飛機環(huán)控試驗平臺真空系統研究與應用

　　研究了飛機環(huán)控試驗平臺動(dòng)態(tài)試驗高度( 壓力) 模擬對真空系統的要求，分析該真空系統的動(dòng)態(tài)特殊性，給出了真空系統氣量與高度模擬的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型。通過(guò)計算機軟件和三維實(shí)體設計，建立了數字化的真空系統模型，通過(guò)模型仿真運轉、優(yōu)化設計，實(shí)現了工程化，并且取得實(shí)用數據。通過(guò)系統實(shí)施，建立了動(dòng)態(tài)真空試驗系統的設計模板，可以拓展應用到民用的化學(xué)氣體輸送、煤礦瓦斯抽放輸運等工程。

　　真空系統是飛機環(huán)控系統試驗中必不可少的主要設備。環(huán)控系統附件、全系統試驗都有高度模擬的要求，需要相應高度的真空等環(huán)境。不同高度的環(huán)境大氣壓力是高空環(huán)境模擬中重要的參數。飛機在爬升和俯沖過(guò)程中隨著(zhù)高度的不同，外界環(huán)境壓力都會(huì )相應變化。真空系統實(shí)現高空環(huán)境模擬，其設計形式、型號選擇、控制方式?jīng)Q定了壓力模擬的準確性和實(shí)時(shí)性。飛機環(huán)控實(shí)驗是變真空、變流量的動(dòng)態(tài)實(shí)驗，在實(shí)驗過(guò)程中有大量外界模擬氣體進(jìn)入系統，同時(shí)也有部分系統泄漏氣體進(jìn)入系統。我們據此特點(diǎn)對真空系統進(jìn)行了研究和試驗，并在工程化過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提出了拓展使用的方向和方法。

1、系統要求

　　飛機環(huán)控系統試驗要求: 高空艙( 大艙) 容積600 m³，艙內供氣9000 kg /h，要求真空系統能模擬從地面到12000 m 高度范圍，以0 ～ 25 m/s 變化速率爬升、俯沖，環(huán)境壓力從大氣壓1013 hPa 到180 hPa。真空系統應能適應跟隨，不能出現抽氣能力突變。

　　高空艙( 小艙) 容積12 m³，艙內供氣3000 kg /h，要求真空系統有抽氣到20000 m 高度對應真空的能力。

2、系統選型

　　分析系統要求可見(jiàn)，該系統為動(dòng)態(tài)( 變真空、變流量) 模擬飛行器在空中爬升、巡航、俯沖等動(dòng)作過(guò)程中即時(shí)的環(huán)境壓力變化。

　　與一般真空系統要求有很大不同，一是整個(gè)工作模擬過(guò)程需要有高空艙外輸入0 ～ 9000 kg /h 的試驗氣體，同時(shí)有系統泄漏氣體進(jìn)入系統。二是系統需用真空系統真空度變化大，從海平面大氣壓1013 hPa 到20000 m 高空54 hPa。抽氣速率( 體積流量) 變化量范圍很大，最大氣量48000 m³ /h，最小氣量2500 m³ /h，并且在此范圍內連續可調，不能出現階梯突變。

　　為此，本文通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)和真空物理學(xué)建立了分系統的設計模型，分別有高度變化與需用氣量動(dòng)態(tài)模型、系統氣體壓力流場(chǎng)與模擬點(diǎn)動(dòng)態(tài)模型、復合真空泵組動(dòng)態(tài)操控等。其計算模型見(jiàn)表1 - 表3。

表1 大艙需要氣量計算模型

表2 小艙氣量計算模型

　　組成真空系統的元素有真空泵、閥門(mén)、管線(xiàn)、控制系統等，其中最重要的是真空獲得設備的形式、規格和配置選擇。

表3 管線(xiàn)設計模型

　　根據充氣量平衡原則，選用真空泵及機組組成復合真空系統，可以完成從海平面到20000 m 高空模擬過(guò)程中爬升、巡航、俯沖氣量要求。同時(shí)對系統壓力控制采用抽氣節流控制和充氣輔助調節方式，實(shí)現抽氣速率的平穩化和壓力控制精度。

