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民机气源系统架构权衡分析方法

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蒋亮亮

【摘要】民机技术的高速发展和航空运输市场的激烈竞争，对型号研制提出了更高的要求，飞机系统也面临着进一步的优化升级。本文从定量分析和定性分析两个角度介绍了气源系统架构权衡分析方法，以支持型号研制初期，分析各供应商提供的方案架构，选取最优方案。

【关键词】气源系统；架构；权衡分析；燃油消耗率

【Abstract】Withtherapiddevelopmentofaircrafttechnologyandfiercecompetitionofairtransportation，higherrequirementsareputforwardtoaircraftdesign，alsothesystemsarefacedwithmoreoptimization.Atrade-offmethodtoanalysebleedairsystemarchitectureinquantitativeandqualitativepointsisintroducedinthispaper.Basedonit，thedifferentarchitecturesfromsupplierscanbeanalysedandthebestproposalcanbechoseintheearlystageoftheproject.

【Keywords】Bleedairsystem；Architecture；Trade-offanalysis；SFC

0绪论

随着生活节奏的加快，航空运输业正在发挥着越来越重要的作用。由于市场的驱动，民用飞机的研发也在面临着不断的技术革新。例如发动机的更新换代，推重比的提高，对气源系统的引气量提出了严格的限制，系统多电化成为了大型客机气源系统乃至环控系统发展的必然趋势。

波音公司研制的B787飞机采用了“多电”理念，大胆变革了气源系统，取消了传统发动机引气、APU引气和地面气源供气，只保留了发动机引气供给发动机短舱防冰系统，而采用电动压缩机为下游的空调系统提供压缩空气，其余用气系统（机翼防冰系统、燃油箱惰化系统等）则不再由气源系统供气。

但是B787飞机在创新背后也面临着研制及维修成本巨大，技术成熟度不高等問题。因此国内外主流气源系统供应商便想在“传统”和“多电”之间寻求创新，以期获得更多的飞机性能改善。对于这些新颖的架构，如何权衡性能的优劣，选取最优方案，成为了民机项目研制初期的关键。

1权衡分析方法

在权衡研究过程中，最重要的是制定一个公认的标准作为做决定的基础[1]。对于气源系统设计阶段而言，关注的要素无外乎重量、功耗、可靠性和研发成本等。其中可靠性和研发成本在设计初期只能从供应商的技术能力、方案是否采用货架产品和项目支持程度等角度给出定性评估，无法作为决策的标准（但也是权衡过程中不容忽视的内容）。而重量和功耗可以从定量的角度转化为飞机燃油消耗率（SFC）进行分析，因此气源系统的架构权衡可以系统带来的燃油消耗率的差异为标准。

根据气源系统特征，权衡分析可从以下几个角度展开：

1）系统重量：架构不同，所选用的部件及其尺寸会有不同，重量必然也存在差异，重量的大小将直接影响飞机的燃油消耗率，气源系统的重量包括系统部件、高压管路及其附件等。

2）系统引气量：无论是从发动机引气还是从外界获取冲压空气，都会给飞机带来代偿损失，从而影响燃油消耗，典型气源系统的引气包括发动机压气机引气和风扇引气（多电架构为外界冲压空气）。

3）系统用电量：驱动部件所需的用电量的大小，影响到电源系统需从发动机获取多少电能，同样直接反应到燃油消耗。气源系统的用电主要来源于活门和传感器，在传统架构下用电量很小，若采用多电架构，则需充分考虑电压缩机带来的庞大用电量。

在考虑上述因素时，如若气源系统的架构变化带来了关联系统的架构或性能变化，则该系统也需在权衡分析中一并考虑。例如多电架构，会对空调系统、电源系统以及发动机带来巨大的变化。下文以发动机引气架构为基础阐述权衡分析方法，多电架构可在其基础上进行调整。

2定量分析

2.1用气量分析

气源系统的作用是将来自发动机的高温高压引气，调温调压后分配到用户系统，以满足用户系统的流量、压力需求。因此系统的用气可以分为两类：1）热端用气，即发动机压气机引气，供应到用户系统，包括空调系统、机翼防冰系统（按需）、燃油箱惰化系统和水废水系统等；2）冷端用气，即发动机风扇引气，用于对压气机高温引气的冷却。

热端用气量源于用户系统的用气需求，主要受用户系统构型、外界环境温度、飞行高度和下游接口系统需求等因素的影响（本文不一一展开