沈凤村

摘 要 中高空飞行的飞机大多采用气密座舱（即增压舱），在座舱增压时，存在不可控漏气，对发动机及飞行均有影响。本文研究了一种基于小容积飞机在设计阶段对座舱不可控漏气量进行估算的方法，并以某小型飞机的座舱作为算例，验证该方法的可行性。

关键词 不可控漏气;估算;验证

随着航空技术的发展，小型飞机中高空飞行能力大幅提高，在中高空飞行时，高空减压对人体的危害性大幅增加，为保证机上人员安全高效的工作，设置了气密座舱。气密座舱主要由结构件、透明件及各种设备组成。各连接部位、通道等都采取密封措施，但由于生產制造技术等因素，在座舱增压时，座舱内空气仍会泄漏。座舱漏气主要产生以下危害：①对发动机的影响。现大多数飞机的座舱增压气源均引自发动机或增压压气机，引气方式是以降低发动机动力为代价，增加发动机动力的代偿损失会影响飞机飞行性能。②对人员的影响。当增压源发生故障不再向座舱供气或供气急剧减少的情况下，座舱内存在的空气量必须保证飞行员有足够的时间使飞机下降到安全高度以下，此时，座舱不可控量较大漏气会使紧急情况下飞机操纵的难度增加，影响飞行和人员生理健康。

因此，座舱不可控漏气量应是环控系统在设计阶段考虑的重要因素之一。然而在设计阶段的方案权衡中，极少评估座舱漏气量，原因有几方面：一是因为漏气量对系统设计的影响有限;二是因为在设计之初，座舱内涉及的专业较多，暂无有效的手段对其进行定量的评估。

鉴于此，本文将研究针对小容积飞机座舱不可控漏气量在设计阶段定量评估的估算方法，该方法利用近似机型的试验数据结合座舱数值特征模型，估算出座舱不可控漏气的量值，最后以某小型飞机的座舱为算例，参考相关标准，验证该方法的可行性。

1座舱漏气量估算方法研究

1.1 估算方法简述

估算方法具体实施流程为：确定估算目标，针对目标的漏气特征建立数学模型，选择近似目标机型的有关试验数据，结合数学模型和试验数据找出漏气部位的物理特征值，估算目标的各模型单元漏气量，进一步得出总漏气量，为验证估算值，选择与目标相关的漏气标准，并确定标准要求的漏气极值，最后比对估算值与标准值，如估算值在标准值范围内，则认为该估算值可行，反之则重新建立模型，再次按流程评估漏气量。

1.2 确定估算目标

本文提出的估算方法针对小容积飞机座舱不可控漏气量。该类型飞机座舱有以下特征：①小容积飞机座舱，常以舱盖作为进出通道，因此设计时必须重点考虑该处的漏气影响;②小容积飞机座舱结构紧凑，外形复杂，结构连接部位和拉杆等通道部位安装制造复杂，存在较大的不可控漏气。

1.3 建立数学模型

目标漏气部位分为三大块：①结构铆接、螺接部位漏气;②与外界接通的设备本身漏气;③各通道气密连接部位（如舱盖与结构贴合处、各操纵杆、管线等通过气密结构的部位）漏气。针对漏气部位，建立座舱漏气的数学模型为：

其中，C=为漏气单元的物理特征系数，同一漏气单元漏气特征系数在各高度均相同。结合公式（1）可得出座舱漏气量与漏气单元物理特性、座舱内余压及空气参数的关系：

1.4 估算漏气量简述

根据估算目标的座舱特性，查找近似机型的气密性试验数据，并结合公式（6）找出座舱内各漏气单元的物理特征系数C值，本次估算认为系数C在各高度上相同。利用C值，估漏气量，单元漏气量的总和既是座舱总的不可控漏气量[1]。

