關於飛機的環境控制系統_風聞

（注：兑現承諾，聊聊飛機的環控系統，由於離開航空系統有20年，也懶得翻資料，就按照以往的基礎寫寫，讓一般人容易理解就行了）

   飛機環控系統簡單來説就是控制飛機內部環境，滿足人的生命和舒適需求和設備工作對温度、濕度的要求。那麼人的生命和舒適需求是什麼？這就要從飛機的飛行高度説起。

     先説運輸機吧。

     眾所周知人上高原會有高原反應，因為高原氧氣含量低，其實是單位體積氧氣含量低了，因為高原氣壓低，空氣密度小，人的肺部容積有限，肺部容納的氧氣也就少了，單位時間內肺部能給血液循環系統提供的氧氣量少了，人的腦部和身體供養不足，產生頭疼頭暈等現象。飛機的飛行高度遠超過高原，典型的民航噴氣飛機飛行高度是10000米，比珠穆朗瑪峯還要高1000多米，如果不做處理，人在那麼高的高度都要發生非常嚴重的高原反應了。另外飛行高度增高空氣温度下降，原因也不復雜，太陽輻射到地球表面的熱量被陸地和海洋吸收，陸地和海洋先升高温度，然後再向輻射和傳遞，所以高空温度低，10000米高度空氣温度大約是在-55℃。所以，這樣的氧氣含量和低温，顯然是不可能讓人舒適的，那是要冒着生命危險去坐飛機了，那麼必須要有環境控制系統。

     根據人的需求，環境控制系統首先要保證人所處的飛機座艙環境温度和氧氣含量要適合，氧氣含量可以靠吸氧，但那肯定太麻煩，所以最好是自然呼吸就好，解決辦法其實挺簡單，就是吧座艙密封起來，讓座艙內部壓力提高，空氣密度比外界高空大，讓空氣密度維持與海拔3000米以下的樣子，這樣就無需專門的吸氧設備了。控制座艙空氣密度靠的是壓調設備，説白了就是一定壓力下能夠打開關閉的閥門，當座艙壓力太高時打開讓一些空氣流出去，低的時候關閉。如果座艙壓力太高而不能泄壓，那麼座艙會像氣球一樣會被壓爆破，美國有架C-130就是對座艙壓力調節設置不合適造成座艙壓力太大讓座艙炸裂而報廢。對於温度控制則是靠空調，飛機上的空調同時還需要解決人的供養問題，畢竟密封的座艙如果不供氧時間長了人就會被悶死，這也就是為何飛機空調系統都要從發動機或者APU（輔助動力裝置）引氣的原因，因為發動機的氣體來源於大氣，大氣中是含有氧氣的，從發動機引出高壓高温氣體，通過空氣循環膨脹過程，降低壓力和温度，經過除濕和除塵等環節降低到合適温度和壓力，然後進入座艙供人員呼吸。

     這裏稍微花點時間講一下空氣循環空調系統。發動機引氣一般會從高壓和低壓壓氣機引氣，這樣做的目的是發動機工作狀態不同引氣壓力不同，而空調空氣循環系統的工作需要比較穩定的來流壓力，通常是經過中間的閥門來進行控制。引來的空氣是經過壓縮後的氣體，壓力高，温度高，引來的空氣經過散熱器降温後進入渦輪，在渦輪裏膨脹降低温度，同時將空氣內能（也就是熱能）部分轉化成機械能帶動風扇轉動，風扇用來給散熱器吹風，畢竟在地面上空調系統工作時沒有飛行時的空氣來流冷卻，熱交換效率太低，有風扇給散熱器吹風，效率會高很多。為了更好的減少空調系統對發動機的引氣（畢竟引氣是要消耗發動機的空氣流量降低推力增加油耗），空調空氣循環系統也越來越複雜，希望能夠榨乾引氣的能量和氧氣使用，所以增加了座艙空氣再循環系統和多級渦輪系統。讓空調系統管道和結構越來越複雜。不過現在的製造技術能夠保證複雜零部件的穩定工作，所以榨乾高温高壓空氣的資源就顯得重要了。波音777的空調系統在當年就比737/767要複雜，以前在南航飛機維修公司時翻看這些機型的空調系統，都是A4紙那樣規格十幾公分甚至20公分厚，777的最厚。

