張 洋 張文濤

?

基于直升機環(huán)控系統(tǒng)的環(huán)境模擬系統(tǒng)研制

張 洋 張文濤

（中國直升機設(shè)計研究所，景德鎮(zhèn) 333001）

直升機環(huán)境模擬系統(tǒng)根據(jù)直升機飛行包線內(nèi)的各種復(fù)雜氣象環(huán)境，建立起與模擬艙微環(huán)境相關(guān)的氣源系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、低壓模擬系統(tǒng)及太陽輻照系統(tǒng)等。并針對直升機環(huán)控系統(tǒng)試驗對象和試驗條件的差異，對各環(huán)境子系統(tǒng)軟硬件進行模塊化處理，形成具有良好適應(yīng)性的多功能綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)。

直升機；環(huán)控系統(tǒng)；環(huán)境模擬系統(tǒng)

1 引言

我國幅員遼闊，緯度、經(jīng)度均跨越近5000km，既有沿海高溫、高濕、高輻照的極端氣候，又有西部低氣壓、低溫、高輻照的極端氣候，而直升機的任務(wù)剖面涵蓋整個國土面積。為保證直升機座艙內(nèi)良好的乘坐環(huán)境，環(huán)控系統(tǒng)在研制過程中必須進行環(huán)境模擬試驗，以考核直升機環(huán)控系統(tǒng)的運行狀況。目前國內(nèi)相關(guān)科研院所（包括南京航空航天大學、南京機電液壓工程研究中心、新鄉(xiāng)平原航空設(shè)備有限公司等）已建立起小型的環(huán)境模擬系統(tǒng)，并具備環(huán)控系統(tǒng)單個部件或分系統(tǒng)試驗?zāi)芰?，但隨著環(huán)控系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展及客戶對座艙舒適度要求的提高，急需研制一種適用于直升機環(huán)控系統(tǒng)全狀態(tài)模擬試驗的環(huán)境模擬系統(tǒng)。

直升機環(huán)境模擬系統(tǒng)是一套多功能綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)，能夠同時模擬高、低溫，高、低濕，飛行高度，太陽輻照等飛行包線內(nèi)的環(huán)境，以完成直升機整個坐艙段在模擬艙內(nèi)的環(huán)控系統(tǒng)相關(guān)試驗。該環(huán)境模擬系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能完整，綜合集成度高，能夠滿足國內(nèi)各型直升機環(huán)控系統(tǒng)的研制需求。

2 環(huán)境模擬系統(tǒng)原理

環(huán)境模擬系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、太陽輻照系統(tǒng)、環(huán)境模擬艙及真空泵等組成，如圖1所示。復(fù)雜環(huán)境通過系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)相互配合作用模擬，其中測控系統(tǒng)對供氣流量、溫度、壓力、濕度及太陽輻射強度進行精確控制，在環(huán)境模擬艙內(nèi)模擬實現(xiàn)常壓高溫環(huán)境、常壓低溫環(huán)境、低壓低溫環(huán)境、低壓高溫環(huán)境、太陽輻照環(huán)境以及不同參數(shù)組合的復(fù)雜環(huán)境[1]。

圖1 環(huán)境模擬系統(tǒng)的組成及其原理圖

3 環(huán)境模擬系統(tǒng)設(shè)計

為模擬直升機飛行包線內(nèi)的外界環(huán)境，直升機環(huán)境模擬系統(tǒng)既需要模擬地面環(huán)境條件，也需要模擬空中環(huán)境條件，并根據(jù)直升機飛行狀態(tài)的變化進行模擬環(huán)境的轉(zhuǎn)換。此外，直升機環(huán)控系統(tǒng)試驗時，經(jīng)常伴隨著強電、高溫、高壓氣體等危險源，要求各個子系統(tǒng)可獨立也可聯(lián)合控制，可手動機械控制，也可計算機全自動控制[2]。

3.1 氣源系統(tǒng)

直升機環(huán)控系統(tǒng)試驗時，既需要為環(huán)控系統(tǒng)提供高溫、高壓氣體，也需要為環(huán)境模擬艙提供干燥、清潔的壓縮空氣，為此需設(shè)計一套滿足試驗要求的氣源系統(tǒng)。

氣源系統(tǒng)主要由空氣壓縮機機組和用于除油、除水、除塵的過濾器及儲氣罐等組成，其原理如圖2所示。氣源系統(tǒng)啟動后，空氣壓縮機將壓縮的高溫、高壓氣體通過閥門送入過濾器，在過濾器內(nèi)，高速氣體經(jīng)過減速和旋流，油水及雜質(zhì)沉積罐底而分離，干凈空氣經(jīng)過閥門送入儲氣罐，系統(tǒng)根據(jù)需要打開供氣閥門供氣。其中，系統(tǒng)在壓縮機出口管路上設(shè)置泄壓閥，若壓縮機出口供氣壓力高于設(shè)定值，泄壓閥將自動打開。同樣在儲氣罐上設(shè)置泄壓閥，若儲氣罐內(nèi)壓力過高，泄壓閥會自動打開泄壓。

