关于飞机的环境控制系统_风闻

（注：兑现承诺，聊聊飞机的环控系统，由于离开航空系统有20年，也懒得翻资料，就按照以往的基础写写，让一般人容易理解就行了）

   飞机环控系统简单来说就是控制飞机内部环境，满足人的生命和舒适需求和设备工作对温度、湿度的要求。那么人的生命和舒适需求是什么？这就要从飞机的飞行高度说起。

     先说运输机吧。

     众所周知人上高原会有高原反应，因为高原氧气含量低，其实是单位体积氧气含量低了，因为高原气压低，空气密度小，人的肺部容积有限，肺部容纳的氧气也就少了，单位时间内肺部能给血液循环系统提供的氧气量少了，人的脑部和身体供养不足，产生头疼头晕等现象。飞机的飞行高度远超过高原，典型的民航喷气飞机飞行高度是10000米，比珠穆朗玛峰还要高1000多米，如果不做处理，人在那么高的高度都要发生非常严重的高原反应了。另外飞行高度增高空气温度下降，原因也不复杂，太阳辐射到地球表面的热量被陆地和海洋吸收，陆地和海洋先升高温度，然后再向辐射和传递，所以高空温度低，10000米高度空气温度大约是在-55℃。所以，这样的氧气含量和低温，显然是不可能让人舒适的，那是要冒着生命危险去坐飞机了，那么必须要有环境控制系统。

     根据人的需求，环境控制系统首先要保证人所处的飞机座舱环境温度和氧气含量要适合，氧气含量可以靠吸氧，但那肯定太麻烦，所以最好是自然呼吸就好，解决办法其实挺简单，就是吧座舱密封起来，让座舱内部压力提高，空气密度比外界高空大，让空气密度维持与海拔3000米以下的样子，这样就无需专门的吸氧设备了。控制座舱空气密度靠的是压调设备，说白了就是一定压力下能够打开关闭的阀门，当座舱压力太高时打开让一些空气流出去，低的时候关闭。如果座舱压力太高而不能泄压，那么座舱会像气球一样会被压爆破，美国有架C-130就是对座舱压力调节设置不合适造成座舱压力太大让座舱炸裂而报废。对于温度控制则是靠空调，飞机上的空调同时还需要解决人的供养问题，毕竟密封的座舱如果不供氧时间长了人就会被闷死，这也就是为何飞机空调系统都要从发动机或者APU（辅助动力装置）引气的原因，因为发动机的气体来源于大气，大气中是含有氧气的，从发动机引出高压高温气体，通过空气循环膨胀过程，降低压力和温度，经过除湿和除尘等环节降低到合适温度和压力，然后进入座舱供人员呼吸。

     这里稍微花点时间讲一下空气循环空调系统。发动机引气一般会从高压和低压压气机引气，这样做的目的是发动机工作状态不同引气压力不同，而空调空气循环系统的工作需要比较稳定的来流压力，通常是经过中间的阀门来进行控制。引来的空气是经过压缩后的气体，压力高，温度高，引来的空气经过散热器降温后进入涡轮，在涡轮里膨胀降低温度，同时将空气内能（也就是热能）部分转化成机械能带动风扇转动，风扇用来给散热器吹风，毕竟在地面上空调系统工作时没有飞行时的空气来流冷却，热交换效率太低，有风扇给散热器吹风，效率会高很多。为了更好的减少空调系统对发动机的引气（毕竟引气是要消耗发动机的空气流量降低推力增加油耗），空调空气循环系统也越来越复杂，希望能够榨干引气的能量和氧气使用，所以增加了座舱空气再循环系统和多级涡轮系统。让空调系统管道和结构越来越复杂。不过现在的制造技术能够保证复杂零部件的稳定工作，所以榨干高温高压空气的资源就显得重要了。波音777的空调系统在当年就比737/767要复杂，以前在南航飞机维修公司时翻看这些机型的空调系统，都是A4纸那样规格十几公分甚至20公分厚，777的最厚。

    座舱环境也会出问题，尤其是座舱失压。座舱破裂或者压调失效都会造成座舱失压，这会让座舱内空气密度降低氧气含量减少产生高原反应，坐过飞机的会在头顶掉下来氧气面罩，这氧气面罩的作用和到高原旅游的人吸氧的作用是一样的，就是保证人体氧含量的需要。

   环境控制系统还要保证机载设备的工作，这些设备包括座舱内部和座舱外部的一些设备，譬如航空电子设备，迎角传感器、空速管、风挡玻璃的可视度等。这些设备不同，对环境控制系统的要求不同。通常航空电子设备主要是温度控制，也就是不要超过电子元器件允许的工作温度，当然也不能让湿度太大。迎角传感器是不能让其被卡住，空速管是不能让堵住，一般卡住迎角传感器和堵住空速管的是结冰，想想高空温度是零下-55℃，这个时候的一些湿度大的空气或者云层就有过冷水，也就是低于零度了但还是成液态水状态，这些非常小的水滴碰到物体表面就快速结冰，由于结冰造成空速管失效和迎角传感器失效造成的事故并不罕见，2009年6月1日，法国航空一架空中客车A330客机在大西洋失事就是空速管结冰造成空速测量失效引起的。