3、真空系統設計方案

3.1、真空泵類(lèi)別選擇

　　從真空度、抽氣量方面考慮，很多真空泵可以用于該系統的真空泵，比如: 旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復式真空泵、螺桿式真空泵、氣冷羅茨泵等。但是該系統在使用過(guò)程中不斷調整壓力，同時(shí)在工藝過(guò)程中同時(shí)沖入補充氣體，真空泵不斷在極限真空度和大氣壓之間反復沖擊。上述泵可能產(chǎn)生噴油、噪音增加等問(wèn)題，不適合大質(zhì)量流量工藝。本工程的前期曾經(jīng)采用14 臺滑閥式真空泵系統，因為工作模式的特殊性，造成噴油、噪音大、啟動(dòng)周期長(cháng)等問(wèn)題，基本不適合本工程需要。

　　經(jīng)過(guò)比較、仿真后確定選用水環(huán)式真空泵作為主泵，適應變負荷、充氣等工況。同時(shí)因為該類(lèi)型的真空泵可以作為正壓、負壓狀態(tài)氣體輸送泵，抽氣范圍廣、抽氣量平穩，滿(mǎn)足試驗高度范圍內0 ～ 9000kg /h 氣體流量。最大優(yōu)點(diǎn)是該泵無(wú)油操作，噪音低，適應大型器件真空試驗。根據試驗區域供電情況和其它工程條件將系統配置成12 個(gè)工位( 與原來(lái)滑閥式真空泵房機位相同) 。經(jīng)國內外同類(lèi)工程比較，中外合作技術(shù)的SKA 型水環(huán)式真空泵在該類(lèi)工程有顯著(zhù)優(yōu)勢。

　　系統也可以采用單臺大型真空泵或者多臺大型真空泵組合工作，但是組合工作時(shí)必然產(chǎn)生抽氣速率梯度大、能耗高、難以精準控制有效抽氣速率，可以作為其他靜態(tài)( 恒真空、恒流量) 工程參考。

3.2、真空機組及組合

　　小艙試驗真空度高，經(jīng)常工作在100 ～53 hPa范圍內，水環(huán)式真空泵雖然在該范圍內可以工作，但是對于工況環(huán)境變得敏感，特別是工作液溫度。但是工作現場(chǎng)又不能提供冷媒水，所以單獨使用水環(huán)式真空泵將使系統變得龐大。為此我們選用氣冷式羅茨泵與水環(huán)真空泵組成機組，實(shí)現高真空條件下具有高抽速。由1 臺氣冷羅茨泵和1 臺水環(huán)泵組合成1 套機組，共4 套，該4 套機組的水環(huán)真空泵與8臺獨立的水環(huán)泵可以互相代替、互為備用，即任何1臺水環(huán)真空泵可以與任何1 臺空冷羅茨泵組合，滿(mǎn)足試驗要求。當模擬實(shí)驗高度變化引起壓力變化，可以單臺或多臺羅茨泵與單臺或多臺水環(huán)泵組成系統工作。這種組合方式使得抽氣量平穩、真空度控制精準。系統原理圖如圖1; 系統組成三維圖如圖2。由標準化JZJS 型羅茨水環(huán)泵機組技術(shù)優(yōu)化設計，專(zhuān)為該工程的機組為JQZE-1，已經(jīng)應用于結冰風(fēng)洞先導試驗等工程，設備實(shí)用數據準確。

圖1 系統原理圖

圖2 系統組成三維圖

　　由獨立水環(huán)真空泵、JQZE-1 型氣冷羅茨-水環(huán)真空泵機組組成的復合型水環(huán)羅茨泵機組系統滿(mǎn)足試驗條件，同時(shí)適應原有場(chǎng)地條件和工程條件。專(zhuān)門(mén)為該系統設計的JQZE-1 型氣冷羅茨-水環(huán)真空泵機組如圖3

