迈向可持续航空：高效节能飞机环控系统（ECSs）的最新综述

《PROGRESS IN AEROSPACE SCIENCES》：Towards sustainable aviation: A state-of-the-art review of energy-efficient aircraft environmental control systems (ECSs)

　　

摘要：向更多电飞机（MEA）的转变加大了对能源效率更高的环境控制系统（ECS）的需求，这类系统能够在减少燃料消耗和排放的同时维持客舱增压、热舒适性、空气质量和航空电子设备冷却。本文对关于引气和无引气空气循环系统（ACS）、蒸气压缩制冷系统（VCRS）、低全球变暖潜能值（GWP）制冷剂、热力学建模以及飞机ECS优化策略的研究进行了批判性回顾。所回顾的研究表明，ACS性能受转子构型、运行条件和部件参数的强烈影响。文献中报告的基于遗传算法（GA）的优化方法已被证明能有效提高ECS性能，同时减少系统设计过程中的实验工作量。此外，使用R1234yf等低GWP制冷剂的VCRS显示出作为传统基于ACS的ECS的可行替代方案潜力。VCRS研究主要侧重于部件验证和地面测试，而ACS仍是运行服务中的主导技术。未来研究应优先考虑结合ACS和VCRS架构与高级控制策略的系统级集成模型，以减少电压缩机功耗。这些发现为研究人员和制造商开发下一代节能ECS技术提供了指导。

引言：民用航空和军用航空是航空业的两个不同子集。商业航空公司和公务航空，包括共享所有权运输和私人飞机，属于民用航空部门。在商业航空产业中最突出的参与者是波音、空客、庞巴迪、三菱飞机公司、中国商用飞机有限责任公司（COMAC）和俄罗斯联合飞机公司，旗下有苏霍伊、图波列夫、伊留申和伊尔库特子公司。飞机作为协同工作的系统网络执行特定任务，这些任务在军用飞机（战斗机、轰炸机和教练机）与民用飞机（客运和货运）之间存在差异。以最小能耗实现这些任务至关重要，这由运行成本和环保法规驱动。由于对航空旅行的需求不断增加，航空业持续增长。随着需求增加和燃料储备减少，价格将上涨。环境担忧要求减少排放，特别是温室气体，这影响了飞机系统的设计和运行。

航空部门每年释放6.28亿吨二氧化碳（CO2），占全球排放量的2%[1]。航空公司力求最小化燃料消耗，因为减少对燃料依赖的替代方案有限[2]。航空部门一直在可持续和节能技术开发的前沿，旨在提高效率并减少环境影响。欧洲航空研究咨询委员会（ACARE）致力于减少航空噪声、燃料消耗以及二氧化碳和氮氧化物（NOx）排放[3]。飞机工业高度重视环境关切，尤其是与低碳排放解决方案相关的问题。工业化世界在航空与环境关切的复杂关系方面面临困难。航空排放每年增长5%，尽管欧盟Flightpath 2050目标是在2050年前将每乘客公里二氧化碳排放减少75%[4]。电气化飞机，特别是其非推进部件，对于实现这些目标至关重要。这种方法可以通过减少燃料消耗来提高飞机性能。随着航空旅行变得越来越流行，过渡到更环保的运输方式是必要的。

飞机制造商越来越多地专注于设计高效二次非推进系统，如环境控制系统（ECS），以通过采用空气循环系统（ACS）增强竞争力[5]。ACS轻量、可靠且维护需求低。空气作为无毒、环保制冷剂，无泄漏风险，可在飞机中实现通风、增压和客舱冷却。然而，ACS的制冷系数（COP）低，且由于冷却依赖于显热交换，高制冷量需要大量气流。随着飞机技术进步和机载电气设备数量增加，ECS需要升级的制冷量、可靠性以及改善的性能。由于环保意识提高，制冷行业对天然制冷剂的需求不断增长。由于航空公司面临减少排放和提高运行效率以保持全球竞争力的压力，对环境更友好的飞机设计需求量大增。鉴于日益严重的能源问题，开发满足所有运行标准并利用低全球变暖潜能值（GWP）生态可接受制冷剂的ECS至关重要。更多电飞机（MEA）概念通过为使用电力的非推进系统提供能源效率、减少NOx排放和降低噪声来解决这些问题[6]，[2]。

