飞机座舱压力控制系统原理

飞机座舱压力控制系统原理

闫若松

中航西安飞机工业（集团）股份有限公司

【摘要】本文通过介绍座舱压力环境对人体的影响，引出对飞机座舱压力控制系统的系统组成，功能及设计原理的介绍，使读者对飞机压力自动控制的实现有了直观的理解，对现代飞机的环境控制技术发展有更多认识。

【关键词】座舱压力；自动控制；增压；高度变化率

0 引言

在飞行过程中，由于低气压的影响，会对人体产生以下不同方面的影响：

①减压症：由于环境压力的降低，使溶解在肌体中的氮气过饱和游离出来形成的气泡所导致的症状；

②高空胃肠胀气：胃肠气体膨胀，随食物吞咽并分解进入胃肠的气体，在密封环境中，温度不变，气体的体积和压力的乘积恒定；当外界环境压力下降时，胃肠内的气体体积随之扩大，导致胃肠壁受牵拉刺激，并波及邻近部位，产生反射性痉挛；

③肺损伤：当飞行器爬升或下降速率过大时，肺内气压与环境压力相差很大，肺内支气管、微气管会受到损伤。当减压时间过短，减压幅度过大或肺脏和呼吸道的机能状态欠佳时，容易发生肺损伤。

同时，当座舱压力降低时，中耳腔内压力高于外界压力，为正压，腔内气体冲开耳咽管，流道外界。舱压降低过程虽然不会对鼓膜造成损伤，但若降压过快，中耳内的气体迅速膨胀对中耳的刺激可引起少数人眩晕、耳鸣。当舱内压力升高时，中耳腔内的压力比外界低，耳咽管被周围组织挤压，气体不易进入中耳腔，使鼓膜内陷，引起疼痛感，严重时会产生头痛、恶心甚至呕吐，导致精力分散。

为了保护座舱内机组人员及乘员的舒适与健康，需要对飞机座舱压力的维持与调节进行控制。

1 概述

座舱压力控制系统用于控制座舱增压值以保证乘员生命安全和机组人员的正常工作，同时，限制座舱压差在结构强度规定的范围之内。一般是通过将一定的压力的调节空气输入座舱实现座舱的增压，而座舱压力、压力变化率和座舱压差的大小则是通过改变排到机身外的调节空气流量进行调控的。正常情况下，座舱压力由座舱压力自动控制系统控制，出现特殊状况时可通过手动控制增压控制率。

2 系统组成

座舱增压控制面板：机组操作界面，可进行自动/手动控制模式选择、战斗压差控制模式选择、手动控制模式控制指令操作、货舱卸压和再增压控制以及应急卸压、水上迫降等应急操作选择；

驾驶舱排气活门：自动控制模式下接收环控系统综合控制器自动通道指令或手动控制模式下接收环控系统综合控制器手动控制通道指令，控制排出驾驶舱的空气量；

驾驶舱安全活门：纯气动式控制活门，实现驾驶舱的正压释压和负压释压功能，保证驾驶舱结构安全；

货舱排气活门：自动控制模式下接收环控系统综合控制器自动通道指令或手动控制模式下接收环控系统综合控制器手动控制通道指令，控制排出货舱的空气量；

安全活门：纯气动式控制活门，实现货舱的正压释压功能，保证货舱结构安全；

负压活门：纯气动式控制活门，实现货舱的负压释压功能，保证货舱结构安全；

舱间平衡活门：自动控制模式下接收环控系统综合控制器指令，连通或隔断驾驶舱与货舱；故障时可使用活门手柄手动打开或关闭舱间平衡活门；

环控系统综合控制器：用于自动模式下依据设定程序驱动货舱排气活门、驾驶舱排气活门和舱间平衡活门，以及与控制面板、飞机相关系统交联通讯；

座舱压力传感器，包括数字式压力传感器和高度限制压力传感器：数字式压力传感器，向环控系统综合控制器提供驾驶舱压力信号和货舱压力信号，用于座舱压力的自动和手动控制；模拟式压力传感器，测量驾驶舱压力信号和货舱压力信号，用于实现驾驶舱或者货舱高度限制功能。

3 实现功能

座舱压力控制系统主要实现以下功能：

3.1 自动控制

自动控制在飞机的整个飞行包线内依据预设的压力制度自动控制座舱（或驾驶舱）的高度和高度变化速率，为乘员提供一个舒适的压力环境。

从地面至使用升限范围的任意高度内，选择正常压力制度时座舱（或驾驶舱）高度不超过一定预设高度，选择战斗压差压力制度时座舱（或驾驶舱）内外为等余压。

配合增压控制面板按钮选择，自动实现座舱（或驾驶舱）的应急卸压、应急排烟和水上迫降等应急功能。

配合增压控制面板按钮选择，自动实现驾驶舱单独增压、货舱卸压和货舱再增压等功能，满足空投空降要求；具有货舱卸压后不增压飞行能力；空投空降过程中抑制货舱高度限制功能。

