蒸发循环在机载环境控制系统中的应用
01引言在航空技术领域，环境控制系统（简称为“环控系统”）是指在各种飞行条件下，使座舱或设备舱内空气压力、温度等参数适合要求，保证乘员生命安全舒适或满足机载设备冷却、增压要求的成套设备。随着机载机电系统向综合化、一体化、智能化方向发展，环控系统的设计也不断出现新的技术挑战。传统的空气循环是由发动机引气来供给空气，高压空气经过热交换器初步冷却后再经过冷却涡轮进行膨胀降温，从而获得所需的冷空气。空气循环具备成本低廉、控制方便等优点，经历了从简单式-升压式-三轮式-四轮式的发展历程[1]。然而，随着机载电子设备的数量和功率密度大幅增加，由于性能系数低、控温精度差以及停机时可靠性不足等问题，仅仅依靠空气循环已无法机载环控系统的散热需求。蒸发循环（又称为，蒸气压缩循环）具备性能系数高、制冷量大、控温精确且有地面制冷能力等优点，更符合先进飞行器环控系统的发展方向。为解决下一代战斗机面临的严峻的能量和热管理问题，美国空军研究实验室（AFRL）于2008年启动了综合飞行器能量技术（INVENT）计划，将蒸发循环作为自适应动力热管理系统的重要组成部分，并已开展相关研究[2]。02蒸发循环的基本原理当进行蒸发循环的设计与分析，相较于工程热力学中经常使用制冷剂的温度-熵值关系图，制冷剂的压力-焓值关系图可以更为方便地描述蒸发循环热力过程的能量变化特征。如图1所示，蒸发循环包括4个基本的热力过程：蒸发吸热、压缩、冷凝放热和节流过程。相应地，具有基本构型的单级压缩蒸发循环系统具有压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等4个部件。为保证系统稳定、可靠和安全运行，根据蒸发循环系统的容量大小、复杂程度不同，需设置必要的气液分离器、过滤器等功能性辅助部件。在蒸发循环系统的蒸发器中，气液两相状态的制冷剂吸收热源的热量后，变为具有一定过热度的低压气态。在压缩机的作用下，气态制冷剂增温升压，并离开压缩机进入到冷凝器中。在冷凝器中，制冷剂将自身携带的热量传递给外界的冷却介质后，转变为过冷液态。制冷剂经过节流阀降温减压后，返回蒸发器，完成循环。
（a）压力-焓值关系图（b）系统示意图图1 蒸发循环工作原理图为了进一步提高蒸发循环的适用性，带闪发器的蒸发循环系统具备系统压缩比大，运行蒸发温度低等优点，被应用于B787客机、NH-90直升机等飞行器的环控系统中[3]。带闪发器的蒸发循环的工作原理如图2所示，离开冷凝器后的液态制冷剂经过第一次节流后，进入闪发器。其中，气态的制冷剂进入到压缩机的中间压缩腔；液态制冷剂经过第二次节流后，进入蒸发器吸收热源的热量。离开蒸发器的低压制冷剂经过压缩后，与来自闪发器的中压制冷剂进行混合，之后二者再次被压缩成为高温高压状态的制冷剂，进入冷凝器散热后冷凝为液态，完成循环。
（a）压力-焓值关系图（b）系统示意图图2 带闪发器的蒸发循环工作原理图03飞行器环控系统的蒸发循环介绍1875年，Linder发明了第一台蒸发循环制冷机。1948年，波音B377飞机使用蒸发循环，标志着蒸发循环首次被应用到航空领域的飞行器上。然而，由于当时的技术水平有限，蒸发循环的系统重量、体积和可靠性存在劣势，逐渐中断了应用。直到20世纪70年代中期，随着电子设备的功率密度增大，且蒸发循环的技术水平发展迅速，蒸发循环重新受到关注，应用于飞行器电子设备的吊舱。美国的Lantian电子吊舱采用115V/400Hz的电源驱动转子式压缩机，设计制冷量在1.8kW [4]。此后，蒸发循环在军用和民用领域的各类飞行器上取得飞速发展，如图3所示。
图3 采用蒸发循环的各类飞行器以战斗机的环控系统为例，1990年，美国空军怀特实验室和加拿大政府工业部共同资助F-15C/E战斗机的综合环控系统的项目演示验证研究。如图4所示，蒸发循环通过并联的两个蒸发器分别吸收两个设备舱的热载荷，通过冷凝器将热量传递给载冷剂，并最终将热量传递给燃油。经过概念论证，子系统集成、地面模拟测试和动态性能仿真等一系列研究，结果表明，与开式空气循环相比较， F-15C/E战斗机采用蒸发循环使起飞总重量降低了10%，燃油的代偿损失减小了25%。
图4 F-15C/E“鹰”战斗机环控系统示意图F-22“猛禽”战斗机的环控系统如图5所示，包括燃油循环、液压油循环、滑油循环、空气循环、低温PAO（聚α烯烃防冻液）循环、高温PAO循环和蒸发循环等7个子系统。其中，蒸发循环将低温PAO循环排出的热量传递给高温PAO循环，并通过燃油-防冻液换热器，将热量传递给燃油。蒸发循环的设计制冷量为50kW，R134a作为蒸发循环的制冷剂。同时，采用270V高压无刷直流电机，驱动全封闭式两级离心压缩机。此外，利用电子膨胀阀控制压缩机的吸气过热度，满足制冷量变化要求。