本综述的主要目标是强调飞机ECS的最新进展，重点关注促进实现当代可持续性目标的部件和设计。综述分为五个部分：第1节概述航空业的快速增长及其相关燃料使用和二氧化碳排放挑战，强调需要节能和可持续ECS技术。第2节回顾关于飞机ECS的现有研究，涵盖引气和无引气ACS、蒸气压缩制冷系统（VCRS），以及使用R134a和R1234yf制冷剂的冲压空气系统集成。第3节聚焦三个核心主题：用于系统设计的热力学分析、支持ECS实施的数值模拟以及性能评估方法。第4节总结当前解决方案和趋势，通过优化引气和无引气电架构来增强能效。第5节考察民用飞机中的重要技术，并以最终观察结论收尾。本综述评估技术进展，识别研究空白，并应对创建高效和可持续ECS的挑战。获得的见解将指导ECS中采用的方法学和解析途径。

飞机上燃料的主要功能是提供推进力[7]。飞机发动机为电气、液压和气动系统供电，如航空电子设备、飞行控制和ECS[8]。ECS控制内部环境以维持有效载荷在温度、压力和湿度的安全范围内，并提供应急氧气。如图1所示，ECS从源头抽取空气，通过组件进行调理，并根据适航法规分配到客舱/驾驶舱内部和外部。根据联邦航空法规（FAR），飞行必须维持相当于海平面以上8000英尺（2438米）的客舱压力。在巡航模式下，客舱内最小压差为50千帕，每名乘客需要以0.55磅/分钟（250克/分钟）的速率呼吸新鲜空气[9]。

图2展示了标准客机ECS的结构。该系统由客舱压力控制系统（CPCS）组成，该系统使用专用阀门调节客舱空气外流，确保压力维持，以及用于空气循环的空气分配系统（ADS）。此外，ECS集成了温度控制系统（TCS）和通风控制系统（VCS）。在发动机引气不可用的情况下，冲压空气通风系统（RAVS）是提供新鲜空气的唯一替代方案，氧气系统除外。客舱压力维持为正表压，相当于气动压力减去冲压空气进气口、导管和外流阀（OFV）的损失[9]，[10]，[11]。这种专用电路从客舱外部带来富氧空气。对于未增压飞机在异常条件下，10000英尺（3048米）（FL100）被认为是人类生存的安全高度，低氧风险低，使其成为冲压空气通风性能的目标[12]。辅助动力装置（APU）是连接飞机主发动机的较小燃气涡轮发动机。APU提供液压动力，通过轴驱发电机产生电力，并压缩空气用于发动机启动、空调和CPCS。当主发动机不运行且没有地面电源装置可用时，APU接管地面运行。为确保安全的客舱压力，CPCS管理通过OFV的空气质量流量，同时监测飞机高度和飞行模式[13]。发动机引气向客舱提供进入空气，而CPCS监测高度并相应调整客舱压力。

压力减少和关断阀（PRSOV）和预冷器是ECS在起飞期间分别降低压力和温度的主要手段[15]。在与上游空气循环混合模块的洁净空气混合之前，客舱空气混合模块过滤并干燥空气。空气随后通过气流阀门A、B和C仔细地在飞机几个隔舱（驾驶舱、乘客客舱、电气设备隔舱和货舱）中循环。最后，通过将空气引导至通过外流阀D离开飞机，如图2所示的每个隔舱维持理想温度和压力。每个乘客区域和驾驶舱通过各自的配备开口的供风管道接收调理和循环空气，这一切都归功于如图3所示的ADS。

图3展示了用于民用飞机的ADS。位于中心翼盒下方未增压区域，两个ECS组件向混合歧管提供加压调理空气，该歧管通常位于客舱地板下方。位于中心翼盒前方的混合装置将新鲜空气与循环客舱空气混合。通过由高舱底面板激活的高效率颗粒空气（HEPA）系统后，过滤空气由风扇返回混合歧管。在前部和后部货舱区域提供独立的循环回路以确保冗余。将飞机划分为独立的通风区域可以改善客舱温度控制。调理和循环空气通过服务客舱和驾驶舱空调系统的供风管道分配。空气质量流量由热负荷和温度设定点控制，而空气温度则通过与来自主发动机压气机的加热调节空气混合进一步调节。客舱和驾驶舱地板的高舱底面板允许ADS通风电子/设备（E/E）和货舱区域。前部和后部货舱区域的压力由基于高度的外流阀控制。

