[發明專利]綜合利用飛機艙室壓力的環控與制氮耦合系統及工作方法

有效

• 申請號: 202110109812.X
• 申請日: 2021-01-27
• 公開（公告）號: CN112572806B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 劉衛華;張瑞華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64D13/06
• 分類號: B64D13/06;B64D13/08;B64D37/32
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 王慧穎

本發明公開了一種綜合利用飛機艙室壓力的環控與制氮耦合系統及工作方法，屬于飛行器機載機電系統領域，本發明利用升壓式系統中的壓氣機提升兩組制冷包冷卻渦輪和中空纖維膜制氮裝置入口壓力、逆升壓式系統中的壓氣機提升機載制氮系統中排放的富氧氣體壓力，以增加進入座艙調制氣體的氧分壓。本發明采用耦合設計方法充分回收利用了機載制氮燃油箱惰化系統中排放的富氧氣體，有效提高了座艙氧分壓，不僅增強了乘員舒適性，降低了高空缺氧給乘客帶來的不良反應；而且充分利用了座艙和設備艙的壓力差，使得系統能量利用率高，且結構簡單，易于調節和控制、具有高的可靠性和可實現性。

技術領域

本發明屬于飛行器機載機電系統領域，尤其涉及一種綜合利用飛機艙室壓力的環控與制氮耦合系統及工作方法。

背景技術

高空飛行中，飛機艙室環境控制十分關鍵，它保障了乘員的生理安全需要和設備艙冷卻負荷要求，但其引氣量大小直接影響著飛機燃油代償損失和運行的經濟性，因此，在滿足乘員生理安全需要的基礎上，降低飛機發動機壓氣機引氣量、提高引氣流的能量利用率是環控系統設計工作重點，然而，當前飛機艙室環境控制系統普遍采用了三輪升壓式制冷包來同時滿足座艙和設備艙冷卻負荷需要，它并未充分利用座艙和設備艙的壓力差，因此也未充分利用引氣流的可用能。

為了保障乘員的生命安全，處于高空環境的飛機座艙需要增壓，以提高座艙環境中氣體的氧分壓，保障乘員正常呼吸需要，但座艙增壓的同時也帶來了座艙內外壓差的增加，它不僅可能導致爆破減壓時對乘員產生的更大傷害，而且使得座艙結構強度要求更高，飛機重量增加；因此，當前在飛機座艙環境控制系統設計中，均是以乘員生理安全極限作為控制指標，在不導致乘員生理損傷的前提下，盡可能降低座艙內外壓差，它直接帶來了座艙氧分壓不足、乘員舒適感差、甚至導致疾病產生等一系列問題。當代民機市場的競爭，座艙舒適性競爭是關鍵，因此，提高座艙氧分壓、給乘客帶來更好的乘機感受十分重要。

綜上所述，如何充分利用座艙和設備艙的壓力差，提高引氣流的能量利用率；如何提升座艙環境氧分壓，滿足乘員生理與舒適性要求；是當前環控系統設計需解決的瓶頸問題。

與此同時，飛機燃油箱燃燒爆炸會對飛行安全構成極大威脅，同時伴隨著巨大的經濟損失及惡劣的社會影響。自有動力飛行以來，油箱燃爆就成為一個與飛機燃油系統設計和使用相關、反復出現的問題。

要抑制飛機燃油系統的燃燒與爆炸，提高飛機的安全性，無疑，可以從控制點火源、氧氣濃度、可燃蒸汽濃度和減輕燃油蒸汽點燃影響等方面著手。為此，美國軍方及民用航空業均開展了大量相關研究，美國民航總局（FAA）已頒布了一系列的修正案、咨詢通告和適航規章，強制要求在民用飛機燃油箱內采用有效技術措施以減少點火源（SFAR 88）、降低可燃蒸氣濃度（AC 25.981-2A）、降低運輸類飛機燃油箱可燃性暴露時間（FAR 25.981）。基于上述適航規章的要求，燃油箱防火抑爆系統設計逐漸步入實用階段，以為飛機及飛機燃油系統提供安全保障。

大量地面與飛行試驗研究和各種防火抑爆技術措施的實際應用結果已表明：機載燃油箱惰化，是保障油箱安全性的一項可行、高效、經濟的技術方法。機載燃油箱惰化是指惰性氣體由機載設備產生，并用之充填燃油箱上部氣相空間，以保障油箱的安全。隨著膜分離技術的突破，中空纖維膜燃油箱惰化技術已成為當前軍機、民機燃油箱惰化的主流技術，它將引氣進行限流、降溫、除雜等預處理，再經過中空纖維膜空氣分離器進行氧氮分離，形成高濃度的富氮氣體，富氮氣體經過分配系統輸送至油箱，而分離出來的富氧氣體則作為廢氣排出機外，它不僅造成了浪費，而且帶來了安全隱患。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的安全隱患、浪費資源等技術缺陷，提供一種綜合利用飛機艙室壓力的環控與制氮耦合系統與工作方法，綜合利用了飛機座艙與設備艙的不同壓力，將環控與機載制氮燃油箱惰化進行系統級設計耦合，解決了上述的問題。

本發明是這樣實現的：