    说到飞机结冰，可能很多人没有经历过没有经验，我也没有经历过，但看过相关资料，遇到大量过冷水滴时飞机在机翼前缘、尾翼前缘、机头、风挡玻璃、外露的空速管、迎角传感器、发动机进气道等地方会结厚厚的冰，破坏飞机的气动外形造成升力下降，造成空速和迎角不准引起飞行姿态和失速、座舱看不到外界影响对危险物的判断，这些都会造成很大的安全隐患，必须得除去。国内因为结冰造成的失事有好多次，典型的失运八预警机和特种机，另外还要一些早期事故时运输型（由于当时没有网络未被人所知）。对于除冰有多种方法，座舱玻璃是给玻璃中间加薄金属层来加热，迎角传感器和空速管等小型设备是通过电热丝加热，把冰融合后靠吹来的气流吹走了事。对于机翼和尾翼前缘结冰，通常有两种办法来除，一种是通过发动机引来的高温空气吹到机翼前缘、尾翼前缘和发动机进气道前缘把冰融化，通常涡轮风扇发动机的飞机这样做；另外一种给机翼和尾翼前缘、发动机进气道贴一层橡胶套，结冰时橡胶套鼓胀起来让冰破裂脱落，一般涡桨发动机这样做，因为涡桨发动机的引气量较少。当然也有例外，国内早期运七系列采用的就是发动机引气到机翼前缘等地加热。

    除了结冰还有降雨，降雨的解决办法和汽车上的解决办法是类似的，运输机是设置风挡雨刷，由于飞机的飞行速度快，风挡雨刷要在几百公里速度下工作，要比汽车风挡雨刷功率和结实程度大多了，而且还挺贵，当时国内从法国买，记得大概需要一辆小汽车的价格（记不太清了），反正不便宜。

    下面说说战斗机。

    战斗机的要求和运输机还是有很大不同的，因为战斗机会在各个高度出现故障或者被击中，那么需要考虑在相当高的高度跳伞，所以战斗机座舱虽然也加压，但是座舱加压的幅度不能太大，不然在跳伞时瞬间的内外压差变化，会造成人体内部压力和外部形成压力差影响人的身体健康，所以战斗机时维持一定的内外压力差，使得在跳伞时的压力变化不会影响飞行员身体健康。由于战斗机飞行高度比运输机更高，一定压力差显然让在1.6-2万米的飞行员获得不了足够氧气的，这个时候就需要氧气面罩了，当然飞行员的氧气面罩和一般运输机乘客的氧气面罩不同，飞行员是必须戴，乘客是应急戴，两者的设计要求差别就太大了，大家知道就行了。早期战斗机给飞行员供氧很简单，就是弄个氧气瓶，但是氧气瓶需要场站制氧，所以就在飞机上搞制氧系统，说白了就是从发动机引气经过分子筛等把氧气过滤出来给飞行员用，降低对地面制氧系统的依赖。当然这个制氧系统有时候也会出问题，F-22就由于供养系统有问题造成了事故，停飞了不短的时间。

    战斗机的环控系统更重要一点是对航空电子设备的制冷，以前电子设备不多时需要制冷量不大，可以从发动机引气经过空气循环系统降温然后膨胀后进一步降低温度给航电使用（也有直接从外界引气到电子设备冷却，典型的就是飞机上各种猫耳朵引气口，直接将外界空气引进制冷，当然这会造成阻力），随着相控阵雷达和越来越多的各种光电系统、电子战系统等的使用，传统的空气循环制冷的制冷密度和这些电子设备高散热密度就匹配不了了，这个时候人们开始打燃油系统的主意，毕竟燃油进到发动机后就燃烧了 ，所以燃油升高点温度对发动机没啥大问题，将电子系统设备的热量让燃油带走。燃油温度升高后进入发动机燃烧，如果发动机不需要那么多燃油，也不能让高温燃油进入油箱，这个时候就通过空气对燃油温度降低返回给油箱，当然中间是各种阀门来控制燃油流向，也少不了各种传感器。

   对电子设备采用燃油冷却也有局限，就是燃油毕竟是在一定环境下的，譬如大夏天放在太阳底下，高温暴晒后飞机油箱内的燃油温度也会很高，这个时候燃油冷却效果就会变差，因为传热效果好坏依赖于温度差。另外燃油冷却温度差有限，在温度差不够时就要增加燃油流量，这也会造成负担。这个时候人们就想到了蒸汽循环制冷。所谓蒸汽循环制冷就是家里的空调和冰箱制冷原理，即利用一定工作介质在气化过程中吸热来降低温度。蒸汽循环制冷对外界环境的适应程度是超过燃油 制冷，需要的管道粗细也会降低，当然这样会造成需要一些工作介质造成死重，蒸汽循环制冷也需要压缩机、散热器等结构，必然也会增加重量。到底是燃油冷却的收益和重量付出代价与蒸汽循环制冷的收益和代价那个更合适，这需要详细的比较，个人认为蒸汽循环制冷很有前途，国内外都在做这方面的研究。

    战斗机也会遇到结冰，对于传感器和座舱也是通过电加热方式来解决，对于机翼前缘、进气道、尾翼前缘的结冰，战斗机的解决办法就比较粗暴，因为从发动机引气太费事，战斗机也没有那么大空间，所以就让发动机开加力，通过气动加热升高这些部位的温度让冰融化，然后吹掉后了事。

    好了，就啰嗦写这么多，有点枯燥，也没有配图。没有配图的原因是实际的空气循环系统是很复杂的，尤其是把各种阀门、传感器等都画上就更麻烦。即便是不画阀门和传感器，好几个涡轮和循环管路也会让不了解原理的人看晕。想了想，还是配个图，让大家了解点大概算了。