圖2 氣源系統(tǒng)組成及原理圖

3.2 制冷系統(tǒng)

環(huán)控系統(tǒng)在進行相關(guān)試驗時，環(huán)境模擬艙需保持-55℃的低溫環(huán)境，為此需建立一套高效的制冷系統(tǒng)，一般常用蒸發(fā)循環(huán)式制冷與空氣膨脹制冷。本制冷系統(tǒng)采取空氣膨脹制冷，其主要優(yōu)點為：具有良好的低溫制冷性能，壓縮空氣易于獲得，空氣無污染，且空氣制冷設(shè)備維護方便，可靠性高?？諝庠跍u輪中膨脹時對引入的空氣干燥度要求較高，為此在用于空氣膨脹的渦輪前端設(shè)置一套冷凍干燥機。系統(tǒng)工作時，引自儲氣罐的高壓氣體在冷凍干燥機內(nèi)冷凍除濕，將空氣中的大部分水分分離出來，使其露點溫度降至-55℃，同時氣體溫度也被冷卻到4℃左右，然后進入渦輪，通過調(diào)節(jié)渦輪機入口處的氣體壓力、溫度，可在渦輪出口處得到最低-55℃的低溫空氣，用于環(huán)境模擬艙降溫。

3.3 加溫系統(tǒng)

加溫系統(tǒng)除了模擬高溫環(huán)境外，主要模擬直升機環(huán)控系統(tǒng)引入的發(fā)動機高溫高壓氣體。其主要部件為電加熱器，由可控硅控制電加熱器的啟停來調(diào)整供氣溫度。由于電加熱器功率較大，試驗操作人員易觸碰觸電，為此本電加熱器采用直流供電，可有效保證試驗操作人員的人身安全。需加熱時，先將儲氣罐內(nèi)的高壓氣體引入加熱器，再開啟電加熱器，防止無引氣時燒毀電加熱器；同時，做完試驗后需先關(guān)閉電加熱器，15min后再關(guān)閉引氣閥門。

3.4 加濕系統(tǒng)

環(huán)控系統(tǒng)進行相關(guān)試驗時，環(huán)境模擬系統(tǒng)既需要模擬常壓下的濕環(huán)境，又需模擬高溫高壓高濕氣體。對于前者可采用常規(guī)電加濕器對空氣進行加濕；對于后者需加裝鍋爐加濕裝置，其主要部件為鍋爐蒸汽發(fā)生裝置。工作時，鍋爐蒸汽發(fā)生裝置將鍋中沸水持續(xù)加熱，待生產(chǎn)的水蒸氣壓力達到設(shè)定值后打開管路閥門，水蒸氣與加溫系統(tǒng)出口處的高溫高壓氣體充分混合，以得到所需含濕量的高溫高壓氣體。

3.5 低壓模擬系統(tǒng)

為進行直升機環(huán)控系統(tǒng)高空模擬試驗，環(huán)境模擬系統(tǒng)需模擬高空低氣壓環(huán)境。由于直升機座艙一般為非密封艙，其艙內(nèi)艙外氣壓相同，因此在進行高空試驗時，需將整個直升機座艙段放入環(huán)境模擬艙，并對環(huán)境模擬艙抽真空。以環(huán)境模擬艙為抽氣對象的低壓模擬系統(tǒng)由真空泵、真空導(dǎo)管、真空閥門及測量控制裝置組成[3]。試驗時，可根據(jù)需要模擬最高10km的低氣壓環(huán)境，即環(huán)境模擬艙的真空度不小于74kPa（抽至絕對壓力不大于26kPa）。本低壓模擬系統(tǒng)根據(jù)模擬壓力范圍選用水環(huán)真空泵，具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便等特點。

3.6 太陽輻照系統(tǒng)

為保證直升機良好的視野，駕駛艙與客艙的玻璃面越來越大，而通過玻璃面?zhèn)魅肱搩?nèi)的太陽輻照熱量是一種不可忽視熱源。因此，需要建立一套太陽輻照系統(tǒng)，能夠真實、直接地再現(xiàn)空中太陽輻照環(huán)境及其效應(yīng)，以便考核直升機空中飛行時環(huán)控系統(tǒng)的適應(yīng)性。

