楊建忠，歐陽晶鵬，陳希遠(yuǎn)，孟繁鑫，王磊，劉璐萱

（1.中國民航大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300）

（2.航空工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106）

（3.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 環(huán)控氧氣部，上海 200135）

0 引 言

隨著傳統(tǒng)能源危機(jī)的加劇和環(huán)境問題的日益突出，航空業(yè)的持續(xù)發(fā)展對環(huán)境的影響問題越來越受到重視，社會各界越來越關(guān)注航空業(yè)的環(huán)保性，多電飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。多電飛機(jī)是用電能代替集中式的液壓能源和氣壓能源，使各種二次能源統(tǒng)一為電能。飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)（簡稱環(huán)控系統(tǒng)）是飛機(jī)中的高能耗系統(tǒng)，傳統(tǒng)的環(huán)控系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)引氣作為循環(huán)介質(zhì)，由環(huán)控系統(tǒng)引起的能耗約占發(fā)動機(jī)軸功率的2%～5%，個(gè)別飛機(jī)在特定狀態(tài)下甚至達(dá)到了20%，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的能量使用效率較低。作為“多電飛機(jī)的先鋒”——B787的環(huán)控系統(tǒng)革新性地采用了一種新的無引氣系統(tǒng)架構(gòu)，這種架構(gòu)取消了傳統(tǒng)的引氣系統(tǒng)和引氣管道，將以前由引氣提供動力的大部分功能的動力源改為電能。電動環(huán)控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)在減少燃油消耗方面更具優(yōu)勢，同時(shí)也讓飛機(jī)的發(fā)動機(jī)能更有效的產(chǎn)生推力。多電飛機(jī)理念的提出必然會引起系統(tǒng)和部件層面的變化，系統(tǒng)架構(gòu)如何設(shè)計(jì)才能得到理想架構(gòu)？如何去權(quán)衡這些新穎的系統(tǒng)架構(gòu)？而架構(gòu)層面的改變也必然會引起系統(tǒng)部件的改變，系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件需要什么樣的性能才能滿足系統(tǒng)架構(gòu)的要求？這些都需要設(shè)計(jì)人員去斟酌考慮。

本文針對多電飛機(jī)的電動環(huán)控系統(tǒng)，討論其系統(tǒng)組成和相關(guān)研究進(jìn)展。B787作為多電飛機(jī)的先驅(qū)，率先采用了電動環(huán)控系統(tǒng)的理念，本文對B787電動環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行范式分析，展示電動環(huán)控系統(tǒng)的基本模式和基本結(jié)構(gòu)；通過對國內(nèi)外電動環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜述，討論目前電動環(huán)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與權(quán)衡，并介紹目前電動環(huán)控系統(tǒng)關(guān)鍵部件的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀。

1 典型電動環(huán)控系統(tǒng)范式分析

傳統(tǒng)的環(huán)控系統(tǒng)采用發(fā)動機(jī)引氣驅(qū)動，消耗的發(fā)動機(jī)功率較大。B787電動環(huán)控系統(tǒng)取消了發(fā)動機(jī)引氣，并采用電機(jī)驅(qū)動壓氣機(jī)壓縮沖壓空氣作為高壓氣源，從而減少了預(yù)冷器、管道、閥門等部件，B787電動環(huán)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。電動壓氣機(jī)C1將低溫低壓的沖壓空氣進(jìn)行壓縮，并伴隨著溫度和壓力的升高，壓縮空氣在初級換熱器HX1中冷卻，并在壓氣機(jī)C2中進(jìn)一步壓縮；隨后空氣進(jìn)入次級換熱器HX2進(jìn)行冷卻，通過回?zé)崞鱎H和冷凝器CON的熱側(cè)，形成冷凝液；在進(jìn)入水分離器WS后，收集的冷凝液噴入次級換熱器HX2的冷側(cè)，以增強(qiáng)傳熱效果。出口干燥空氣在通過回?zé)崞鱎H冷側(cè)后，在渦輪T1中進(jìn)行降溫降壓。冷空氣進(jìn)入冷凝器CON的冷側(cè)，然后在渦輪T2中膨脹，最終滿足通風(fēng)空氣溫度和壓力的要求。電風(fēng)扇利用沖壓空氣為初級熱交換器和次級熱交換器進(jìn)行散熱。

圖1 B787電動環(huán)控系統(tǒng)［3］Fig.1 B787 electric environmental control system［3］

波音公司研制的B787飛機(jī)率先采用“多電”理念，大膽革新環(huán)控系統(tǒng)，用電動壓氣機(jī)壓縮的沖壓空氣替代傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)引氣，作為環(huán)控系統(tǒng)的高壓氣源。然而，B787飛機(jī)在創(chuàng)新的背后卻面臨著研發(fā)維護(hù)成本巨大、技術(shù)成熟度低等問題，因此，系統(tǒng)供應(yīng)商希望在“傳統(tǒng)”和“多電”之間尋求創(chuàng)新，以獲得更多的飛機(jī)性能改進(jìn)。如何設(shè)計(jì)出理想的系統(tǒng)架構(gòu)是其中的關(guān)鍵。

