CN110588989B

CN110588989B - 飞机座舱低温预防***和方法

Info

Publication number: CN110588989B
Application number: CN201910986564.XA
Authority: CN
Inventors: 唐慧儒; 任重远; 王旭阳; 王力维; 沈祥; 李闯
Original assignee: Comac Shanghai Aircraft Design & Research Institute; Commercial Aircraft Corp of China Ltd
Current assignee: Comac Shanghai Aircraft Design & Research Institute; Commercial Aircraft Corp of China Ltd
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: CN110588989A

Abstract

本发明涉及飞机座舱低温预防***和方法。飞机座舱低温预防***包括：座舱温度传感器；座舱湿度传感器；应急通风管路，用于输送冲压空气进入座舱区域；应急冲压空气风门作动器，安装在应急通风管路中，用于开启或关闭冲压空气；以及控制器，用于根据座舱温度传感器测得的座舱区域温度、座舱湿度传感器测得的座舱区域湿度以及第一多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的人体耐受时间，倘若计算出的人体耐受时间低于人体耐受时间阈值，则控制器控制应急冲压空气风门作动器关闭冲压空气。本发明的飞机座舱低温预防***和方法能起到以下有益技术效果：能及时预防座舱温度过低，减少飞行员操作负担。

Description

飞机座舱低温预防***和方法

技术领域

本发明涉及飞机座舱低温预防***和方法，属于飞机座舱温度环境控制***领域。

背景技术

舒适的飞机座舱温度环境可保证机组人员正常执行飞行任务并为乘客提供舒适的乘机环境。然而，当飞机双空调组件失效而采用应急通风时，冷天工况下冲压空气温度低至-40℃，如此低温的冲压空气供入座舱会导致座舱温度快速降低，若执行ETOPS(延程运行)飞行(现役单通道飞机ETOPS改航时间为120-180分钟)，持续降低的座舱温度环境会导致机组能力降低到发生思考错误或身体筋疲力进而妨碍机组成功地完成其被指定的任务，同时对乘客造成不可逆的生理损害。

为此，目前民用飞机通常采用两种方法来应对：1)将配平空气引气口布置在FCV(流量控制活门)上游，保证在双空调组件失效时，虽然关闭FCV，但仍可供应配平热空气来加温应急冲压空气，保持座舱温度不至太低。但该方法会导致配平管路及活门的验证压力及***压力要求严格，潜在的增加管路重量，并且导致空调***控制逻辑变复杂，增加飞行员操作负担。因此，据不完全统计，现役民用飞机中，仅B777机型采用该种方法布置；2)大部分机型仍然采用配平空气引气口布置在FCV下游的方式，然后通过间歇性关闭应急冲压空气风门，来为座舱保温，但开启或关闭应急冲压空气风门的指令并无科学指导，全凭飞行员决策，这无形中增加飞行员的工作负担，且极易造成座舱温度过低但未及时关闭冲压空气的情况出现。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种飞机座舱低温预防***，其能及时预防座舱温度过低，减少飞行员操作负担。

本发明的以上目的通过一种飞机座舱低温预防***来实现，该飞机座舱低温预防***包括：

座舱温度传感器，所述座舱温度传感器安装在飞机座舱中，用于感测座舱区域的温度；

座舱湿度传感器，所述座舱湿度传感器安装在飞机座舱中，用于感测座舱区域的湿度；

应急通风管路，所述应急通风管路用于在应急通风工况下，输送冲压空气进入座舱区域；

应急冲压空气风门作动器，所述应急冲压空气风门作动器安装在所述应急通风管路中，用于开启或关闭冲压空气；以及

控制器，所述控制器连接至所述座舱温度传感器、所述座舱湿度传感器和所述应急冲压空气风门作动器，用于根据所述座舱温度传感器测得的座舱区域温度、所述座舱湿度传感器测得的座舱区域湿度以及第一多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的人体耐受时间，倘若计算出的人体耐受时间低于人体耐受时间阈值，则所述控制器控制所述应急冲压空气风门作动器关闭冲压空气。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防***能起到以下有益技术效果：能及时预防座舱温度过低，减少飞行员操作负担。

较佳的是，所述控制器还用于根据第二多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的二氧化碳浓度，倘若计算出的二氧化碳浓度高于二氧化碳浓度阈值，则所述控制器控制所述应急冲压空气风门作动器开启冲压空气。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防***能起到以下有益技术效果：能及时提供新鲜空气，预防座舱二氧化碳浓度过高。