具有座舱或者货舱不增压飞行的能力。

地面状态当舱门未关闭且锁紧时，限制座舱（或驾驶舱）增压，确保人员和飞机结构安全。

飞机着陆后对座舱（或驾驶舱）卸压，使其内外压差尽可能小，以保证打开舱门时无危险。 正常压力制度和战斗压差压力制度之间切换应平稳，座舱（或驾驶舱）压力波动尽可能小。

3.2 手动控制

自动控制功能失效时，手动控制座舱（或驾驶舱）压力控制的能力，且自动和手动之间过程切换座舱（或驾驶舱）压力波动尽可能小。

机组使用增压控制面板上手动开关实现座舱（或驾驶舱）的应急卸压、应急排烟和水上迫降等应急功能、驾驶舱单独增压、货舱卸压和货舱再增压等空投空降功能及座舱或者货舱不增压飞行。

3.3 安全功能

独立的座舱（或驾驶舱）高度告警和压差限制功能，且该安全功能超越自动控制和手动控制。在任何合理可能的故障或增压系统失效时，选择正常压力制度时实现座舱（或驾驶舱）不同高度告警功能。

增压控制面板“货舱卸压”、“战斗压差”和“应急卸压”信号抑制必要的驾驶舱或货舱不同高度的告警功能。限制座舱（或驾驶舱）正、负压差在合理范围内，保护飞机结构安全。

4 设计原理

座舱压力控制系统采用四冗余设计三冗余工作，分别为两个自动模式一个人工工作模式。座舱压力控制系统包含两个相同且相互独立的环控综合控制装置，自动1对应环控综合控制装置1A通道，自动2对应环控综合控制装置2A通道，手动工作模式下的系统指示、监控功能由环控综合控制装置1B完成，环控综合控制装置2B通道为高度告警的备份功能。环控综合控制装置1A和2A按飞机奇、偶天交替工作，互为备份，一个工作时，另一个备份。自动控制功能均失效时，使用手动工作模式控制座舱增压。 图1为座舱增压控制系统原理图。

自动控制模式时，环控综合控制装置根据座舱压力传感器感受的舱内压力，自动调节驾驶舱、货舱排气活门的开度大小控制排出驾驶舱和货舱的空气流量，使驾驶舱和货舱的高度和高度变化速率满足座舱压力制度控制要求。

手动控制模式时，依据发动机信息指示区的座舱压力控制系统参数信息和环控系统简图页上的驾驶舱、货舱排气活门角度信息，通过增压控制面板上的“驾驶舱高度”和“货舱高度”开关手动调节驾驶舱、货舱排气活门的开度，控制座舱高度和高度变化率。

驾驶舱安全活门、安全活门和负压活门为气动活门，限制驾驶舱和货舱正负压差在合理范围内，保证飞机结构安全。舱间平衡活门起到驾驶舱与货舱间连通或隔断作用。

在典型的飞行包线内，飞机共包含起飞滑行、爬升、巡航、下降和着陆滑行5个阶段。在飞机起飞滑行阶段，座舱增压控制系统对座舱进行预增压，控制驾驶舱排气活门和货舱排气活门开度减小，使座舱和环境产生1.1kPa的压差；在爬升阶段，当起飞机场高度小于2400m时，驾驶舱和货舱以+152m/min（最大不超过+304m/min）升至座舱目标高度，当起飞机场高度大于2400m时，驾驶舱和货舱以-91m/min（最大不超过-106m/min）降至目标高度；巡航阶段，系统控制座舱高度在理论高度的±31m内；下降阶段，当着陆机场高度小于2400m时，控制座舱以-91m/min（最大不超过-325m/min）降至目标高度，当着陆机场高度大于2400m时，控制座舱爬升至目标高度；在着陆滑行阶段，系统控制座舱高度先以+152m/min卸压36s，然后以600m/min过渡至活门全开。

图1 座舱增压控制系统原理图

5 总结

座舱压力控制系统是与全部机组与乘员生命安全直接相关的重要系统，现代飞机已采用较先进的自动控制逻辑，同时设计有手动余度，保障系统运行的可靠性。控制的压力值在座舱压差容许条件的范围内尽可能接近海平面压力，使机组与乘员始终处于一个较舒适的座舱压力环境中，自动化的控制减轻了机组人员的工作负荷，环控综合控制装置在软件逻辑的解算中更精确的控制座舱压力，使飞行过程具有足够的安全可靠性性和座舱舒适性。