3.3、壓力( 真空) 調整模式

　　壓力( 真空) 調整控制以真空系統有效抽速實(shí)現，可以采用變頻調速、真空泵組合運行數量、抽氣管線(xiàn)節流、抽氣管線(xiàn)充氣等模式，或者幾種模式組合。

　　各種模式各有特點(diǎn):變頻調速: 可以連續調整抽氣量，但是對于大抽速真空泵，單臺真空泵配用功率達到180 kW，總裝機功率達到3000 kW，在經(jīng)濟方面投資大，控制程序復雜。最重要的是，真空泵運轉速度在一定范圍穩定，當運轉速度過(guò)高、高低都會(huì )引起效能大范圍變化，甚至可能引起非正常工作，變頻調速只能在一定真空范圍內進(jìn)行，基本不適合該系統。運行真空泵數量組合: 根據試驗的高度不同，計算機控制程序給出需要啟動(dòng)真空泵的數量，實(shí)行壓力控制。該方法對于小型真空系統可行，但是對于大型真空泵，其啟動(dòng)時(shí)間( 進(jìn)入正常工作) 較長(cháng)，可能造成系統壓力跟隨滯后，影響試驗效果。

　　抽氣管線(xiàn)節流、抽氣管線(xiàn)充氣: 即通過(guò)改變抽氣管線(xiàn)流導實(shí)現真空度改變。該系統的充氣為變流量，為了保證試驗氣體組分符合環(huán)控實(shí)驗要求，不能直接往艙內補氣。所以我們采用抽氣管線(xiàn)節流、充氣相結合模式，有效控制艙體出口有效抽氣速率，達到精確控制壓力的目的。

圖3 氣冷羅茨-水環(huán)真空泵機組

圖4 某一型號實(shí)驗實(shí)測數據

4、系統實(shí)施效果

　　完成系統設計方案后，進(jìn)行了系統的制造和調試。首先進(jìn)行了真空泵和真空機組在工廠(chǎng)內單體測試實(shí)驗，達到單體技術(shù)參數后，在環(huán)控實(shí)驗平臺進(jìn)行總體組裝和實(shí)驗。在現場(chǎng)總體聯(lián)調聯(lián)試時(shí)，先行調整獨立的8 臺SKA 型水環(huán)泵，考驗配置的供水系統、配電系統以及操控系統等。然后進(jìn)行了JQZE-1機組運行試驗，最后整體系統調試。實(shí)驗數據證明SKA 型水環(huán)真空泵和JQZE 型羅茨-水環(huán)真空機組用于空間壓力模擬，壓力實(shí)現精準，操作簡(jiǎn)單。

　　圖4 為某次試驗數據，從中可以看到整個(gè)系統壓力模擬準確，滿(mǎn)足研究試驗要求。該真空系統已經(jīng)應用于國家多個(gè)重點(diǎn)型號飛機環(huán)控系統研制試驗。

　　該系統同時(shí)可拓展使用，包括結冰實(shí)驗、空中加油實(shí)驗等。用于靜態(tài)( 恒真空) 、動(dòng)態(tài)( 變真空、流量) 等模擬系統實(shí)驗。飛機環(huán)控實(shí)驗平臺真空系統研究，建立了仿真、模擬實(shí)驗模型，帶動(dòng)了組合式真空系統的應用，滿(mǎn)足國防裝備開(kāi)發(fā)需要，為大型真空動(dòng)態(tài)系統設計提供了經(jīng)驗。整體系統設計、配置、實(shí)驗方法推廣，已經(jīng)應用于國家基礎工業(yè)的化學(xué)氣體抽除、壓縮、輸送系統。用于乙炔、氫氣、甲烷、乙醇、乙二醇等爆炸性氣體的輸送工藝，通過(guò)模型模擬、仿真，可以保證安全運轉，實(shí)現節能、環(huán)保，滿(mǎn)足煤炭、石油、化工等就工業(yè)新要求。