    座艙環境也會出問題，尤其是座艙失壓。座艙破裂或者壓調失效都會造成座艙失壓，這會讓座艙內空氣密度降低氧氣含量減少產生高原反應，坐過飛機的會在頭頂掉下來氧氣面罩，這氧氣面罩的作用和到高原旅遊的人吸氧的作用是一樣的，就是保證人體氧含量的需要。

   環境控制系統還要保證機載設備的工作，這些設備包括座艙內部和座艙外部的一些設備，譬如航空電子設備，迎角傳感器、空速管、風擋玻璃的可視度等。這些設備不同，對環境控制系統的要求不同。通常航空電子設備主要是温度控制，也就是不要超過電子元器件允許的工作温度，當然也不能讓濕度太大。迎角傳感器是不能讓其被卡住，空速管是不能讓堵住，一般卡住迎角傳感器和堵住空速管的是結冰，想想高空温度是零下-55℃，這個時候的一些濕度大的空氣或者雲層就有過冷水，也就是低於零度了但還是成液態水狀態，這些非常小的水滴碰到物體表面就快速結冰，由於結冰造成空速管失效和迎角傳感器失效造成的事故並不罕見，2009年6月1日，法國航空一架空中客車A330客機在大西洋失事就是空速管結冰造成空速測量失效引起的。

    説到飛機結冰，可能很多人沒有經歷過沒有經驗，我也沒有經歷過，但看過相關資料，遇到大量過冷水滴時飛機在機翼前緣、尾翼前緣、機頭、風擋玻璃、外露的空速管、迎角傳感器、發動機進氣道等地方會結厚厚的冰，破壞飛機的氣動外形造成升力下降，造成空速和迎角不準引起飛行姿態和失速、座艙看不到外界影響對危險物的判斷，這些都會造成很大的安全隱患，必須得除去。國內因為結冰造成的失事有好多次，典型的失運八預警機和特種機，另外還要一些早期事故時運輸型（由於當時沒有網絡未被人所知）。對於除冰有多種方法，座艙玻璃是給玻璃中間加薄金屬層來加熱，迎角傳感器和空速管等小型設備是通過電熱絲加熱，把冰融合後靠吹來的氣流吹走了事。對於機翼和尾翼前緣結冰，通常有兩種辦法來除，一種是通過發動機引來的高温空氣吹到機翼前緣、尾翼前緣和發動機進氣道前緣把冰融化，通常渦輪風扇發動機的飛機這樣做；另外一種給機翼和尾翼前緣、發動機進氣道貼一層橡膠套，結冰時橡膠套鼓脹起來讓冰破裂脱落，一般渦槳發動機這樣做，因為渦槳發動機的引氣量較少。當然也有例外，國內早期運七系列採用的就是發動機引氣到機翼前緣等地加熱。

    除了結冰還有降雨，降雨的解決辦法和汽車上的解決辦法是類似的，運輸機是設置風擋雨刷，由於飛機的飛行速度快，風擋雨刷要在幾百公里速度下工作，要比汽車風擋雨刷功率和結實程度大多了，而且還挺貴，當時國內從法國買，記得大概需要一輛小汽車的價格（記不太清了），反正不便宜。

