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[摘 要]为合理完成民用飞机环控系统设计，使得环控系统能够有效保障飞机的安全运行，达到控制运营成本等目的。本文将通过利用可靠性设计理念，在结合笔者多年工作实际的基础上，着重围绕民用飞机环控系统设计进行简要分析研究。指出平均故障间隔时间以及签派可靠度是系统设计中最关键的两大可靠性设计指标，在可靠性设计理念下通过对制冷系统、空气分配系统等进行优化设计，能够切实满足飞机环控系统的设计需要，获得良好的设计成效。
[关键词]可靠性设计；民用飞机；环控系统
中图分类号：S62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0339-01
引言
民用飞机环控系统指的就是民用飞机环境控制系统，顾名思义即通过利用该系统对乘客以及飞行员的乘坐环境，也就是温湿度、压力等关键物理条件进行合理控制，以此有效保障乘坐环境以及机载设备、系统运行环境的舒适安全。而可靠性设计理念的运用则有助于提高系统设计的科学性，延长系统使用寿命。因而研究可靠性设计在民用飞机环控系统设计中的应有具有一定的现实意义。
一、环控系统的工作原理分析
在民用飞机当中环控系统主要用于调整、设置温湿度、压力等从而创建一个舒适安全的座舱环境。通常在系统当中，有四个外流活门且每一个外流活门均有一个与之相对应的控制器。操作人员可根据实际情况以及具体控制需要选用自动控制或是手动控制的方式灵活控制外流活门[1]。其控制器通过对比分析机外的大气压力以及座舱压力，依照座舱压力的具体变化情况对外流活门开度进行实时控制，以此有效实现对座舱压力的精准调控。
二、基于可靠性设计的民用飞机环控系统分析
（一）可靠性设计指标
为了有效延长民用飞机环控系统的使用寿命，同时确保系统功效得以充分发挥，在设计过程中需要采用可靠性设计理念。而判断民用飞机环控系统是否安全可靠的两大重要设计指标分别为MTBF以及DR，前者主要指的是平均故障间隔时间，其度量方式为在既定时间条件下，产品累积总飞行小时与相同时间段内故障总数的比值。后者则主要指的是受技术原因影响而延误或是撤销营运离站以及航班的百分数。在计算时可以用1减去出勤延误率获得具体的签派可靠度。
（二）建立可靠性框图
在进行民用飞机环控系统的可靠性设计当中，需要通过建立科学合理的可靠性框图，确定当飞机环控系统出现异常或是故障情况时，需要维修的全部可更换单元。在该可靠性框图中，无论需要维修的各可更换单元是否会对飞机签派产生实质性影响，均统一包含在这一可靠性框图当中。
（三）系统MTBF分析
通过计算出系统当中所有部件故障率的代数和，而后将其取倒数便可获得系统MTBF。其具体计算公式如下：
如果货架产品本身具有较高的成熟度，则运营统计数据便可以作为部件MTBF的数据来源[2]。也就是说在既定条件以及时间范围内，产品累积总飞行小时与相同时间段内故障总数的比值便是部件MFBF值，而在设计新产品时，在确定部件MTBF的过程中还需要充分考量相似部件故障率。
（四）签派可靠度分析
民用飞机环控系统中通过将各个部件签派可靠度相乘，便可以获得整个系统的签派可靠度。其计算公式如下：
而部件的MTBF值以及维修更换时间，当部件出现故障或异常问题时飞机能否继续派遣，以及同样在部件存在异常或是故障情况时，派遣飞机时机务以及机组需进行的操作等均会对部件签派可靠度产生一定影响，因而需要设计人员予以相应重视。
三、民用飞机环控系统设计分析
（一）引气系统
在民用飞机环控系统当中引气系统占据着至关重要的地位，其主要负责将旁路发动机部分中压级以及高压级的高温高压气体作为引气气源。正常情况下在巡航阶段此类气体的压力在1034.21kPa左右，温度则一般为673.51K。通过利用引气系统对飞机所需气源进行初步降温，从而经由发动机端将气源输送至燃油系统等其他需要气源的各系统当中，以保障飞机的正常运行。因此在设计引气系统时，关键在于发动机引气部分以及预冷部分的设计上，前者的主要设计部件为高压和低压引气阀门、预调节阀门。而后者的主要设计部件包括温度与压力传感器以及预冷器及其阀门。
