５级和９级压气机的位置处有两个引气口，在起飞、爬升和大部分的巡航状态从第５级引气，当第５级引气不能满足要求时，则用第９级引气。
发动机压气机引气的气源系统在发动机工作、引气控制开关打开的情况下，就可以向空调系统和防冰排雨等系统提供空气，因此该系统结构简单、重量轻，而且可以获得较高的供气压力。但是这种直接从发动机压气机引气的方法会对发动机的性能造成一定的影响，引气参数也会受到发动机工况的影响，另外发动机中滑油的泄漏等会对引气造成污染。
二、现代喷气式客机增压空气的来源及用途
现代喷气式客机增压空气的主要来源是发动机压气机引气，它是飞机正常飞行时的主要气源，在地面和空中的一定条件下可以使用辅助动力装置APU引气；在地面还可以使用地面气源。这就是现代客机增压空气的三个来源。
增压空气的主要用途可以归纳为四个方面，即用于飞机座舱的空调与增压，飞机翼面前缘及发动机进气道前缘的热气防冰，发动机起动用气源，以及饮用水、燃油及液压油箱等系统的增压。
8.3 座舱空气调节系统
8.3.1 座舱加温系统
飞机在飞行时，由于直接引入冲压空气的温度低，应对座舱内的空气进行加温，因此加温系统最早在低速飞机上得到应用。
3 常采用的单独的座舱加温方法有以下几种： （1）燃烧加温器
图8-2为这种加温器的原理图。加温器为具有两个小室的加温炉，在油泵作用下，将具有一定压力的燃油喷射到燃烧室时，使其雾化，这种雾状的燃油与从冲压空气进气口进来的空气混合燃烧，供向座舱的空调空气通过燃烧室的周围被加热后，供入座舱。燃油自动供给到燃烧室，其供油量根据流入座舱的空气温度而调节。燃烧室燃烧后的气体被排出机外，以防止一氧化碳污染座舱空气。点火部分一般为压力电门，当燃烧室内有一定压力的空气供应时，电火花塞自动点火。供气的温度控制则采用热敏开关周期性地控制供向燃烧室的供油活门的通与断，以达到预定的温度。这种加温器还有自动切断燃油供给的保险措施。
(1)火花栓；(2)喷嘴；(3)供向燃烧室的空气；(4)加温器壳体；(5)燃烧室；(6)环形加温器
图8-2 汽油燃烧加温器原理图
（2）电加温器
电加温器一般作为喷气式飞机辅助的加温设备，它只有在一定的飞行状态下，如下滑、爬升时才使用，有的飞机在地面停机状态亦可使用。
电加温器有空气管道加温器和电辐射板两种形式。空气管道加温器的形式是在管道内装有一系列的电阻元件，通电时，该元件发热对通过管道的空气加温。电辐射板由壁板和底板组成，在这些板上嵌有电阻丝，当电阻丝通电时，电阻丝及板表面发热，通过辐射对座舱加热。波音-707飞机的客舱电加温作为空气分配系统的补充，用于客舱里空气分配系统不易达到的冷区的加温，如应急舱口、部分客舱地板及客货两用机的主货舱门部分。
电加温装置常用作给玻璃加温，而且这种方法是预防玻璃蒙上水汽的最好方法，其原理是将玻璃表面加热高于空气的露点温度；采用电加温的方法还可以同时防止玻璃外表面的结冰。 （3）废气加温器
图8-3为利用发动机排气作为热源的加温系统示意图。由于活塞式发动机排气是通过较长的排气管排出的，因此，这种加温系统是非常有效的。带有纵向肋片的内管被发动机排出的废气加温后，与冷空气进行热交换，使供入座舱的空气温度升高。一般活塞式发动机排出废气温度可达600～800℃，冷空气通过内管加热后温度最高可达100℃。4
废气加温器结构简单，而且不需消耗额外的能量。但若发动机的排气管有裂纹，可能导致一氧化碳进入座舱，出现一氧化碳中毒，因此对采用这种加温系统的飞机应经常对排气管进行探伤检查，而且还应装有一氧化碳探测器，应当定期进行一氧化碳探测试验。
图8-3 废气加温器示意图
8.3.2 制冷系统 一、空气循环制冷系统
现代大部分旅客机都广泛采用了空气循环制冷系统。 1、简单式空气循环制冷系统
图8-4为实际应用的简单式空气循环制冷系统原理图。从图中可以看出由发动机或座舱增压器引出的高温高压空气，先经过初级热交换器和第二级热交换器冷却，然后在涡轮中膨胀降温，供向座舱空调系统。在系统中，涡轮、初级和第二级热交换器串联在一条主供气管道上，而热交换器又与风扇串联在一条冲压空气管道上，涡轮所驱动的风扇抽吸热交换器的冷边空气。
图8-4 简单式空气循环制冷系统
2、升压式空气循环制冷系统
升压式空气循环制冷系统也称为涡轮－压气机式空气循环制冷系统。图8-5为实际应用升压式空气循环制冷系统的原理图。从发动机压气机或由发动机带动的座舱增压器送来的空气，先经过初级热交换器预冷后再次被压缩，并经过第二级热交换器，然后流入冷却涡轮，在冷却涡轮中空气膨胀到所需的座舱空气压力，同时将热能转换为轴功率并用
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