针对座舱压力增长率的分析与研究

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【摘 要】 随着现代飞机技术的快速发展，对环境控制系统的要求也越来越高，其中对座舱压力变化率指标的要求也相应提高。本文首先介绍座舱压力变化率的有关情况，随后以事例说明关于座舱压力变化率曾经出现的问题，进而对座舱压力变化率进行分析与研究。

【关键词】 座舱压力增长率 座舱供气流量 俯冲速度

1 前言

座舱压力变化率是环境控制系统中的一个重要技术指标，它关系到飞行人员的舒适程度，其值超过规定值会引起飞行人员耳鸣、耳痛及轻度眩晕，甚至耳聋、鼓膜破裂，个别人还会发生休克，因此，它作为一个重要的技术指标被越来越关注。环境控制系统中的座舱压力调节器担负着控制座舱压力变化率的功能，目前国内飞机的座舱压力调节器均为新乡航空工业（集团）有限公司（以下简称新航集团）研制生产的。

2 关机座舱压力变化率的简介

座舱压力变化率包括座舱压力增长率和座舱压力下降率两种，座舱压力增长率表示座舱增压过程中压力的增长速度，座舱压力下降率表示座舱减压过程中压力下降的速度。

根据座舱压力状态方程，

可知，引起座舱压力变化速率的外因有以下两点：

（1）由于供气量GK变化引起。在给定高度上，发动机转速发生变化时，会影响到座舱供气压力及供气量的变化，这种情况在飞机姿态改变时尤为明显。（2）由行高度的变化而引起排气活门出后反压变化造成。影响座舱压力变化率的内因就是座舱压力调节器本身，座舱压力控制是通过调节座舱压力调节器控制腔压力而实现的，所以座舱压力变化速率也是由控制腔压力变化速率来控制。显然，只要控制控制腔压力变化速率就可以控制座舱压力变化速率，因此，影响的内因就是影响的诸因素。座舱压力变化率是由座舱压力调节器上的定径孔、减震器等机构控制的。

考虑到不同类型飞机的变化率指标不同，本文仅就飞机的变化率指标进行探讨。从人体生理状况讲，人对座舱压力增长率相对比较敏感，并且飞机的座舱压力下降率在正常情况下基本都能满足要求，很少有因座舱压力下降率超标引起飞行员不舒适的情况，因此本文仅就座舱压力增长率进行讨论。

现在飞机的座舱压力增长率要符合GJB1193-91《飞机环境控制系统通用规范》的要求，即不大于0.67kPa/s。而目前有些飞机的座舱供气流量瞬间变化幅度很大，并且要完成各种空技，其间时常伴随座舱压力增长率短时间超标的情况，甚至出现压耳现象，下面通过事例详细说明。

3 两种情况下座舱压力增长率超标

第一种情况：飞机在地面加力起飞过程中出现座舱压力增长率超标，某飞机试飞时，为实现短距离起飞，飞机在地面猛然加力，由于通往座舱的供气管路没有设限流装置，座舱供气流量瞬间大幅度增加，在约3秒内由100kg/h增加到900kg/h，这时座舱压力增长率急剧增加，超出0.67kPa/s的要求，持续时间约4秒，最大值2.2kPa/s，在地面座舱余压值最大达到10kPa（设计要求不超过4.0kPa）。

为此，在厂内进行了模拟试验。地面条件下，座舱供气量在4秒内从约100kg/h增加到900kg/h，这时座舱压力增长率超出0.67kPa/s，持续时间约2秒，座舱压力最大值为2.3kPa/s。试验时，座舱供气流量与时间的关系如（图1）所示，座舱压力变化率与时间的关系如图2所示。

对此我们进行了有关理论计算，如下。

因为座舱内空气压力和温度均在常压常温范围内，因此座舱内空气可作为理想气体来处理，其压力p、温度T和座舱内空气的体积V满足理想气体状态方程：

其中：

p：座舱内空气的压力，即座舱压力，单位：kPa

v：座舱内空气的体积，即座舱容积，单位：m3

n：座舱内空气的摩尔数

A：座舱内空气的质量，单位：kg

T：热力学温标，其单位为K（开尔文）。

由于座舱供气流量是在短时间内增大到某一值，可以认为座舱的排气量和泄漏量在这一瞬间保持不变。所以可以近似取那一段时间内座舱供气流量的平均变化量。例如：厂内模拟试验时，座舱供气流量在短时间内每秒的平均变化量为200kg/h，即：=0.0555kg/s，此时的座舱压力变化率为：

由此可见，座舱供气流量的瞬间增加幅度对座舱压力增长率影响很大。

因此，主机厂所立即采取措施，增加座舱供气限流装置，减小座舱供气流量瞬间增加幅度，同时新航集团也采取了一些措施，经飞行验证，效果良好，在飞机加力起飞时，座舱供气流量的变化幅度明显减小，在3秒内由100kg/h增加到不足700kg/h，这时座舱压力增长率虽然也超标，但其最大值为1.2kPa/s，持续时间约2秒。