2 電動環(huán)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與權(quán)衡

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

以往的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法一般是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)參照現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出新的系統(tǒng)架構(gòu)。T.C.O'Connell等提出了一種基于多電飛機(jī)環(huán)境下的混合型環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)，它是利用多電飛機(jī)的一個(gè)重要系統(tǒng)——自適應(yīng)動力與熱管理系統(tǒng)（Adaptive Power and Thermal Management System，簡稱APTMS），如圖2所示。該系統(tǒng)可以控制主發(fā)動機(jī)起動、輔助動力系統(tǒng)、應(yīng)急動力系統(tǒng)以及包括冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的飛機(jī)熱管理系統(tǒng)。此外，通過適當(dāng)?shù)目刂七€可以實(shí)現(xiàn)對峰值電功率和再生電功率的管理功能。APTMS的目的是采用自適應(yīng)的組合動力單元，調(diào)整其工作模式，便于以最高效率和成本最低的方式為整架飛機(jī)服務(wù)。在環(huán)控系統(tǒng)中，它可以在系統(tǒng)架構(gòu)中平衡發(fā)動機(jī)引氣和電能的使用，自動適應(yīng)飛機(jī)條件的變化，優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能。當(dāng)引氣相對“便宜”時(shí)（即與其他可用的能源相比，花費(fèi)最低油耗），就使用引氣；當(dāng)使用引氣更耗油、使用電能更省油時(shí)，就會減少使用引氣并使用主發(fā)動機(jī)的電功率驅(qū)動系統(tǒng)。通過適當(dāng)?shù)目刂?，這種策略可以找到使用引氣和使用電能的最有效平衡，延長飛機(jī)的航程并提升飛機(jī)性能。

圖2 APTMS架構(gòu)［5］Fig.2 APTMS architecture［5］

Yang H等基于B787電動環(huán)控系統(tǒng)提出了一種新的架構(gòu)，如圖3所示，即從機(jī)艙排出的空氣中回收能量，并將其轉(zhuǎn)化為軸功率，對新鮮空氣進(jìn)行預(yù)增壓。通過分析比較，該方案與B787原方案相比，可節(jié)省輸入功率，降低對發(fā)動機(jī)功率的需求。

圖3 新型電動環(huán)控架構(gòu)［3］Fig.3 New electric environmental control architecture［3］

隨著環(huán)控系統(tǒng)從傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)到電動環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)的轉(zhuǎn)換，這一過程涉及很多變化，不僅局限于引氣方式的改變。例如，通過入口從外部吸入的空氣會產(chǎn)生需要評估的額外阻力。而且盡管通過拆除一些閥門和管道可以減輕重量，但是另外增加了其他部件，如臭氧過濾器和專用壓氣機(jī)。雖然通過減少發(fā)動機(jī)引氣來達(dá)到更好的燃油效率，但需要提取更多的功率來供給壓氣機(jī)。傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)到電動環(huán)控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致架構(gòu)選擇成幾何數(shù)量的增長，以往根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)就不適合了。因此，需要對環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行量化，通過一種標(biāo)準(zhǔn)方法在邏輯上從需求到最優(yōu)環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)的選擇和建模。C.Frank等依據(jù)集成產(chǎn)品與過程開發(fā)（Integrated Product and Process Development，簡稱IPPD）（如圖4所示）提出了一種環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其總體思路是利用質(zhì)量工程和系統(tǒng)工程中的方法，將需求與工程特性對應(yīng)起來，并通過這些方法，確定重點(diǎn)，量化工程特性。此外，該方法能描述出每個(gè)需求與工程特性之間復(fù)雜的相互關(guān)系?；谶@些關(guān)系，就可以得出可行的架構(gòu)，進(jìn)而在這些架構(gòu)中評估得到理想的架構(gòu)。整個(gè)圖表流程可以總結(jié)為五個(gè)關(guān)鍵步驟。

圖4 集成產(chǎn)品和過程開發(fā)［6］Fig.4 Integrated product and process development［6］

首先是確認(rèn)需求等級，將不同需求分為三類需求：舒適性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，如圖5所示。顯然安全性在這三類需求中占主導(dǎo)地位，因此可以將各類需求按重要性進(jìn)行等級劃分。

圖5 確認(rèn)需求等級［6］Fig.5 Requirements ranking［6］

然后是確定工程特性，此步驟的目的是將需求與功能分解階段聯(lián)系起來。在確定了需求之后，將它們轉(zhuǎn)化為可量化和可測量的對等參數(shù)，這些可量化和可測量的參數(shù)稱為工程特性。一旦確定和定義了工程特性，它們就可以分為不同的類別，例如法律法規(guī)、客戶需求、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及內(nèi)部需求。

確定了需求等級和工程特性，但是它們之間缺少相互聯(lián)系。第三個(gè)步驟則利用質(zhì)量屋將需求與工程特性聯(lián)系起來，如圖6所示。將需求放在表格的左側(cè)，將工程特性放在表格的上方，依據(jù)需求等級和需求與工程特性之間的相關(guān)性即可確認(rèn)工程特性的重要性和排名。

