飞机环控试验平台真空系统研究与应用
研究了飞机环控试验平台动态试验高度( 压力) 模拟对真空系统的要求，分析该真空系统的动态特殊性，给出了真空系统气量与高度模拟的动态数学模型。通过计算机软件和三维实体设计，建立了数字化的真空系统模型，通过模型仿真运转、优化设计，实现了工程化，并且取得实用数据。通过系统实施，建立了动态真空试验系统的设计模板，可以拓展应用到民用的化学气体输送、煤矿瓦斯抽放输运等工程。
真空系统是飞机环控系统试验中必不可少的主要设备。环控系统附件、全系统试验都有高度模拟的要求，需要相应高度的真空等环境。不同高度的环境大气压力是高空环境模拟中重要的参数。飞机在爬升和俯冲过程中随着高度的不同，外界环境压力都会相应变化。真空系统实现高空环境模拟，其设计形式、型号选择、控制方式决定了压力模拟的准确性和实时性。飞机环控实验是变真空、变流量的动态实验，在实验过程中有大量外界模拟气体进入系统，同时也有部分系统泄漏气体进入系统。我们据此特点对真空系统进行了研究和试验，并在工程化过程进行了优化改进，提出了拓展使用的方向和方法。
1、系统要求
飞机环控系统试验要求: 高空舱( 大舱) 容积600 m3，舱内供气9000 kg /h，要求真空系统能模拟从地面到12000 m 高度范围，以0 ～ 25 m/s 变化速率爬升、俯冲，环境压力从大气压1013 hPa 到180 hPa。真空系统应能适应跟随，不能出现抽气能力突变。
高空舱( 小舱) 容积12 m3，舱内供气3000 kg /h，要求真空系统有抽气到20000 m 高度对应真空的能力。
2、系统选型
分析系统要求可见，该系统为动态( 变真空、变流量) 模拟飞行器在空中爬升、巡航、俯冲等动作过程中即时的环境压力变化。
与一般真空系统要求有很大不同，一是整个工作模拟过程需要有高空舱外输入0 ～ 9000 kg /h 的试验气体，同时有系统泄漏气体进入系统。二是系统需用真空系统真空度变化大，从海平面大气压1013 hPa 到20000 m 高空54 hPa。抽气速率( 体积流量) 变化量范围很大，最大气量48000 m3 /h，最小气量2500 m3 /h，并且在此范围内连续可调，不能出现阶梯突变。
为此，本文通过空气动力学和真空物理学建立了分系统的设计模型，分别有高度变化与需用气量动态模型、系统气体压力流场与模拟点动态模型、复合真空泵组动态操控等。其计算模型见表1 - 表3。
表1 大舱需要气量计算模型
表2 小舱气量计算模型
组成真空系统的元素有真空泵、阀门、管线、控制系统等，其中最重要的是真空获得设备的形式、规格和配置选择。
表3 管线设计模型
根据充气量平衡原则，选用真空泵及机组组成复合真空系统，可以完成从海平面到20000 m 高空模拟过程中爬升、巡航、俯冲气量要求。同时对系统压力控制采用抽气节流控制和充气辅助调节方式，实现抽气速率的平稳化和压力控制精度。
3、真空系统设计方案
3.1、真空泵类别选择
从真空度、抽气量方面考虑，很多真空泵可以用于该系统的真空泵，比如: 旋片式真空泵、滑阀式真空泵、往复式真空泵、螺杆式真空泵、气冷罗茨泵等。但是该系统在使用过程中不断调整压力，同时在工艺过程中同时冲入补充气体，真空泵不断在极限真空度和大气压之间反复冲击。上述泵可能产生喷油、噪音增加等问题，不适合大质量流量工艺。本工程的前期曾经采用14 台滑阀式真空泵系统，因为工作模式的特殊性，造成喷油、噪音大、启动周期长等问题，基本不适合本工程需要。
经过比较、仿真后确定选用水环式真空泵作为主泵，适应变负荷、充气等工况。同时因为该类型的真空泵可以作为正压、负压状态气体输送泵，抽气范围广、抽气量平稳，满足试验高度范围内0 ～ 9000kg /h 气体流量。最大优点是该泵无油操作，噪音低，适应大型器件真空试验。根据试验区域供电情况和其它工程条件将系统配置成12 个工位( 与原来滑阀式真空泵房机位相同) 。经国内外同类工程比较，中外合作技术的SKA 型水环式真空泵在该类工程有显著优势。