较佳的是，所述第一多个控制器内置参数包括：座舱空气流速、平均辐射温度、人体新陈代谢率和实际衣服热阻。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防***能起到以下有益技术效果：能合理地根据第一多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的人体耐受时间。

较佳的是，所述第二多个控制器内置参数包括：座舱总人数、人均冲压空气量、冲压空气中二氧化碳浓度、二氧化碳密度、空气密度、座舱乘客每分钟产生的二氧化碳质量、座舱净容积、无冲压空气供应的时间、飞行高度下座舱压力和海平面标准大气压力。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防***能起到以下有益技术效果：能合理地根据第二多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的二氧化碳浓度。

本发明的以上目的还通过一种飞机座舱低温预防方法来实现，该飞机座舱低温预防方法包括：

感测座舱区域的温度，感测座舱区域的湿度；以及

根据测得的座舱区域温度、测得的座舱区域湿度以及第一多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的人体耐受时间，倘若计算出的人体耐受时间低于人体耐受时间阈值，则控制应急冲压空气风门作动器关闭冲压空气。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防方法能起到以下有益技术效果：能及时预防座舱温度过低，减少飞行员操作负担。

较佳的是，所述飞机座舱低温预防方法还包括：

根据第二多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的二氧化碳浓度，倘若计算出的二氧化碳浓度高于二氧化碳浓度阈值，则控制所述应急冲压空气风门作动器开启冲压空气。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防方法能起到以下有益技术效果：能及时提供新鲜空气，预防座舱二氧化碳浓度过高。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防方法能起到以下有益技术效果：能合理地根据第一多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的人体耐受时间。

根据上述技术方案，本发明的飞机座舱低温预防方法能起到以下有益技术效果：能合理地根据第二多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的二氧化碳浓度。

附图说明

图1是本发明一实施例的飞机座舱低温预防***的运行原理图；

图2是本发明一实施例的飞机座舱低温预防***的架构示意图；

图3是本发明一实施例的飞机座舱低温预防***的人体低温耐受评估流程图。

附图标记列表

TS、座舱温度传感器

HS、座舱湿度传感器

5、应急通风管路

6、应急冲压空气风门作动器

7、控制器

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足***相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计、制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

图1是本发明一实施例的飞机座舱低温预防***的运行原理图；图2是本发明一实施例的飞机座舱低温预防***的架构示意图；图3是本发明一实施例的飞机座舱低温预防***的人体低温耐受评估流程图。

如图1-2所示，根据本发明的一实施例，飞机座舱低温预防***包括：

座舱温度传感器TS，座舱温度传感器TS安装在飞机座舱(例如，客舱、驾驶舱)中，用于感测座舱区域的温度；

座舱湿度传感器HS，座舱湿度传感器HS安装在飞机座舱中，用于感测座舱区域的湿度；

应急通风管路5，应急通风管路5用于在应急通风工况下，输送冲压空气进入座舱区域；

应急冲压空气风门作动器6，应急冲压空气风门作动器6安装在应急通风管路5中，用于开启或关闭冲压空气；以及

控制器7，控制器7连接至座舱温度传感器TS、座舱湿度传感器HS和应急冲压空气风门作动器6，用于根据座舱温度传感器TS测得的座舱区域温度、座舱湿度传感器HS测得的座舱区域湿度以及第一多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的人体耐受时间，倘若计算出的人体耐受时间低于人体耐受时间阈值，则控制器7控制应急冲压空气风门作动器6关闭冲压空气。

较佳的是，控制器7还用于根据第二多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的二氧化碳浓度，倘若计算出的二氧化碳浓度高于二氧化碳浓度阈值，则控制器7控制应急冲压空气风门作动器6开启冲压空气。

较佳的是，第一多个控制器内置参数包括：座舱空气流速、平均辐射温度、人体新陈代谢率和实际衣服热阻。

较佳的是，第二多个控制器内置参数包括：座舱总人数、人均冲压空气量、冲压空气中二氧化碳浓度、二氧化碳密度、空气密度、座舱乘客每分钟产生的二氧化碳质量、座舱净容积、无冲压空气供应的时间、飞行高度下座舱压力和海平面标准大气压力。

较佳的是，座舱温度传感器TS、座舱湿度传感器HS安装在驾驶舱/客舱内饰壁面，探测部分设计成防爆结构与防尘结构，数据处理及输出部分设计成全封闭形式，被测气体由抽吸方式进入传感器所在的气室，经过防尘处理后直接接触传感器。