圖6 需求與工程特性的映射［6］Fig.6 Mapping between requirements and engineering characteristics［6］

第四個(gè)步驟利用了一種形態(tài)學(xué)矩陣法，將之前的工程特性按重要性和邏輯順序進(jìn)行排列，形成系統(tǒng)功能和子功能，并列出每個(gè)功能所有可能的物理解決方案，并設(shè)置多個(gè)約束，進(jìn)行排列組合得出所有可能的系統(tǒng)架構(gòu)方案。

第五個(gè)步驟需要在這些備選的架構(gòu)方案中選出最理想的方案，使用了一種多標(biāo)準(zhǔn)決策分析方法——逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，簡 稱TOPSIS），它是根據(jù)有限個(gè)評價(jià)對象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序的方法，是對現(xiàn)有的對象中進(jìn)行相對優(yōu)劣的評價(jià)。最終通過決策方法得出理想的架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 理想架構(gòu)［6］Fig.7 Best alternatives［6］

從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，國內(nèi)外對環(huán)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討，主要分為兩種方法：一種是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)基于現(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，另一種是基于系統(tǒng)工程方法的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法。兩種架構(gòu)設(shè)計(jì)方法都不單只是針對電動環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)或者傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)。但是第一種方法相比于第二種方法缺乏系統(tǒng)的思想，局限于某些特定架構(gòu)。第二種方法是一種自上而下的架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，從需求到最后的架構(gòu)選擇是一整套邏輯的方式，相比于第一種方法更適合選擇出理想的架構(gòu)方案。通過這些方法，不但能大幅減少設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)成本，還能得到相比傳統(tǒng)架構(gòu)的更具優(yōu)勢的新穎架構(gòu)。然而這些新穎的架構(gòu)仍需更多的研究和試驗(yàn)去驗(yàn)證。

2.2 架構(gòu)權(quán)衡

環(huán)控系統(tǒng)一直是飛機(jī)中的高能耗系統(tǒng)，因?yàn)樗牧撕艽笠徊糠职l(fā)動機(jī)能量。電動環(huán)控系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)引氣，利用電能代替氣動動力。研究人員試圖通過合適的方法來權(quán)衡比較電動環(huán)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)。蔣亮亮以環(huán)控系統(tǒng)中的引氣系統(tǒng)為例，從定量和定性兩個(gè)角度分析，定量分析中考慮用氣量、重量、用電量和SFC，定性分析中評估技術(shù)成熟度、安裝布置風(fēng)險(xiǎn)以及對其他系統(tǒng)的影響。經(jīng)上述權(quán)衡分析，即可初步評估出架構(gòu)方案的優(yōu)劣。當(dāng)初步架構(gòu)評估結(jié)果出來后，研究人員即可對架構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化。C.Crabé等對電動環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，開發(fā)了一種計(jì)算方法，通過考慮沖壓空氣對飛機(jī)阻力的影響，研究電動環(huán)控系統(tǒng)對飛機(jī)任務(wù)性能的影響，并基于懲罰分析方法將系統(tǒng)性能影響轉(zhuǎn)化為燃油重量增量。將這種方法對中短程飛機(jī)的電動環(huán)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，雖然電動環(huán)控系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)性能方面更具優(yōu)勢，但是傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)在飛機(jī)總體燃油性能方面更具適應(yīng)性。Jiang H等利用火用分析，討論了電動環(huán)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)的能量提取對燃油消耗率的影響。在提取相同量的火用情況下，電動環(huán)控系統(tǒng)會產(chǎn)生更高的燃油消耗率。因此，從發(fā)動機(jī)的角度來看，傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)更有效。然而，由于電動環(huán)控系統(tǒng)效率更高，它比傳統(tǒng)電動環(huán)控系統(tǒng)需要更少的發(fā)動機(jī)能量。盡管這是一個(gè)相對較小的數(shù)字，但考慮到推力和飛行時(shí)間的可觀數(shù)量，總油耗不容忽略。結(jié)果表明，由于電動環(huán)控系統(tǒng)的能量提取對發(fā)動機(jī)的影響較小，具有更大飛行剖面范圍的更大規(guī)模的飛機(jī)獲得了更高的效率增長，從而使電動環(huán)控系統(tǒng)具有更高的能量效率。C.Cavalcanti從重量、系統(tǒng)價(jià)格、功率和燃油消耗等方面分析傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)和電動環(huán)控系統(tǒng)，將分析結(jié)果放入文獻(xiàn)［11］中提出的工具來評估電動環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)與傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)對直接運(yùn)營成本的影響。研究表明電動環(huán)控系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)重量和成本增加，但是相比傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)發(fā)動機(jī)有更優(yōu)的能量效率；同時(shí)飛機(jī)的尺寸越大，采用電動環(huán)控系統(tǒng)的優(yōu)勢越明顯。

綜上，國內(nèi)外研究者對比分析了傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)與電動環(huán)控系統(tǒng)之間的優(yōu)劣，得到電動環(huán)控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)重量有所增加，但是電動環(huán)控系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)的效率利用上更有優(yōu)勢，當(dāng)飛機(jī)飛行任務(wù)范圍越大、飛機(jī)載客量越大，這個(gè)優(yōu)勢越能體現(xiàn)。