第二种情况：在飞机大速度长时间俯冲过程中出现座舱压力增长率超标。

该飞机在试飞过程中，有一试飞科目，要求飞机长时间大速度俯冲，从高空15km以250m/s的垂直速度俯冲至5km以下。实际飞行情况是，当飞机从15km俯冲至6km时，开始出现了座舱压力增长率超标，即座舱压力增长率超过0.67kPa/s。

针对这种情况在厂内进行试验，模拟飞机以250m/s的垂直速度从15公里向下俯冲，当俯冲至接近6km时，出现座舱压力增长率大于0.67kPa/s的现象，持续时间约5秒，座舱压力增长率最大值达到1.5kPa/s。试验时，座舱压力变化率与时间的关系如（图3）所示，俯冲高度与时间的关系如（图4）所示。

为此，进行理论计算，如果产品的座舱压力增长率为0.2kPa/s，根据理论计算（见表1），当飞机俯冲至6000m时，座舱余压为1.3kPa，再接着向下俯冲，则会出现座舱压力增长率超标现象。

如果产品的座舱压力增长率为0.3kPa/s，根据理论计算（见表2），当飞机俯冲至5500m时，座舱余压为2.17kPa，再俯冲，则会出现座舱压力增长率超标现象。

如果产品的座舱压力增长率为0.4kPa/s，根据理论计算（见表3），当飞机俯冲至4750m时，座舱余压为1.83kPa， 再接着向下俯冲，则会出现座舱压力增长率超标现象。

如果产品的座舱压力增长率为0.5kPa/s，根据理论计算（见表4），当飞机俯冲至4000m时，座舱余压为1.83kPa， 再接着向下俯冲，则会出现座舱压力增长率超标现象。

上述只是理论计算的结果，而实际情况是，在俯冲的过程中，座舱压力变化情况比较复杂，在飞机俯冲至理论计算的高度之前，座舱压力增长率已经超过0.67kPa/s的要求。

鉴于上述分析与计算，在与主机技术协商后，主机针对产品技术协议进行了协调更改，内容如下：模拟俯冲速度250m/s，环境高度由15km下降至6km。首先保持环境高度为15km，座舱供气流量为100kg/h并下降高度，当高度下降至6km时，立即将座舱供气流量在5s内升至650kg/h，在上述过程中（环境高度降至6km左右除外），座舱压力增长率不应大于0.67kPa/s（考虑到座舱压力与大气压力的变化规律，在飞机以大速度、长时间俯冲时，当俯冲至中低空时，将出现座舱余压接近于零的情况，此时的座舱压力变化率与大气保持一致，因此，在俯冲至6km左右时，座舱压力增长率允许短时大于0.67kPa/s，时间不应超过4s。）。

主机对产品技术协议的协调更改，可以说是座舱压力增长率分析与研究的直接成果之一。

4 结论和建议

根据上述事例及其分析计算，可以得出，在座舱供气流量瞬间大幅度增加时，座舱压力增长率会出现超标的现象，持续时间与座舱供气流量的变化幅度有关，一般情况下，座舱压力增长率超标持续的时间不超过5秒，在这过程中，中耳压差累积不超过19.9kPa，根据GJB646-88《座舱压力制度生理要求》的有关内容条款，此时，飞行员不应感到耳痛。

在飞机长时间大速度俯冲的过程中，座舱压力增长率也会出现超标的现象。如飞机从15km以250m/s的垂直速度俯冲到4km，在俯冲至约6km时，座舱压力增长率已经比较大或超标，整个俯冲时间44s，中耳压差累积有可能超过19.9kPa，飞行员可能会感到耳朵疼痛，即产生压耳现象，特别是在俯冲到低空后，紧接着还有飞机加力拉起的动作，伴随之出现座舱供气流量瞬间大幅度增大的情况，导致座舱压力增长率严重超标，使发生压耳现象的频率增加。

需要说明的是，如果座舱压力增长率短时间出现超标现象，只要中耳压差累积不超过19.9kPa，尽管超出GJB1193-91《飞机环境控制系统通用规范》的要求，也应视为可行的；另外，除非情况特殊，一般情况下，不建议飞机连续做长时间（超过30秒）大速度（垂直速度超过200m/s） 的俯冲动作，如果这样做了，则出现压耳的可能性很大。

参考文献：

[1]王浚，徐扬禾主编.飞机座舱空气参数控制.国防工业出版社.

[2]寿荣中，何慧珊主编.飞行器环境控制.北京航空航天大学出版社.

[3]飞行大气参数.中华人民共和国航空工业部部标准，HB6127-86，1987.

[4]标准大气（30公里以下部分）.中华人民共和国国家标准，GB1920-80，1981.

[5]GJB1193-91《飞机环境控制系统通用规范》.

[6]GJB646-88《座舱压力制度生理要求》.