馬春香，王亮亮，陳 偉

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024）

環(huán)控系統(tǒng)附件、全系統(tǒng)試驗(yàn)都有高度模擬的要求。環(huán)控試驗(yàn)平臺(tái)的高空模擬系統(tǒng)用于飛行包線內(nèi)高空壓力環(huán)境模擬、飛機(jī)不同爬升率及俯沖率的模擬以及座艙壓力和外界大氣高度環(huán)境模擬。因此，高空模擬系統(tǒng)是環(huán)控試驗(yàn)平臺(tái)的必要建設(shè)內(nèi)容。

1 系統(tǒng)要求

某環(huán)控試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)高空模擬系統(tǒng)的要求：高空模擬艙容積72m3，系統(tǒng)最大供氣量為1200kg/h，且高空模擬系統(tǒng)能從地面大氣壓以274m/s的高度（壓力）變化速率爬升到20000m，而不能出現(xiàn)抽氣能力突變。

2 系統(tǒng)選型

2.1 系統(tǒng)特點(diǎn)分析

分析系統(tǒng)要求可見，該系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，需要模擬飛行器在空中爬升、巡航、俯沖等動(dòng)作過程中即時(shí)的環(huán)境壓力變化。

與一般真空系統(tǒng)要求有很大不同，一是常規(guī)的真空系統(tǒng)是給密閉容器內(nèi)抽真空，而環(huán)控試驗(yàn)平臺(tái)的真空系統(tǒng)整個(gè)模擬過程需要有高空艙外輸入0-1200kg/h的試驗(yàn)氣體。二是系統(tǒng)需用真空系統(tǒng)抽氣速率（體積流量）變化量范圍很大，最大氣量9120L/S，最小氣量1418 L/S，并且在此范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。該系統(tǒng)各工況供氣需求見表1。

表中：

式中：t—抽氣時(shí)間，s;

V—高空模擬艙容積，L;

Pi—開始抽氣時(shí)艙內(nèi)壓力，Pa；P0—真空系統(tǒng)極限壓力（計(jì)算時(shí)取1KPa）；

P—高空模擬艙經(jīng)抽氣時(shí)間t后達(dá)到的壓力，Pa。

表1 各工況供氣需求一覽表

高空模擬系統(tǒng)由高空模擬艙、真空泵（組）、真空管路及配套控制系統(tǒng)組成。其中最重要的是真空泵形式、規(guī)格的選擇和高空模擬艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及高空模擬艙內(nèi)壓力控制方式的確定。

2.2 真空泵類別選擇

真空泵是高空模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。從真空度、抽氣量方面考慮，很多真空泵可適用于該系統(tǒng)，比如：旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復(fù)式真空泵及螺桿式真空泵等。但是因該系統(tǒng)在使用過程中不斷調(diào)整壓力，使真空泵不斷在極限真空和大氣壓之間反復(fù)沖擊。導(dǎo)致上述泵可能產(chǎn)生噴油、噪音增加等問題，因此，不適合壓力變化率比較大的工況。

經(jīng)過比較、仿真后確定選用水環(huán)式真空泵作為主泵，適應(yīng)變負(fù)荷、充氣等工況。同時(shí)，因?yàn)樵擃愋偷恼婵毡每梢宰鳛檎龎骸⒇?fù)壓狀態(tài)氣體輸送泵，使用范圍廣、抽氣量平穩(wěn)，最大優(yōu)點(diǎn)是該泵無油操作，噪音低，適應(yīng)大型器件真空試驗(yàn)。經(jīng)國內(nèi)外工程比較，中外合作技術(shù)的2BE1-353型水環(huán)式真空泵在該類工程有顯著優(yōu)勢(shì)，因此，依據(jù)試驗(yàn)需求配置4套。

2.3 真空機(jī)組及組合

高空模擬艙試驗(yàn)要求真空度高，經(jīng)常工作在180kPa-5.3kPa范圍內(nèi)，水環(huán)式真空泵雖然在該范圍內(nèi)可以工作，但是對(duì)于工況環(huán)境卻變得敏感而且抽氣速率下降，所以，單獨(dú)使用水環(huán)式真空泵將使系統(tǒng)變得龐大。為此，我們選用羅茨泵與水環(huán)真空泵組成機(jī)組，實(shí)現(xiàn)高真空條件下具有高抽速。并且使得系統(tǒng)抽氣量穩(wěn)定、噪音低。由1臺(tái)氣冷羅茨泵和1臺(tái)水環(huán)泵組合成1套機(jī)組，共4套，該4套機(jī)組的任何1臺(tái)水環(huán)真空泵可以與任何1臺(tái)羅茨泵組合。根據(jù)試驗(yàn)要求壓力變化，可以單臺(tái)或多臺(tái)羅茨泵與單臺(tái)或多臺(tái)水環(huán)泵組成系統(tǒng)工作。