目前太陽輻照系統(tǒng)普遍采用的是燈陣系統(tǒng)，通過燈陣系統(tǒng)中不同的單燈發(fā)出的光線在被照射區(qū)域上互相疊加、補償，從而得到均勻的照射面。其中，每個單燈組件照射到被照面的輻照度分布都經(jīng)過仿真分析，通過精確的計算確定單燈組件的各種光學參數(shù)以及各單燈組件之間的距離分布。對于中等面積的太陽輻照模擬系統(tǒng)而言，采用燈陣結(jié)構(gòu)使得安裝、調(diào)試和使用更加方便，成本也更低。圖3為目前國際上通用的燈陣太陽模擬器。

圖3 燈陣太陽模擬器

3.7 測控系統(tǒng)

環(huán)境模擬系統(tǒng)作為一種綜合應(yīng)用技術(shù)，涉及的技術(shù)領(lǐng)域較廣，尤其在試驗的測量與控制方面，測量是取得研究數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)，而綜合控制是各個系統(tǒng)集成優(yōu)化的重要手段，因此需建立一套高效的測控系統(tǒng)。

測控系統(tǒng)主要用于整個試驗室的狀態(tài)監(jiān)視及各子系統(tǒng)參數(shù)的測量、控制與調(diào)節(jié)，由試驗工作臺（圖像、視頻系統(tǒng)）、測控終端、信號采集單元及控制單元等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測控軟件采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計分析方法，通過規(guī)劃和設(shè)計，使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于維護、修改和增加。

本系統(tǒng)軟件分三部分：信號采集機箱軟件、控制軟件及上位機軟件。信號采集機箱軟件主要負責對信號采集機箱進行管理、控制，以及數(shù)據(jù)的采集、初步處理等，它支持通過以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C；控制軟件主要負責各種模擬信號的生成；上位機軟件負責人機交互，實時曲線、歷史曲線、報表生成及各外圍設(shè)備的控制等。

4 環(huán)境模擬系統(tǒng)應(yīng)用

為驗證直升機環(huán)境模擬系統(tǒng)的試驗?zāi)芰Γx取一種直升機典型且嚴酷的飛行環(huán)境進行模擬。首先，環(huán)境模擬艙內(nèi)模擬海拔6km，環(huán)境溫度-40℃的自然環(huán)境；其次為直升機環(huán)控系統(tǒng)模擬一股流量為1000kg/h，壓力為500kPa，溫度為280℃熱空氣用于艙內(nèi)加溫。啟動環(huán)境模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)運行15min后，開始測試環(huán)境模擬艙內(nèi)及熱空氣出口處的相關(guān)參數(shù)，具體見表1、表2。所有參數(shù)誤差均在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計的試驗要求。

表1 環(huán)境模擬艙內(nèi)的環(huán)境參數(shù)

表2 熱空氣出口處的參數(shù)

5 結(jié)束語

首先，根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)自身特性以及直升機的應(yīng)用環(huán)境，明確提出了直升機環(huán)控系統(tǒng)的試驗需求，從而針對性地提出了環(huán)境模擬系統(tǒng)具體方案；

其次，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)的試驗對象和試驗條件，建立了各相關(guān)分系統(tǒng)，經(jīng)綜合集成形成完整的環(huán)境模擬系統(tǒng)，使用方便，維護簡單；

最后，本環(huán)境模擬系統(tǒng)根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)實際工況進行模擬試驗，其結(jié)果表明該模擬系統(tǒng)既可模擬高、低溫，高、低濕，低壓以及太陽輻照等直升機飛行包線內(nèi)的環(huán)境，也可模擬直升機環(huán)控系統(tǒng)所需的高溫高壓高濕空氣。因此該環(huán)境模擬系統(tǒng)滿足直升機環(huán)控系統(tǒng)試驗所必需的環(huán)境要素。

1 王浚，黃本誠，萬才大. 環(huán)境模擬技術(shù)，第三章[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1996

2 王忠明，許永華，黃澤陽，等. 基于大型復(fù)合低壓艙的模擬環(huán)境系統(tǒng)研制[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32(12)：13～14

3 田宏民，鄭向東，湯潔，等. 大氣低壓模擬艙研制與初步應(yīng)用[J]. 氣象科技，2011，43(1)：30～35

Development of Environmental Simulation System Based on Helicopter Environmental Control System

Zhang Yang Zhang Wentao

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001)

The helicopter environmental simulation system builds up the gas source system, the refrigeration system, the heating system, the humidifier system, the low pressure simulation system and the solar radiation system which are related to the simulation cabin micro environment according to the various complex meteorological environments in the helicopter flight envelope. In view of the difference between the test objects and the test conditions of the helicopter environmental control system, the software and hardware of each environmental subsystem are modularized to form a multi-functional comprehensive environmental simulation system with good adaptability.

helicopter；environmental control system；environmental simulation system

張洋（1985），工程師，飛行器環(huán)境與生命保障工程專業(yè)；研究方向：直升機環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計。

2018-02-02