（二）制冷系统
根据相关标准要求规定，民用飞机环控系统需要在空气密度为1.225kg·m?的基础上，将气压和温度分别控制在101.3kPa和288.15K，才能有效保障座舱环境具有较高的舒适性。但由于近些年民用飞机中先后使用了各种各样的电子设备，导致飞机内部热载荷迅速增大，即便经过初步散热和降温处理，气源温度仍然可以至少达到593K，故而需要设计制冷系统对气源气体进行有效降温，从而在确保飞机实现安全飞行的同时，维持飞机座舱环境的舒适性。为解决传统制冷装置存在结冰的弊端，本文提出设计一种四轮升压除水制冷系统，通过将一、二级涡轮以及风扇和压气机一次安装在四轮共轴上，从而使得经由引气口进入到制冷装置内部的发动机高压空气，可以快速进行初级散热降温，随后经由冷凝器以及水分离装置的进一步处理后，利用二次涡轮膨胀将气体温度降至最低，以达到最优的制冷效果。
（三）空气分配系统
作为民用飞机环控系统的另一大重要组成部分，空气分配系统主要负责为飞机内各区域分配所需空调空气，从而在避免增加飞机发动机引气需求的基础上，能够有效将冷却动气提供给所需电子设备舱。本文所设计的空气分配系统中，除了最为重要的主分配系统之外，还包括驾驶舱以及客舱空调分配系统以及通风、再循环等相关系统。其中下游导管将制冷组件同混合腔进行有效连接，用以配合配平系统完成通风以及实时控制座舱温度的工作[3]。空调系统所产生的高温高压引气在制冷组件的作用影响下，其温湿度、压力等均会发生一定变化，使得气源能够更加贴合标准要求，为飞机提供充足制冷量。
结束语
综上所述，在采用可靠性设计方式对民用飞机环控系统进行设计的过程中，设计人员需要通过将签派可靠度、平均故障时间作为最主要的两大可靠性设计指标。切实结合国家相关规程标准以及实际设计需要，科学完成制冷系统、引气系统、空气分配系统等各项相关系统的设计工作，以此有效保障民用飞机环控系统的应有效用得以充分发挥。
参考文献
[1]白杰，邬龙，杨建忠，孙晓哲.基于飞机环控系统的安全性分析方法研究[J].机械工程与自动化，2015（04）：3-4+7.
[2]徐李云.民用飛机环境控制系统研究[J].航空科学技术，2015，26（07）：42-45.
[3]孙江平.民用飞机环控系统的仿真系统研究与实现[J].计算机仿真，2012，29（10）：132-134+139.
[关键词]可靠性设计；民用飞机；环控系统
中图分类号：S62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0339-01
引言
民用飞机环控系统指的就是民用飞机环境控制系统，顾名思义即通过利用该系统对乘客以及飞行员的乘坐环境，也就是温湿度、压力等关键物理条件进行合理控制，以此有效保障乘坐环境以及机载设备、系统运行环境的舒适安全。而可靠性设计理念的运用则有助于提高系统设计的科学性，延长系统使用寿命。因而研究可靠性设计在民用飞机环控系统设计中的应有具有一定的现实意义。
一、环控系统的工作原理分析
在民用飞机当中环控系统主要用于调整、设置温湿度、压力等从而创建一个舒适安全的座舱环境。通常在系统当中，有四个外流活门且每一个外流活门均有一个与之相对应的控制器。操作人员可根据实际情况以及具体控制需要选用自动控制或是手动控制的方式灵活控制外流活门[1]。其控制器通过对比分析机外的大气压力以及座舱压力，依照座舱压力的具体变化情况对外流活门开度进行实时控制，以此有效实现对座舱压力的精准调控。
二、基于可靠性设计的民用飞机环控系统分析
（一）可靠性设计指标
为了有效延长民用飞机环控系统的使用寿命，同时确保系统功效得以充分发挥，在设计过程中需要采用可靠性设计理念。而判断民用飞机环控系统是否安全可靠的两大重要设计指标分别为MTBF以及DR，前者主要指的是平均故障间隔时间，其度量方式为在既定时间条件下，产品累积总飞行小时与相同时间段内故障总数的比值。后者则主要指的是受技术原因影响而延误或是撤销营运离站以及航班的百分数。在计算时可以用1减去出勤延误率获得具体的签派可靠度。
（二）建立可靠性框图