ECS还包括防雨和防冰系统，存在多种配置，有些由电力驱动，有些由气压驱动。防冰和防雨操作分为两大类：飞行中和地面，每种采用不同方法来防止或去除冰积聚。目前，飞机在空中避免被淋湿和结冰有两种方式：(a)防止冰形成的防冰系统，以及(b)在系统运行时以循环方式去除冰的除冰系统，允许一些冰积聚后再去除。防冰系统的主要部件是防冰液；次要部件是电加热；第三个部件是排气热；第四个部件是热引气。

欧洲航空部门启动了友好飞机客舱环境（FACE）和理想客舱环境（ICE）倡议以增强乘客舒适度，空客和波音实施了改进。因此，燃料消耗和排放减少，而能源效率提高[17]。商用飞机通过在超过11公里的高度飞行实现减少阻力并降低燃料使用。在这样的高度，低压、高温和缺氧条件不适合人类呼吸。随着高度增加，大气压、密度和温度下降。在海平面，压力为760毫米汞柱，在18000英尺（5486米）处减半，此时温度达到-20°C。直到对流层顶36000英尺（10973米），大气组成保持不变：78%氮气，21%氧气，以及其他少于1%的气体。在10000英尺（3048米），肺泡氧分压显著下降，导致缺氧和认知功能降低。在此高度发生轻度缺氧，尽管有呼吸问题的人可能会经历更大困难。飞机维持客舱高度6000-7000英尺，而现代飞机如波音787（B787）和空客350（A350）使用复合材料在5000-6000英尺运行。起飞和着陆期间的压力变化可能引起不适。海平面客舱压力将需要异常沉重的框架，影响负载能力和效率。适航标准要求增压客舱在最大运行高度维持不超过8000英尺的高度。

在设计飞机机组客舱规格时，必须考虑众多因素，如热环境和其他元素[18]。表1提供了指标总结和当前客舱环境要求的有限范围。

安全指标，包括一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）浓度以及机舱压力，以及舒适度指标，如温度、湿度、风速和热感觉，都是现有法规对驾驶舱人员的要求。SAE ARP 85E-1991 [19] 要求温度在18至29°C之间，并规定机组人员和乘客必须拥有各自的空调系统。根据美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）[20]，在制冷工况下，舒适的机舱温度范围为24至27°C。巡航期间，系统应能够在机组负荷为20%的情况下将机舱温度维持在24°C，尽管在加热工况下，驾驶舱的典型温度通常为21°C。

文献综述的内容与过程
文献综述分为三个部分：第2节首先考察了文献检索的最新进展，着重阐述了带放气和不带放气的航空空调系统（ACS）的主要特征，并与冲压空气循环系统（VCRS）进行了对比分析。第3节深入探讨了使用数值模拟和算法对工程空调系统（ECS）进行性能评估的方法。第4节专注于ECS中ACS的优化，重点介绍了遗传算法（GA）方法、燃油能量等。

工程空调系统的数值模拟方法
研究人员使用ANSYS、KULI、DYMOLA和MATLAB等软件，对航空空调系统进行了大量的建模与仿真研究。图16展示了各种数值模拟软件的评估过程。Sun等人 [101] 发表了关于三个主要研究领域的研究成果：系统设计的第一步是热力学分析；其次，使用稳态仿真进行基于模型的设计和健康监测；最后，运行……

工程空调系统的优化
Vargas和Bejan [24] 致力于降低系统级熵以提高ECS设计并增强性能，这与以组件为重点的方法不同。此外，Vargas和Bejan [59] 和Duan等人 [94] 修改了紧凑式换热器（CHX）的几何特性以减少系统级熵，这在近期关于集成热力学的研究中加强了这些系统。在确定优化准则时，Pérez-Grande和Leo观察到增加……

结论
综述的研究表明，ACS的性能强烈依赖于轮配置和运行条件。基于熵产生方法（ETM）的研究证明，可以利用新鲜空气和冲压空气温度、冲压空气与新鲜空气的质量流量比以及包括换热器、风扇和压缩机在内的组件效率等关键参数，系统性地预测ACS的性能系数（COP）。文献还表明，某些组件，如_ram换热器（R-HX）、冷_换热器（C-HX）和水分离器（WS），对COP的影响有限。

CRediT作者贡献声明
Vinay Pratap Singh Negi：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念化。
Chennu Ranganayakulu：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、调查、形式分析、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们不存在任何可能被认为会影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本文所呈现的研究得到了印度拉贾斯坦邦皮拉尼校区比尔拉科学与工程学院的支持并允许发表。

Vinay Pratap Singh Negi | Chennu Ranganayakulu