3 電動環(huán)控系統(tǒng)關(guān)鍵部件關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

電動環(huán)控系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)環(huán)控系統(tǒng)發(fā)動機(jī)引氣的相關(guān)部件，增加了高速電機(jī)與壓氣機(jī)等部件。而電動環(huán)控系統(tǒng)的引氣來源就是通過高速電機(jī)帶動壓氣機(jī)將外部的低溫低壓空氣轉(zhuǎn)換為高溫高壓的沖壓空氣，因此高速電機(jī)和壓氣機(jī)是電動環(huán)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。高速電機(jī)和壓氣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在壓氣機(jī)高增壓比、壓氣機(jī)防喘振、高速電機(jī)冷卻和降噪等方面。

3.1 壓氣機(jī)高增壓比技術(shù)研究現(xiàn)狀

電動環(huán)控系統(tǒng)采用高增壓比壓氣機(jī)技術(shù)，以滿足環(huán)控系統(tǒng)的氣源要求。具有高功率質(zhì)量比的離心式壓氣機(jī)是電動環(huán)控系統(tǒng)的最佳選擇。大型離心壓氣機(jī)已經(jīng)成功在軍事和商業(yè)中應(yīng)用，然而滿足飛機(jī)需求的小型離心壓氣機(jī)還存在諸多問題，如何提高壓氣機(jī)增壓比是其難題之一。

葉輪是壓氣機(jī)里唯一的旋轉(zhuǎn)器械，是影響壓氣機(jī)性能的主要部件，已有諸多研究者針對葉輪進(jìn)行了研究。F.Gui等率先采用一種具有復(fù)合曲率的優(yōu)化三維葉輪葉片和無接觸、無潤滑的磁性軸承的離心式壓氣機(jī)，有效改善壓氣機(jī)的壓力比、流量范圍和效率，減少了壓氣機(jī)的尺寸和重量；田紅艷等對比研究無掠葉型葉輪和尾緣掠型葉輪，結(jié)果表明尾緣掠型葉輪能夠有效提升壓氣機(jī)壓比；A.Khan等對高增壓比離心式壓氣機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，分析葉輪子午線和葉片厚度對高轉(zhuǎn)速下的離心式壓氣機(jī)性能參數(shù)的影響，研究表明合理的葉輪子午線設(shè)計(jì)是提高離心式壓氣機(jī)增壓比和效率的重要參數(shù)；K.Ekradi等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法結(jié)合CFD，首先定義葉輪葉片的幾何參數(shù)，以葉輪的等熵效率為目標(biāo)函數(shù)，將壓比和質(zhì)量流量定義為約束條件，結(jié)果顯示優(yōu)化后的葉輪能有效提高壓氣機(jī)的增壓比和效率；Mu G等研究離心式壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口角度的變化對壓氣機(jī)性能的影響，研究表明進(jìn)口角度越小，壓氣機(jī)增壓比越大；唐新姿等通過對離心壓氣機(jī)葉輪的主要幾何參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，選取對壓氣機(jī)氣動結(jié)構(gòu)性能影響較大的葉片進(jìn)口角、出口角、包絡(luò)角以及葉頂間隙等幾何參數(shù)作為優(yōu)化變量進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的葉輪有效提高了壓氣機(jī)的效率和增壓比；康達(dá)等研究了分流葉片長度和周向位置對高壓比離心壓氣機(jī)性能的影響，結(jié)果表明采用60%長度和60%周向位置的分流葉片方案可獲得最佳壓比和效率。

然而，隨著離心式壓氣機(jī)負(fù)荷的增加，擴(kuò)壓器會受到從葉輪排出的強(qiáng)三維非均勻非定常流的作用而降低離心式壓氣機(jī)的效率。因此，擴(kuò)壓器成為制約離心壓氣機(jī)性能提高的主要因素。擴(kuò)壓器通常分為無葉擴(kuò)壓器和有葉擴(kuò)壓器，有葉擴(kuò)壓器能獲得更大的減速增壓效果，同時(shí)減小摩擦損失。張勇等、Zhang Y C等分別對只帶有無葉和有葉擴(kuò)壓器的某離心壓氣機(jī)進(jìn)行了對比研究，表明有葉擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)相比無葉擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)能獲得更高的增壓比；鄭夢子等研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小擴(kuò)壓器出進(jìn)口寬度比可改善擴(kuò)壓器內(nèi)部流場，提高擴(kuò)壓器出口流動性和離心壓氣機(jī)性能；張梅等研究某型總壓比為11的離心式壓氣機(jī)，探究楔形擴(kuò)壓器進(jìn)口安裝角對壓氣機(jī)性能的影響，結(jié)果表明采用較大的正沖角、曲線輪廓楔形擴(kuò)壓器能有效提高壓氣機(jī)增壓比；馬超等對某型有葉擴(kuò)壓器的不同葉片厚度分布對壓氣機(jī)性能影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)葉片最大厚度分別位于75%和50%弦長位置方案最佳；Wang Y等研究發(fā)現(xiàn)楔形擴(kuò)壓器葉片數(shù)越多對提高壓氣機(jī)增壓比越有利，當(dāng)發(fā)散角為8.3°時(shí)，壓氣機(jī)級的性能最佳；Han G等對比研究管式擴(kuò)壓器和楔形擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)，結(jié)果表明高轉(zhuǎn)速下的離心壓氣機(jī)，管式擴(kuò)壓器較楔形擴(kuò)壓器有更好的性能。此外，眾多研究表明，管式擴(kuò)壓器是解決高壓比離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)難題的有效手段。韓戈等探討了管式擴(kuò)壓器的國內(nèi)外研究進(jìn)展，指出了管式擴(kuò)壓器的發(fā)展趨勢。