较佳的是，应急冲压空气风门作动器6及应急通风管路5布置在机身翼身整流罩区域。

较佳的是，控制器7安装在机体电子设备舱内。

根据本发明的一实施例，本发明的飞机座舱低温预防***的具体工作流程如下：

1)在飞机正常飞行工况下，应急冲压空气风门作动器6控制应急冲压空气风门关闭，控制器7不对座舱湿度传感器HS的测量信号进行低温监测处理。

2)在飞机应急通风工况下，应急冲压空气风门作动器6作动应急冲压空气风门打开，冲压空气进入并通过应急通风管路5进入座舱为座舱提供新鲜空气。

3)座舱温度传感器TS、座舱湿度传感器HS采集驾驶舱空气的温、湿度信号，并传输给控制器7。

4)座舱温度传感器TS、座舱湿度传感器HS采集客舱空气的温、湿度信号，并传输给控制器7。

5)控制器7调用来自座舱湿度传感器HS的信号rh和座舱温度传感器TS的信号t_a并结合第一多个控制器内置参数进行座舱低温环境下人体耐受时间D_lim的计算，第一多个控制器内置参数包括应急通风工况下的座舱空气流速v_a,、平均辐射温度t_r、人体新陈代谢率M和实际衣服热阻I_cl，然后运用ISO11079标准中的所需衣物热阻IREQ(Required ClothingInsulation)计算方法来计算当前驾驶舱及客舱环境下人体耐受时间D_lim，具体计算方法见附录A。

6)当计算出的驾驶舱或客舱环境下人体耐受时间D_lim低于某个人体耐受时间阈值时(推荐人体耐受时间阈值为30min)，控制器7控制应急冲压空气风门作动器6关闭冲压空气风门，座舱无冷空气供入，座舱温度上升。

7)控制器7继续通过调用第二多个控制器内置参数计算当前座舱环境下的空气中二氧化碳浓度，第二多个控制器内置参数包括座舱总人数n、人均冲压空气量M、冲压空气中二氧化碳浓度C_in、二氧化碳密度

空气密度ρ_air、座舱乘客每分钟产生的二氧化碳质量

座舱净容积V、无冲压空气供应的时间t、飞行高度下座舱压力P、海平面标准大气压力P₀，最终计算得座舱二氧化碳浓度C_out，具体计算方法见附录B。

8)当计算出的座舱空气二氧化碳浓度高于某个二氧化碳浓度阈值(推荐座舱二氧化碳浓度阈值为1％体积含量)时，控制器7控制应急冲压空气风门作动器6开启冲压空气风门，冲压空气供入座舱，为成员提供新鲜空气。

9)控制器7继续监控座舱当前低温环境下人体耐受时间D_lim，循环执行步骤5)～8)，直至飞机安全降落。

本发明所提出的技术方案与现有技术相比，具有以下一个或多个优点：

(1)高安全性及舒适性，保证冷天应急通风工况下，座舱温度环境不会导致机组人员及乘客造成生理不可逆伤害，并且最大限度的供应新鲜空气；

(2)本发明涉及的飞机座舱低温预防***中，仅湿度传感器是需要飞机增加安装的部件，其余设备均为飞机固有安装部件，故不会显著增加飞机重量，且湿度传感器能耗低；

(3)有力减少飞行员操作负担；

(4)有力保证机型申请ETOPS构型。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域技术人员将会理解，上述具体实施方式并不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以在以上公开内容的基础上进行多种修改，而不超出本发明的范围。

附录A人体低温耐受时间计算方法

根据人体热平衡方程组，计算人体为保持热平衡所需衣服热阻IREQ，如果实际衣服热阻大于IREQ，则认为该低温环境是安全的；否则根据人体可接受的体温和皮肤温度，评估该低温环境允许乘员暴露的最长时间D_lim。座舱人体低温耐受的计算流程见图3。

IREQ和D_lim计算的主要输入参数包括：环境空气温度t_a、环境空气湿度rh、平均辐射温度t_r、空气速度v_a、人体新陈代谢率M和衣物特性参数等。人体热平衡方程表达式如下：

M＝W+H_res+C+R+E+S………………………………………(1)