2.4 高空模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求高空模擬艙模擬最大飛行高度20000m，根據(jù)系統(tǒng)要求，高空模擬艙采用圓筒形殼體，直徑3500mm、長約6000mm，端頭連接1個(gè)直徑2000mm、長約1000mm的小艙，殼體壁厚：

式中：S0—圓筒形殼體壁厚，mm；

Db—圓筒內(nèi)徑，mm；

P—外壓設(shè)計(jì)壓力,KPa；

L—圓筒長度,mm；

Et—材料的彈性模量,KPa。

2.5 高空模擬艙內(nèi)壓力控制方式

對(duì)于氣量調(diào)整控制可以采用變頻調(diào)速、組合運(yùn)行數(shù)量、抽氣管線節(jié)流、補(bǔ)氣管線充氣等模式，或者幾種模式組合。各種模式各有特點(diǎn)。

變頻調(diào)速，可以連續(xù)調(diào)整抽氣量，但是對(duì)于大抽速真空泵，單臺(tái)真空泵配用功率達(dá)到180kW，總裝機(jī)功率達(dá)到1300 kW，經(jīng)濟(jì)方面投資較大，且控制程序復(fù)雜。最重要的是，真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度在一定范圍須保持穩(wěn)定，過高、高低都會(huì)引起效能大范圍變化，從而導(dǎo)致非正常工作。

運(yùn)行真空泵數(shù)量組合，根據(jù)試驗(yàn)的高度不同，計(jì)算機(jī)控制程序給出需要啟動(dòng)真空泵的數(shù)量，實(shí)行壓力控制。該方法對(duì)于小型真空系統(tǒng)可行，但是對(duì)于大型真空泵，其啟動(dòng)時(shí)間（進(jìn)入正常工作）較長，可能造成系統(tǒng)壓力跟隨滯后，影響試驗(yàn)效果。

該系統(tǒng)采用抽氣管線節(jié)流與補(bǔ)氣管線充氣聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)并結(jié)合控制運(yùn)行數(shù)量的模式，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的模擬飛行高度與實(shí)際高度值進(jìn)行比較，控制2個(gè)聯(lián)動(dòng)的抽氣管線和補(bǔ)氣管線閥門的開啟與關(guān)閉，達(dá)到精確控制艙內(nèi)壓力（飛行高度）的目的。

3 實(shí)施方案及效果

某環(huán)控試驗(yàn)平臺(tái)的高空模擬系統(tǒng)的實(shí)施三維圖見圖1。

該系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，先行調(diào)整獨(dú)立的4臺(tái)2BE1-353型水環(huán)泵，考驗(yàn)配置的供水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及操控系統(tǒng)等。然后進(jìn)行JQZE-1機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)，最后整體系統(tǒng)調(diào)試。總體來看，水環(huán)真空泵和JQZE型羅茨-水環(huán)真空機(jī)組用于空間壓力模擬，壓力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單。

圖1 系統(tǒng)三維圖

圖2為某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從圖中可以看到，整個(gè)系統(tǒng)壓力模擬準(zhǔn)確，滿足研究試驗(yàn)要求，目前，真空系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)研制試驗(yàn)。

圖2 系統(tǒng)壓力模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

本文從環(huán)控試驗(yàn)室抽氣能力仿真計(jì)算、真空泵選型、高空模擬艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)等方面論述了高空模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案滿足某環(huán)空試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)高空模擬系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)真空系統(tǒng)建立了設(shè)計(jì)模板，可以擴(kuò)展到民用的化學(xué)氣體輸送、煤礦瓦斯抽放輸運(yùn)等工程。

[1]徐成海.真空設(shè)備選型與采購指南.北京：石油和化工設(shè)備出版社，2009.

[2]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:國防工業(yè)出版社，2004.

[3]達(dá)道安.空間真空技術(shù).北京：宇航出版社，1995.

[4]徐成海.真空工程技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.