系统也可以采用单台大型真空泵或者多台大型真空泵组合工作，但是组合工作时必然产生抽气速率梯度大、能耗高、难以精准控制有效抽气速率，可以作为其他静态( 恒真空、恒流量) 工程参考。
3.2、真空机组及组合
小舱试验真空度高，经常工作在100 ～53 hPa范围内，水环式真空泵虽然在该范围内可以工作，但是对于工况环境变得敏感，特别是工作液温度。但是工作现场又不能提供冷媒水，所以单独使用水环式真空泵将使系统变得庞大。为此我们选用气冷式罗茨泵与水环真空泵组成机组，实现高真空条件下具有高抽速。由1 台气冷罗茨泵和1 台水环泵组合成1 套机组，共4 套，该4 套机组的水环真空泵与8台独立的水环泵可以互相代替、互为备用，即任何1台水环真空泵可以与任何1 台空冷罗茨泵组合，满足试验要求。当模拟实验高度变化引起压力变化，可以单台或多台罗茨泵与单台或多台水环泵组成系统工作。这种组合方式使得抽气量平稳、真空度控制精准。系统原理图如图1; 系统组成三维图如图2。由标准化JZJS 型罗茨水环泵机组技术优化设计，专为该工程的机组为JQZE-1，已经应用于结冰风洞先导试验等工程，设备实用数据准确。
图1 系统原理图
图2 系统组成三维图
由独立水环真空泵、JQZE-1 型气冷罗茨-水环真空泵机组组成的复合型水环罗茨泵机组系统满足试验条件，同时适应原有场地条件和工程条件。专门为该系统设计的JQZE-1 型气冷罗茨-水环真空泵机组如图3
3.3、压力( 真空) 调整模式
压力( 真空) 调整控制以真空系统有效抽速实现，可以采用变频调速、真空泵组合运行数量、抽气管线节流、抽气管线充气等模式，或者几种模式组合。
各种模式各有特点:变频调速: 可以连续调整抽气量，但是对于大抽速真空泵，单台真空泵配用功率达到180 kW，总装机功率达到3000 kW，在经济方面投资大，控制程序复杂。最重要的是，真空泵运转速度在一定范围稳定，当运转速度过高、高低都会引起效能大范围变化，甚至可能引起非正常工作，变频调速只能在一定真空范围内进行，基本不适合该系统。运行真空泵数量组合: 根据试验的高度不同，计算机控制程序给出需要启动真空泵的数量，实行压力控制。该方法对于小型真空系统可行，但是对于大型真空泵，其启动时间( 进入正常工作) 较长，可能造成系统压力跟随滞后，影响试验效果。
抽气管线节流、抽气管线充气: 即通过改变抽气管线流导实现真空度改变。该系统的充气为变流量，为了保证试验气体组分符合环控实验要求，不能直接往舱内补气。所以我们采用抽气管线节流、充气相结合模式，有效控制舱体出口有效抽气速率，达到精确控制压力的目的。
图3 气冷罗茨-水环真空泵机组
图4 某一型号实验实测数据
4、系统实施效果
完成系统设计方案后，进行了系统的制造和调试。首先进行了真空泵和真空机组在工厂内单体测试实验，达到单体技术参数后，在环控实验平台进行总体组装和实验。在现场总体联调联试时，先行调整独立的8 台SKA 型水环泵，考验配置的供水系统、配电系统以及操控系统等。然后进行了JQZE-1机组运行试验，最后整体系统调试。实验数据证明SKA 型水环真空泵和JQZE 型罗茨-水环真空机组用于空间压力模拟，压力实现精准，操作简单。
图4 为某次试验数据，从中可以看到整个系统压力模拟准确，满足研究试验要求。该真空系统已经应用于国家多个重点型号飞机环控系统研制试验。
该系统同时可拓展使用，包括结冰实验、空中加油实验等。用于静态( 恒真空) 、动态( 变真空、流量) 等模拟系统实验。飞机环控实验平台真空系统研究，建立了仿真、模拟实验模型，带动了组合式真空系统的应用，满足国防装备开发需要，为大型真空动态系统设计提供了经验。整体系统设计、配置、实验方法推广，已经应用于国家基础工业的化学气体抽除、压缩、输送系统。用于乙炔、氢气、甲烷、乙醇、乙二醇等爆炸性气体的输送工艺，通过模型模拟、仿真，可以保证安全运转，实现节能、环保，满足煤炭、石油、化工等就工业新要求。