图5 F-22“猛禽”战斗机环控系统示意图同时，俄罗斯的部分飞机也采用机载蒸发循环制冷技术，比如苏-27雷达冷却系统。在军用飞机领域，除了战斗机外，采用蒸发循环的直升机有NH-90、AH-64D、S-92、黑鹰、海王系列、海豚等。其中，阿帕奇武装直升机AH-64D的蒸发循环设计制冷量为26kW，采用115V/400Hz的中频电源驱动螺杆式压缩机。此外，EC-130H电子对抗机的蒸发循环设计制冷制冷量为62kW，采用115V/400Hz的中频电源驱动螺杆式压缩机。在民用飞机领域，波音B787-800的环控系统取消了发动机引气，由多个蒸发循环制冷单元（SCU）组成。每个SCU单元均为带闪发器的蒸发循环，采用R134a为制冷剂工质，系统总重为60.95kW。空客A380采用两套蒸发循环制冷单元满足厨房、饮用水和电子设备的冷却需求，设计制冷量为15kW，单个蒸发循环制冷单元的重量为83kg。04环控系统中蒸发循环的发展趋势在军用或民用飞机领域，经过几十年的技术积累，飞行器的机载环控系统的设计方案也在不断发展完善。（1）制冷剂类型由“污染”到“环保”早期的蒸发循环使用R12，R114或R500等制冷剂，随着“臭氧层空洞”问题受到关注，开始采用不含氯原子R134a作为替代制冷剂。但R134a的全球变暖潜能值GWP为1300，被公认为温室气体。为了应对全球气候变化，需考虑不含氟原子的HFO类制冷剂作为其替代品，探讨机载环控系统的蒸发循环使用环保性替代性制冷剂的性能。
（2）压缩机控制由“定速”到“变速”由于早期的技术水平有限，蒸发循环的压缩机仅能按照设计容量定速运行，通过通断控制调节制冷量。之后，可设置不同档的压缩机转速。美国的Lantian电子吊舱使用的压缩机设置3700r/min和4600r/min两档转速。随着电力电子技术的进步，压缩机可实现大范围的转速调节。波音B787-800的环控系统中蒸发循环所采用的压缩机的转速调节范围为2000~4700r/min。
（3）系统型式由“单一”到“综合”具有基本构型的单级压缩蒸发循环系统广泛应用于F22战斗机、AH-64D直升机和EC-130H电子对抗机等机载环控系统。而带闪发器的蒸发循环系统型式被应用于B787客机、NH-90直升机等飞行器的环控系统中。目前，美国空军研究实验室（AFRL）开展的蒸发循环相关研究，使用多个蒸发器收集热源，进一步拓展了机载蒸发循环的系统型式。05蒸发循环在先进飞行器机载环控系统中的展望先进飞行器正朝着更高、更快、更远方向发展，飞行空域逐渐拓展至临近空间。先进飞行器上的热源分散、时间分布差异大等特点。采用蒸发循环，可以有效地解决进行先进飞行器机载环控系统设计时面临的这些问题。就热源分布位置而言，发动机引气的散热量主要位于发动机舱区域，雷达的散热量主要在前机身，电子战相关设备的发热量在机身多出均有分布。在热量收集阶段，蒸发循环可以利用多个蒸发器收集不同位置的低、中或高热流密度的热源散热量。先进飞行器的电子设备一般有多种工作模式，散热量范围变化大且变化速率快。蒸发循环的制冷量大，且通过调节压缩机转速或节流阀开度等措施，可以实现快速、准确的制冷量调节。同时，利用蒸发相变换热系数高的特点，蒸发循环可以大幅度提高环控系统的热传输效率。蒸发循环在机载环控系统中均有广阔的应用前景，未来仍需要进一步积累相关技术研发经验，推动蒸发循环在先进飞行器上的具体应用。参考文献[1] 孙超．机载蒸发循环仿真研究[D]．南京：南京航空航天大学硕士论文，2011．[2] Travis Michalak, Stephen Emo, Jamie Ervin. Control strategy for aircraft vapor compression system operation [J]. International journal of refrigeration, 2014, 48(5):10-18.[3] 王炬，高赞军，李胜全，等．带经济器的飞机蒸发循环制冷系统方案研究[J]．航空科学技术， 2016，27(10)：60-67．[4] 李武奇，唐伯清，张均勇，等．蒸汽压缩式制冷系统在航空中的应用[J]．飞机设计， 2008，28(2)：73-76．扫描识别关注我们吧