可以看出，目前離心式壓氣機(jī)增壓比提高的方式主要是通過優(yōu)化葉輪與擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)來達(dá)到改善壓氣機(jī)內(nèi)部流場、提高壓氣機(jī)的效率，從而達(dá)到提高壓氣機(jī)增壓比的目標(biāo)。但是其目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程是通過不斷調(diào)試部件參數(shù)來得到預(yù)計(jì)結(jié)果，這會損耗大量的計(jì)算資源，且只能表示部件中的某些參數(shù)能對壓氣機(jī)的性能改善，具有一定的局限性。

3.2 壓氣機(jī)防喘振技術(shù)研究現(xiàn)狀

飛機(jī)在運(yùn)行過程中，壓氣機(jī)進(jìn)出口的流量、壓力等熱力參數(shù)會發(fā)生動態(tài)變化；當(dāng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速、流量降低到一定值時(shí)，壓氣機(jī)葉片會產(chǎn)生氣流分離的現(xiàn)象，導(dǎo)致壓氣機(jī)正常運(yùn)行時(shí)突然出現(xiàn)喘振，造成葉片振動強(qiáng)烈并產(chǎn)生很大的噪聲，造成出口壓力波動，導(dǎo)致壓氣機(jī)性能下降，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)生不可逆的損壞；因此，應(yīng)盡可能的避免喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

為避免喘振的發(fā)生，需要控制壓氣機(jī)的內(nèi)部流場，流場控制分為主動控制和被動控制，其中離心式壓氣機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)是流場控制中的被動控制，通過建立CFD模型，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷調(diào)試模型的參數(shù)，從而達(dá)到目標(biāo)要求，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化流程［15］Fig.8 Optimal process［15］

文獻(xiàn)［15-23］的研究結(jié)果表明，離心式壓氣機(jī)優(yōu)化后的部件能夠改善壓氣機(jī)的性能，增大壓氣機(jī)的喘振裕度，降低喘振發(fā)生的概率；Sun Zhenzhong等對帶葉片擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)的流動不穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對全工況下的不穩(wěn)定性誘因和機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，結(jié)果表明，帶葉片的擴(kuò)壓器對壓氣機(jī)的穩(wěn)定性有很大影響，在中等轉(zhuǎn)速下，擴(kuò)壓器進(jìn)口區(qū)域的流動不穩(wěn)定性與深喘振的發(fā)生密切相關(guān)。因此，如果能抑制這種流動不穩(wěn)定性，就有可能延遲深喘振的發(fā)生，并在中等轉(zhuǎn)速下擴(kuò)大流動范圍；G.Likiewicz提出了可用作流動不穩(wěn)定性指標(biāo)的參數(shù)概念，利用該參數(shù)可以進(jìn)一步發(fā)展為基于該參數(shù)識別喘振之前局部流動不穩(wěn)定性的高效防喘振系統(tǒng)。

此外離心式壓氣機(jī)防喘振控制是流動控制的主動控制，其目標(biāo)是將復(fù)雜的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為一組數(shù)學(xué)模型，從而達(dá)到通過控制輸入實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)模型辨識與控制Fig.9 System model identification and control

呂立博提出基于模糊控制理論的離心壓氣機(jī)控制方案，較全面地考慮了壓氣機(jī)運(yùn)行中可能發(fā)生的問題，使能源有效利用，改善防喘振品質(zhì)，保證壓氣機(jī)的負(fù)荷滿足工藝要求；王傳鑫在深入研究了離心壓氣機(jī)的工作原理和特性的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前離心壓氣機(jī)喘振控制中存在的一系列問題提出了系統(tǒng)的解決方案；強(qiáng)明輝等通過對引起離心壓氣機(jī)喘振現(xiàn)象原因的分析，提出了離心壓氣機(jī)喘振智能控制方法，該方法采用氣壓和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，氣壓閉環(huán)采用模糊PID控制，轉(zhuǎn)速閉環(huán)采用模糊自適應(yīng)PID控制；Xiao Lingfei等提出了一種用于壓縮系統(tǒng)主動喘振控制的非線性控制器設(shè)計(jì)方法；Wang Xiaogang等針對壓氣機(jī)防喘振切換控制的切換點(diǎn)主要由人工經(jīng)驗(yàn)選擇的問題，提出了一種自動確定防喘振切換點(diǎn)的方法；M.A.Asadzadeh等針對低質(zhì)量流量的離心式壓氣機(jī)容易出現(xiàn)喘振不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，提出了一種基于模糊-Ⅱ的主動喘振控制器，在控制和建模不確定性方面具有更大的潛力；A.Cortinovis等提出了一種基于模型預(yù)測控制的壓氣機(jī)防喘振控制系統(tǒng)——轉(zhuǎn)矩輔助防喘振控制（Torque Assisted Anti-Surge Control，簡稱TASC）；劉佳佳在研究了離心式壓氣機(jī)工作原理和調(diào)節(jié)方法的前提下，深入分析了造成喘振的內(nèi)部原因和外部原因，針對傳統(tǒng)PID防喘振控制中操作范圍較窄的問題，提出采用非線性預(yù)測控制實(shí)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)的防喘振控制。