在进行民用飞机环控系统的可靠性设计当中，需要通过建立科学合理的可靠性框图，确定当飞机环控系统出现异常或是故障情况时，需要维修的全部可更换单元。在该可靠性框图中，无论需要维修的各可更换单元是否会对飞机签派产生实质性影响，均统一包含在这一可靠性框图当中。
（三）系统MTBF分析
通过计算出系统当中所有部件故障率的代数和，而后将其取倒数便可获得系统MTBF。其具体计算公式如下：
如果货架产品本身具有较高的成熟度，则运营统计数据便可以作为部件MTBF的数据来源[2]。也就是说在既定条件以及时间范围内，产品累积总飞行小时与相同时间段内故障总数的比值便是部件MFBF值，而在设计新产品时，在确定部件MTBF的过程中还需要充分考量相似部件故障率。
（四）签派可靠度分析
民用飞机环控系统中通过将各个部件签派可靠度相乘，便可以获得整个系统的签派可靠度。其计算公式如下：
而部件的MTBF值以及维修更换时间，当部件出现故障或异常问题时飞机能否继续派遣，以及同样在部件存在异常或是故障情况时，派遣飞机时机务以及机组需进行的操作等均会对部件签派可靠度产生一定影响，因而需要设计人员予以相应重视。
三、民用飞机环控系统设计分析
（一）引气系统
在民用飞机环控系统当中引气系统占据着至关重要的地位，其主要负责将旁路发动机部分中压级以及高压级的高温高压气体作为引气气源。正常情况下在巡航阶段此类气体的压力在1034.21kPa左右，温度则一般为673.51K。通过利用引气系统对飞机所需气源进行初步降温，从而经由发动机端将气源输送至燃油系统等其他需要气源的各系统当中，以保障飞机的正常运行。因此在设计引气系统时，关键在于发动机引气部分以及预冷部分的设计上，前者的主要设计部件为高压和低压引气阀门、预调节阀门。而后者的主要设计部件包括温度与压力传感器以及预冷器及其阀门。
（二）制冷系统
根据相关标准要求规定，民用飞机环控系统需要在空气密度为1.225kg·m?的基础上，将气压和温度分别控制在101.3kPa和288.15K，才能有效保障座舱环境具有较高的舒适性。但由于近些年民用飞机中先后使用了各种各样的电子设备，导致飞机内部热载荷迅速增大，即便经过初步散热和降温处理，气源温度仍然可以至少达到593K，故而需要设计制冷系统对气源气体进行有效降温，从而在确保飞机实现安全飞行的同时，维持飞机座舱环境的舒适性。为解决传统制冷装置存在结冰的弊端，本文提出设计一种四轮升压除水制冷系统，通过将一、二级涡轮以及风扇和压气机一次安装在四轮共轴上，从而使得经由引气口进入到制冷装置内部的发动机高压空气，可以快速进行初级散热降温，随后经由冷凝器以及水分离装置的进一步处理后，利用二次涡轮膨胀将气体温度降至最低，以达到最优的制冷效果。
（三）空气分配系统
作为民用飞机环控系统的另一大重要组成部分，空气分配系统主要负责为飞机内各区域分配所需空调空气，从而在避免增加飞机发动机引气需求的基础上，能够有效将冷却动气提供给所需电子设备舱。本文所设计的空气分配系统中，除了最为重要的主分配系统之外，还包括驾驶舱以及客舱空调分配系统以及通风、再循环等相关系统。其中下游导管将制冷组件同混合腔进行有效连接，用以配合配平系统完成通风以及实时控制座舱温度的工作[3]。空调系统所产生的高温高压引气在制冷组件的作用影响下，其温湿度、压力等均会发生一定变化，使得气源能够更加贴合标准要求，为飞机提供充足制冷量。
结束语
综上所述，在采用可靠性设计方式对民用飞机环控系统进行设计的过程中，设计人员需要通过将签派可靠度、平均故障时间作为最主要的两大可靠性设计指标。切实结合国家相关规程标准以及实际设计需要，科学完成制冷系统、引气系统、空气分配系统等各项相关系统的设计工作，以此有效保障民用飞机环控系统的应有效用得以充分发挥。
参考文献
[1]白杰，邬龙，杨建忠，孙晓哲.基于飞机环控系统的安全性分析方法研究[J].机械工程与自动化，2015（04）：3-4+7.
[2]徐李云.民用飛机环境控制系统研究[J].航空科学技术，2015，26（07）：42-45.
[3]孙江平.民用飞机环控系统的仿真系统研究与实现[J].计算机仿真，2012，29（10）：132-134+139.