1.5 验证标准

本节将对座舱漏气量的相关标准进行解读，从中找出针对低升限小容积飞机座舱漏气量最严苛的要求作为检验依据。

（1）标准要求

摘自标准《飞机环境控制系统通用规范》（GJB1193-91）内容如下：

①标准要求：“对于所有飞行状态，增压气源向气密座舱提供的最小流量应比出厂验收时座舱允许的最大泄漏量至少大1.8倍。”，该条内容阐述了增压源与座舱不可控漏气量之间的关系。

根据解读，得出增压源最小供气量与座舱不可控漏气量之间的关系：

式中，qgmin为这增压源最小供气量，qLmax为座舱最大不可控漏气量。

（2）其他要求

文献《飞行器环境控制》中的要求如下：

①“在正常飞行条件下，从各种不严密处泄漏的空气量，不应超过最小的可用增压供气量，这是为了保证座舱压力制度必需的。”该条内容阐述了座舱供气量与座舱不可控漏气量之间的关系。

通过解读，得出增压源最小供气量与座舱不可控漏气量之间的另一关系：

式中，qgmin为这增压源最小供气量，qLmax为座舱最大不可控漏气量。

②“增压座舱通过不气密处不可控制的泄漏量与通过压力调节器排气活门可控制的排气量之和应小于部分增压源失效后的供气量，以保证座舱的余压值。同时座舱供气量qm.p、座舱泄漏量qm.s、座舱压力调节器稳定控制所需的流量qm.r之间应满足以下关系：

式中：qgmin为增压源最小供气量、qLmax为座舱最大不可控漏气量、qymin为座舱压力调节器稳定控制所需的流量。

（3） 验证标准的选择

根据上述筛选出的小容积飞机座舱漏气量的标准要求，从中选择最为严苛的标准。采用类比的方法，根据其他某小容积座舱的气密性试验数据，绘制出各标准要求的漏气量极值曲线。

通过曲线可看出，公式（6）对应的曲线在漏气量极值的要求上更为严苛，该要求使飞行员在应急情况下处置时间更充足。

1.6 验证

根据数学模型推算出座舱不可控漏气量估算值，与标准漏气量极值作比较，若比对结果满足要求（要求为：估算值必须小于极值，不能等于;估算曲线可无限接近极值曲线，但不能重合。）则该方法可行，反之则重新建立数学模型，按流程重新评估。

2实例应用

本文选取某在研的小容积飞机座舱为实例，利用本文提出的评估方法，按照评估流程，估算该飞机座舱的不可控漏气量值，若估算值满足标准要求，则本文提出的估算方法可行，可作为设计阶段预估小容积飞机座舱不可控漏气量的有效方法之一。

执行估算流程，估算该机型飞机座舱各高度上不可控漏气量值及极值，最后通过曲线的形式比较估算值与极值，比较结果详见图3所示。

注：①由于漏气原因为座舱增压时，在0～2km时，座舱余压几乎为0kpa，因此不估算0～2km的漏气量，本轮估算从3km开始;②在高空，当余压值趋于相等时，漏气量估算值也趋于相等，仅由于密度的微小变化产生微弱差异;③根据发动机的引气特性，越往高空，系统引气量越小。而漏气极值只与引气量有关，因此呈下降趋势。

通过曲线可看出：两曲线呈无限接近趋势，漏气量估算值小于极值，由于余压值的限定，两曲线不可能重合;比对结果满足要求，本文研究的方法可行[3]。

3结束语

通过分析，可得出以下结论：

（1）本文提出的基于小容积飞机座舱不可控漏气量的估算方法，经实例验证可行;

（2）该方法从理论上解决在设计阶段无法有效评估座舱不可控漏气量的问题，并为后续的座舱气密性验收试验提供定量参考依据;

（3）该方法弥补了小容积飞机座舱在设计阶段的评估漏洞，有效提高系统设计的安全性和可靠性。

参考文献

[1] 寿荣中，何慧珊.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：7.

[2] Franzini， Joseph B. Fluid mechanics， with engineering applications[M].北京：机械工业出版社，2005：11.

[3] 《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册.第15册，生命保障和环控系统设计[M].北京：航空工业出版社，1999：9.