從上述研究可以看出，目前國內(nèi)外主要通過研究壓氣機(jī)內(nèi)部部件參數(shù)，不斷進(jìn)行迭代計(jì)算從而達(dá)到滿足壓氣機(jī)防喘振的目標(biāo)收斂條件，但是此方法計(jì)算量較大，耗費(fèi)大量資源。此外，也有研究人員從流動控制理論入手進(jìn)行研究，來達(dá)到壓氣機(jī)防喘振控制的目標(biāo)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)或仿真建立模型，通過設(shè)計(jì)各種控制律來實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)防喘振的要求，但是模型的準(zhǔn)確性與控制律的設(shè)計(jì)仍需不斷研究和完善。

3.3 高速電機(jī)冷卻技術(shù)研究現(xiàn)狀

高速電機(jī)作為電動環(huán)控系統(tǒng)中的核心部件，在高速電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)中其損失的能量會作用在電機(jī)的部件上從而產(chǎn)生熱量；電機(jī)溫度升高不僅會使電機(jī)效率降低，并且過高的溫升會引起永磁體不可逆退磁及加速電機(jī)零部件老化等現(xiàn)象，影響電機(jī)的安全運(yùn)行，因此對電機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程中，不僅要準(zhǔn)確計(jì)算出由電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量，還要對電機(jī)散熱系統(tǒng)進(jìn)行改善，提高電機(jī)的散熱能力，確保電機(jī)能在合理的工作溫度下運(yùn)行；電機(jī)冷卻已經(jīng)成為電機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化時(shí)必須考慮的問題，特別是在高速電機(jī)中，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

高速電機(jī)內(nèi)溫度場的預(yù)測是進(jìn)行冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提和保障。為了進(jìn)行電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要首先對電機(jī)的散熱和溫度場進(jìn)行預(yù)測。秦萌青采用簡化公式法對電機(jī)溫度場進(jìn)行了計(jì)算，其本質(zhì)是一種參數(shù)集中的設(shè)計(jì)方法，無法反映電機(jī)內(nèi)部多場耦合的微觀流體及傳熱規(guī)律；王北社等采用等效熱路法計(jì)算了高功率密度異步電機(jī)的溫度場分布；龐聰?shù)忍岢隽说刃崧贩ㄅc流體場結(jié)合的電機(jī)溫升分析方法，等效熱路法相較于簡化公式法更加精確，但是此種方法仍無法精確預(yù)測電機(jī)內(nèi)部的多物理場耦合規(guī)律及電機(jī)內(nèi)部的非定常、非穩(wěn)態(tài)流場；孔曉光等運(yùn)用有限元方法，計(jì)算了考慮流固耦合效應(yīng)的高速永磁同步電機(jī)的電氣損耗，其中包括高頻附加損耗和轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗；Chen Yanqing等基于3D有限元法和多場耦合理論，在綜合考慮電磁場—熱場—流場的耦合效應(yīng)下，對永磁同步電機(jī)溫度場進(jìn)行了計(jì)算；蘭志勇等通過ANSYS等軟件對高速永磁同步電機(jī)建立三維穩(wěn)態(tài)溫度場有限元分析，通過多物理場耦合分析，得到電機(jī)溫度場分布情況，但其忽略了電機(jī)溫度的軸向傳遞，并且將電機(jī)內(nèi)部所有流體的流動全部歸為定常流動；黃孝鍵和Wang Xiaoyuan等研究了電機(jī)內(nèi)部溫度場對轉(zhuǎn)子動力學(xué)的影響規(guī)律，探索了電機(jī)內(nèi)部熱場—結(jié)構(gòu)耦合機(jī)理，通過傳遞矩陣法和有限元法給出了轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。

冷卻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在高速電機(jī)中主要包含電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)、冷卻方式的設(shè)計(jì)。根據(jù)冷卻方式的設(shè)計(jì)可以分為空氣冷卻、液冷和蒸發(fā)冷卻，如圖10所示。冷卻結(jié)構(gòu)需要根據(jù)冷卻方式的選擇來進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，冷卻方式可以互相組合來滿足冷卻指標(biāo)的要求?？諝饫鋮s結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，應(yīng)用廣泛。