式中：

M——人体新陈代谢率，典型人体新陈代谢率的评估值见表A.1，W/m²；

W——人体输出的机械功率，W/m²；

H_res——呼气产生的换热量，W/m²；

C——皮肤处的对流换热量，W/m²；

R——皮肤处的辐射换热量，W/m²；

E——皮肤处的蒸发换热量，W/m²；

S——人体的热存储，W/m²。

1.1 IREQ的计算流程

IREQ的计算采取需根据热平衡方程组进行迭代计算。详细的计算过程如下。

a)人体活动导致的周围气流速度

人体活动导致的周围气流速度v_w计算见公式(2)。

v_w＝0.0052·(M-58)…………………………………………(2)

b)空气边界层热阻

空气边界层热阻I_a计算见公式(3)。

I_a＝0.092·exp(-0.15·v_a-0.22·v_w)-0.0045……………………………(3)

式中：

v_a——座舱空气流速，本规范的适用范围为0m/s＜v_a＜1.2m/s；

c)热平衡时的皮肤温度和湿度

热平衡时皮肤温度t_sk和皮肤湿度w的计算分别见公式(4)和公式(5)。

t_sk＝35.7-0.0285·M…………………………………………(4)

w＝0.01·M……………………………………………(5)

d)呼出空气的温度

呼气温度t_ex的计算见公式(6)。

t_ex＝29+0.2·t_a……………………………………………(6)

式中：

t_a——座舱空气温度，本规范的适用范围为t_a＜10℃。

e)水蒸气分压力的计算

座舱空气的水蒸气分压力P_a的计算见公式(7)。

P_a＝(rh/100)·0.1333·exp(18.6686-4030.183/(t_a+235))……………………(7)

式中：

rh——座舱空气相对湿度，无量纲；

皮肤表面的饱和水蒸气分压力P_sk,s的计算见公式(8)。

P_sk,s＝0.1333·exp(18.6686-4030.183/(t_sk+235))…………………………(8)

呼出空气的饱和水蒸气分压力P_ex的计算见公式(9)

P_ex＝0.1333·exp(18.6686-4030.183/(t_ex+235))………………………(9)

f)衣物参数

设置IREQ的迭代初始值，计算衣服面积因子f_cl，见公式(10)。

f_cl＝1+1.197·IREQ…………………………………………(10)

衣物及空气边界层的总热阻R_t的计算见公式(11)。

R_t＝(0.06/i_m)·(I_a+IREQ)………………………………………(11)

式中：

i_m——水蒸气渗透指数，通常为0.38，无量纲。

g)皮肤表面的蒸发换热量

皮肤表面的蒸发换热量E的计算见公式(12)。

E＝w·(P_sk,s-P_a)/R_t…………………………………………(12)

w——皮肤湿润度比例。

h)呼气产生的换热量

呼气产生的换热量H_res的计算见公式(13)。

H_res＝0.0173·M·(P_ex-P_a)+0.0014·M·(t_ex-t_a)…………………………(13)

i)衣服表面温度

衣服表面温度t_cl的计算见公式(14)。

t_cl＝t_sk-IREQ·(M-W-E-H_res)…………………………………(14)

j)皮肤表面的显热换热量

皮肤表面的对流换热C和辐射换热R的计算分别见公式(15)和公式(16)。

C＝f_cl·h_c·(t_cl-t_a)…………………………………………(15)

R＝f_cl·h_r·(t_cl-t_r)…………………………………………(16)

式中：

h_r——辐射换热系数，计算公式见公式(17)，W/(m²·K)；

h_c——对流换热系数，计算公式见公式(18)，W/(m²·K)；

t_r——辐射温度。

h_r＝5.67·10^-8·ε_cl·((t_cl+273)⁴-(t_r+273)⁴)/(t_cl-t_r)……………………(17)

式中：

ε_cl——衣服发射率，通常为0.97，无量纲。

h_c＝1/I_a-h_r…………………………………………(18)

k)迭代计算IREQ

热平衡时，热平衡方程式中的热存储率S＝0，根据公式(1)、(12)、(13)、(15)和(16)，可迭代计算得到IREQ。

1.2限制暴露时间D_lim的计算流程

根据1.1章节中得到的IREQ与实际衣服热阻I_cl进行比较，如果I_cl＞IREQ则表明该环境不会导致人体处于热量散失状态，如果I_cl＜IREQ则表明该环境会导致人体处于热量散失状态，此时需评估人体在该低温环境下的限制暴露时间。

a)衣服相关参数的计算

衣服面积因子f_cl的计算见公式(19)。

f_cl＝1+1.197·I_clr…………………………………………(19)