    下面説説戰鬥機。

    戰鬥機的要求和運輸機還是有很大不同的，因為戰鬥機會在各個高度出現故障或者被擊中，那麼需要考慮在相當高的高度跳傘，所以戰鬥機座艙雖然也加壓，但是座艙加壓的幅度不能太大，不然在跳傘時瞬間的內外壓差變化，會造成人體內部壓力和外部形成壓力差影響人的身體健康，所以戰鬥機時維持一定的內外壓力差，使得在跳傘時的壓力變化不會影響飛行員身體健康。由於戰鬥機飛行高度比運輸機更高，一定壓力差顯然讓在1.6-2萬米的飛行員獲得不了足夠氧氣的，這個時候就需要氧氣面罩了，當然飛行員的氧氣面罩和一般運輸機乘客的氧氣面罩不同，飛行員是必須戴，乘客是應急戴，兩者的設計要求差別就太大了，大家知道就行了。早期戰鬥機給飛行員供氧很簡單，就是弄個氧氣瓶，但是氧氣瓶需要場站製氧，所以就在飛機上搞製氧系統，説白了就是從發動機引氣經過分子篩等把氧氣過濾出來給飛行員用，降低對地面製氧系統的依賴。當然這個製氧系統有時候也會出問題，F-22就由於供養系統有問題造成了事故，停飛了不短的時間。

    戰鬥機的環控系統更重要一點是對航空電子設備的製冷，以前電子設備不多時需要製冷量不大，可以從發動機引氣經過空氣循環系統降温然後膨脹後進一步降低温度給航電使用（也有直接從外界引氣到電子設備冷卻，典型的就是飛機上各種貓耳朵引氣口，直接將外界空氣引進製冷，當然這會造成阻力），隨着相控陣雷達和越來越多的各種光電系統、電子戰系統等的使用，傳統的空氣循環制冷的製冷密度和這些電子設備高散熱密度就匹配不了了，這個時候人們開始打燃油系統的主意，畢竟燃油進到發動機後就燃燒了 ，所以燃油升高點温度對發動機沒啥大問題，將電子系統設備的熱量讓燃油帶走。燃油温度升高後進入發動機燃燒，如果發動機不需要那麼多燃油，也不能讓高温燃油進入油箱，這個時候就通過空氣對燃油温度降低返回給油箱，當然中間是各種閥門來控制燃油流向，也少不了各種傳感器。

   對電子設備採用燃油冷卻也有侷限，就是燃油畢竟是在一定環境下的，譬如大夏天放在太陽底下，高温暴曬後飛機油箱內的燃油温度也會很高，這個時候燃油冷卻效果就會變差，因為傳熱效果好壞依賴於温度差。另外燃油冷卻温度差有限，在温度差不夠時就要增加燃油流量，這也會造成負擔。這個時候人們就想到了蒸汽循環制冷。所謂蒸汽循環制冷就是家裏的空調和冰箱製冷原理，即利用一定工作介質在氣化過程中吸熱來降低温度。蒸汽循環制冷對外界環境的適應程度是超過燃油 製冷，需要的管道粗細也會降低，當然這樣會造成需要一些工作介質造成死重，蒸汽循環制冷也需要壓縮機、散熱器等結構，必然也會增加重量。到底是燃油冷卻的收益和重量付出代價與蒸汽循環制冷的收益和代價那個更合適，這需要詳細的比較，個人認為蒸汽循環制冷很有前途，國內外都在做這方面的研究。

    戰鬥機也會遇到結冰，對於傳感器和座艙也是通過電加熱方式來解決，對於機翼前緣、進氣道、尾翼前緣的結冰，戰鬥機的解決辦法就比較粗暴，因為從發動機引氣太費事，戰鬥機也沒有那麼大空間，所以就讓發動機開加力，通過氣動加熱升高這些部位的温度讓冰融化，然後吹掉後了事。

    好了，就囉嗦寫這麼多，有點枯燥，也沒有配圖。沒有配圖的原因是實際的空氣循環系統是很複雜的，尤其是把各種閥門、傳感器等都畫上就更麻煩。即便是不畫閥門和傳感器，好幾個渦輪和循環管路也會讓不瞭解原理的人看暈。想了想，還是配個圖，讓大家瞭解點大概算了。