圖10 三種冷卻結(jié)構(gòu)Fig.10 Three cooling structures

Zhang X等采用空氣冷卻方式對一臺30 k W、96 000 r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了一套風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)，在定子槽內(nèi)設(shè)置內(nèi)風(fēng)道，機(jī)殼外設(shè)置外風(fēng)道，通過風(fēng)扇將冷卻空氣吹向內(nèi)外風(fēng)道，以達(dá)到冷卻的結(jié)果；A.Arkkio等將定子鐵芯分為兩段，風(fēng)扇將冷卻空氣從定子鐵芯中間和定子兩端流入，形成軸向和徑向的混合通風(fēng)結(jié)構(gòu)；邢軍強(qiáng)、Dong J等和邱洪波分別設(shè)計(jì)了相同的冷卻結(jié)構(gòu)，在環(huán)形繞組的內(nèi)外槽中開設(shè)冷卻通道，冷卻通道內(nèi)可通入冷卻空氣，帶走定轉(zhuǎn)子熱量。但是，采用空氣冷卻方式會隨著電機(jī)單機(jī)容量的增大，增大電機(jī)的通風(fēng)損耗值，導(dǎo)致電機(jī)效率降低。

佟文明等研究了軸向和周向螺旋型水冷系統(tǒng)，得到了水冷系統(tǒng)的流速、流阻及溫度分布，在采用螺旋型水冷結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對電機(jī)的流體場和溫度場進(jìn)行計(jì)算，分析了水道數(shù)、水道寬度、冷卻水速及冷卻水溫對電機(jī)溫升的影響，從而為高速電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考；王琳研究了三種液冷的冷卻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套新型水冷冷卻結(jié)構(gòu)，通過對比分析不同數(shù)量冷卻槽的電機(jī)下的溫度場分布情況，確定了合理的冷卻管道數(shù)量，以及滿足散熱指標(biāo)的最小管道內(nèi)水流速大小。但是采用液冷方式會存在導(dǎo)熱介質(zhì)外漏的現(xiàn)象，泄露的介質(zhì)會對電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕并對外界環(huán)境造成污染。

針對液冷系統(tǒng)的缺點(diǎn)，可以采用蒸發(fā)冷卻方式，浸入式蒸發(fā)冷卻和強(qiáng)制內(nèi)冷是蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的兩種常見結(jié)構(gòu)。然而，浸入式蒸發(fā)冷卻需要大量的制冷劑和轉(zhuǎn)子與定子之間的隔離套管，而強(qiáng)制內(nèi)冷則需要具有空心導(dǎo)體的特殊繞組結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)都會在系統(tǒng)中引入額外的設(shè)備，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和重量，故不適用于飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)。Duan C等提出了一種新型的蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)，采用普通螺旋通道結(jié)構(gòu)作為冷卻結(jié)構(gòu)，通過電機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)將制冷劑注入螺旋通道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻，該結(jié)構(gòu)無需引入額外的制冷劑和外部電源裝置來完成冷卻循環(huán)，從而為蒸發(fā)冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了有效的途徑。

此外，有研究人員將兩種冷卻方式結(jié)合起來進(jìn) 行 冷 卻 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì)，Zhang F等以 一 臺1.12 MW，18 000 r/min的高速永磁電機(jī)將風(fēng)冷和水冷方式結(jié)合，設(shè)計(jì)了混合通風(fēng)螺旋水道、軸向通風(fēng)螺旋水道以及軸向通風(fēng)直槽水道三種散熱方案，對三種方案的溫度分布進(jìn)行了比較與分析，為高速電機(jī)的混合冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

綜上，國內(nèi)外針對高速電機(jī)及其部件的熱負(fù)荷計(jì)算和冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了大量研究，針對電機(jī)內(nèi)部溫度場、流場進(jìn)行了分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的冷卻結(jié)構(gòu)，但是目前對電機(jī)內(nèi)部多物理場耦合、流體的非定常非穩(wěn)態(tài)流動、冷卻介質(zhì)與電機(jī)表面的復(fù)雜對流換熱規(guī)律尚缺乏定量的研究。此外，目前電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均是先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)假定冷卻結(jié)構(gòu)的參數(shù)，再進(jìn)行正向計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)反復(fù)“試湊”，直到得到能滿足冷卻性能要求的參數(shù)。這種方式會耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，已成為目前該領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。

3.4 降噪技術(shù)研究現(xiàn)狀

多電飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)采用高速電機(jī)驅(qū)動壓氣機(jī)替代了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)引氣，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但增加了新的噪聲源，使飛機(jī)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)一步加大。為降低該系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，國內(nèi)外針對電動環(huán)控系統(tǒng)的壓氣機(jī)、電機(jī)和氣流管道部件進(jìn)行了噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對于壓氣機(jī)噪聲，李小燕首先考慮通過配置壓氣機(jī)葉片數(shù)量和改變傾角的辦法來優(yōu)化壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)從而降低噪聲，但是改變結(jié)構(gòu)的同時(shí)意味著改變壓氣機(jī)的功率及其效率，其功率和噪聲之間的平衡點(diǎn)值得進(jìn)行更深入的研究；張建華等、Jiang Y Y等從壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)中的蝸殼出發(fā)，通過一定程度的優(yōu)化蝸殼構(gòu)型或者通過在蝸殼內(nèi)安裝一定的吸波材料也可以降低系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲，但更改蝸殼結(jié)構(gòu)需要綜合考慮效率、制造、造價(jià)、符合性驗(yàn)證試驗(yàn)、維護(hù)等多個(gè)方面的因素，實(shí)現(xiàn)起來有一定難度。