式中：

I_clr——修正后的衣服热阻，m²·K/W，计算公式见公式(20)。

I_clr＝((I_cl+0.085/f_cl)·(0.54·exp(0.075·ln(ap)-0.15·v_a-0.22·v_w)-0.06·ln(ap)+0.5)-I_a…

(20)

式中：

I_cl——实际衣服热阻，根据ISO9920，典型的衣服热阻见表A.2，m²·K/W；

ap——空气渗透率，l/(m²·s)。

衣物及空气边界层的总热阻R_t的计算见公式(21)。

R_t＝(0.06/i_m)·(I_a+I_clr)………………………………………(21)

b)衣服表面温度

衣服表面温度t_cl的计算见公式(22)。

t_cl＝t_sk-I_clr·(M-W-E-H_res-S)……………………………………(22)

其中S为迭代初始值，可取S＝-40W/(m²·K)。

根据公式(15)和(16)分别计算皮肤表面的对流换热量C和辐射换热量R。

再根据热平衡方程(1)，可迭代计算得到S。

c)限制暴露时间

限制暴露时间的计算见公式(23)。

D_lim＝Q_lim/S…………………………………………(23)

式中：

Q_lim——允许身体散失的最大热量，其值为144kJ/m²。

表A.1典型人体新陈代谢率评估值，表A.2是典型衣服热阻。

表A.1典型人体新陈代谢率评估值

表A.2典型衣服热阻

附录B座舱二氧化碳浓度计算方法

当控制器控制应急冲压空气风门作动器6关闭冲压空气风门后，座舱无冷空气供入，座舱温度上升的同时二氧化碳浓度也继续上升，此时座舱二氧化碳浓度计算方法如下。

式中，

C_out—座舱CO₂浓度，％体积含量；

C_ini—座舱初始CO₂浓度，％体积含量；

n—座舱人数；

—人体CO₂呼出量，g/min；根据有关资料，每名旅客释放出来的CO₂取20L/h,空勤人员取为25L/h；

—CO₂密度，g/m³；

t—座舱丧失新鲜空气流量持续时间，min；

V—座舱容积，m³；

P—座舱压力，Pa；

P₀—海平面压力，Pa。

其中C_ini为关闭应急冲压空气风门作动器6时的初始座舱CO₂浓度，计算方法如下：

式中：

C_in—冲压空气中中CO₂浓度，ppm；

—人体CO₂呼出量，g/min；；

M—人均冲压空气的质量流量，g/min。

ρ_air—空气密度，g/L。

—CO₂密度，g/L。

Claims

1.一种飞机座舱低温预防***，包括：

2.如权利要求1所述的飞机座舱低温预防***，其特征在于，所述控制器还用于根据第二多个控制器内置参数，计算当前座舱环境下的二氧化碳浓度，倘若计算出的二氧化碳浓度高于二氧化碳浓度阈值，则所述控制器控制所述应急冲压空气风门作动器开启冲压空气。

3.如权利要求1所述的飞机座舱低温预防***，其特征在于，所述第一多个控制器内置参数包括：座舱空气流速、平均辐射温度、人体新陈代谢率和实际衣服热阻。

4.如权利要求2所述的飞机座舱低温预防***，其特征在于，所述第二多个控制器内置参数包括：座舱总人数、人均冲压空气量、冲压空气中二氧化碳浓度、二氧化碳密度、空气密度、座舱乘客每分钟产生的二氧化碳质量、座舱净容积、无冲压空气供应的时间、飞行高度下座舱压力和海平面标准大气压力。

5.一种飞机座舱低温预防方法，包括：

感测座舱区域的温度，感测座舱区域的湿度；以及

6.如权利要求5所述的飞机座舱低温预防方法，其特征在于，所述飞机座舱低温预防方法还包括：

7.如权利要求5所述的飞机座舱低温预防方法，其特征在于，所述第一多个控制器内置参数包括：座舱空气流速、平均辐射温度、人体新陈代谢率和实际衣服热阻。

8.如权利要求6所述的飞机座舱低温预防方法，其特征在于，所述第二多个控制器内置参数包括：座舱总人数、人均冲压空气量、冲压空气中二氧化碳浓度、二氧化碳密度、空气密度、座舱乘客每分钟产生的二氧化碳质量、座舱净容积、无冲压空气供应的时间、飞行高度下座舱压力和海平面标准大气压力。