對于電機(jī)噪聲，目前主要存在機(jī)械噪聲和電磁噪聲。降低機(jī)械噪聲，對材料和安裝工藝要求較高；降低電磁噪聲，合理選擇定轉(zhuǎn)子的槽配合、改變定子的繞組型式、合理選擇氣隙長度、合理選擇轉(zhuǎn)子斜槽度和改變轉(zhuǎn)子的槽形等方式均可有效抑制。

對于氣流管道降噪，蔣從雙等利用錯(cuò)位微縫板可以在較厚板上實(shí)現(xiàn)較好的吸聲性能；趙海衛(wèi)基于汽車管道降噪論證了幾種安裝在管道前后的消音裝置方案，得出了效果最好的一組方案：前消亥姆霍茲共振腔結(jié)構(gòu)和后消阻抗復(fù)合型結(jié)構(gòu)組合方案，但是實(shí)際上將此類消聲結(jié)構(gòu)應(yīng)用到飛機(jī)上的案例并不多，該方法在飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)中的可行性需要進(jìn)行進(jìn)一步的方法論證。

4 展 望

綜上，國內(nèi)外針對多電飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)的研制開展了諸多研究，在系統(tǒng)層面，大多數(shù)研究集中在電動環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)的權(quán)衡與評估；在部件層面，壓氣機(jī)高增壓比、壓氣機(jī)防喘振、高速電機(jī)冷卻和降噪四個(gè)方面受到了廣泛的關(guān)注。結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀，針對多電飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)未來的研制進(jìn)行展望如下：

（1）在進(jìn)行飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須站在整機(jī)能量管理的角度進(jìn)行收益的權(quán)衡，因此，電動環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)已成為一個(gè)需要考慮能量、重量、安全性、功能性能、運(yùn)行場景等因素的多變量、多約束、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，工程師在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如果僅憑主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)往往會耗費(fèi)大量的資源且難以達(dá)到最佳效果。因此，發(fā)展集成化、自動化的多電飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與評估工具，從而高效地實(shí)現(xiàn)電動環(huán)控系統(tǒng)最優(yōu)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與選取，已成為未來國產(chǎn)電動環(huán)控系統(tǒng)研制的必然趨勢。

（2）由于采用電動環(huán)控系統(tǒng)會使環(huán)控系統(tǒng)與飛機(jī)其他系統(tǒng)發(fā)生交聯(lián)，并會顯著增加飛機(jī)的功能復(fù)雜程度，這無疑會對適航符合性驗(yàn)證中針對系統(tǒng)各類失效狀態(tài)開展的安全性評估工作提出挑戰(zhàn)。由于環(huán)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要迭代進(jìn)行，如果根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行安全性分析，則會耗費(fèi)大量的時(shí)間成本。隨著基于模型的安全性評估（Model Based Safety Analysis，簡稱MBSA）技術(shù)的發(fā)展，如何利用MBSA理論將多電飛機(jī)電動環(huán)控系統(tǒng)模型與安全性評估模型進(jìn)行自動耦合，使得工程人員在進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)能夠自動地對架構(gòu)的安全性進(jìn)行評估，是未來電動環(huán)控系統(tǒng)適航符合性驗(yàn)證的挑戰(zhàn)。

（3）在目前電動環(huán)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)中，壓氣機(jī)單機(jī)增壓比的提升、壓氣機(jī)防喘振、高速電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降噪等方面大多是基于正向計(jì)算開展的，即設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定一個(gè)CFD計(jì)算的邊界條件，再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)評判計(jì)算的結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，這樣的設(shè)計(jì)過程需要耗費(fèi)巨大的計(jì)算資源且難以達(dá)到最佳。因此，如何發(fā)展具有高保真度的CFD代理模型技術(shù)，并將其與優(yōu)化算法相結(jié)合，將基于人工經(jīng)驗(yàn)的“正向試湊設(shè)計(jì)”變?yōu)樽詣痈咝У哪嫦蛟O(shè)計(jì)，根據(jù)最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)自動地完成所需邊界條件的求解，是未來國內(nèi)電動環(huán)控系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)束語

通過回顧國內(nèi)外關(guān)于電動環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，指出目前電動環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中架構(gòu)設(shè)計(jì)與權(quán)衡為主要研究方向，關(guān)鍵部件中的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在壓氣機(jī)高增壓比、壓氣機(jī)防喘振、高速電機(jī)冷卻和降噪四個(gè)方面，并指出目前存在的一些不足，對今后的發(fā)展方向進(jìn)行了探討與展望。旨在通過集成化的工具大幅減少研制成本，推動系統(tǒng)設(shè)計(jì)向智能化方向發(fā)展。電氣系統(tǒng)是未來民用飛機(jī)的重要發(fā)展方向，本文可以為國內(nèi)研制電動環(huán)控系統(tǒng)提供參考。