多電飛機電動環境控制系統設計研究綜述

楊建忠，歐陽晶鵬，陳希遠，孟繁鑫，王磊，劉璐萱

（1.中國民航大學 安全科學與工程學院，天津 300300）

（2.航空工業金城南京機電液壓工程研究中心航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，南京 211106）

（3.上海飛機設計研究院 環控氧氣部，上海 200135）

0 引 言

隨著傳統能源危機的加劇和環境問題的日益突出，航空業的持續發展對環境的影響問題越來越受到重視，社會各界越來越關注航空業的環保性，多電飛機應運而生。多電飛機是用電能代替集中式的液壓能源和氣壓能源，使各種二次能源統一為電能。飛機環境控制系統（簡稱環控系統）是飛機中的高能耗系統，傳統的環控系統采用發動機引氣作為循環介質，由環控系統引起的能耗約占發動機軸功率的2%～5%，個別飛機在特定狀態下甚至達到了20%，導致發動機的能量使用效率較低。作為“多電飛機的先鋒”——B787的環控系統革新性地采用了一種新的無引氣系統架構，這種架構取消了傳統的引氣系統和引氣管道，將以前由引氣提供動力的大部分功能的動力源改為電能。電動環控系統相比傳統環控系統在減少燃油消耗方面更具優勢，同時也讓飛機的發動機能更有效的產生推力。多電飛機理念的提出必然會引起系統和部件層面的變化，系統架構如何設計才能得到理想架構？如何去權衡這些新穎的系統架構？而架構層面的改變也必然會引起系統部件的改變，系統中的關鍵部件需要什么樣的性能才能滿足系統架構的要求？這些都需要設計人員去斟酌考慮。

本文針對多電飛機的電動環控系統，討論其系統組成和相關研究進展。B787作為多電飛機的先驅，率先采用了電動環控系統的理念，本文對B787電動環控系統進行范式分析，展示電動環控系統的基本模式和基本結構；通過對國內外電動環控系統設計的綜述，討論目前電動環控系統的架構設計與權衡，并介紹目前電動環控系統關鍵部件的關鍵技術研究現狀。

1 典型電動環控系統范式分析

傳統的環控系統采用發動機引氣驅動，消耗的發動機功率較大。B787電動環控系統取消了發動機引氣，并采用電機驅動壓氣機壓縮沖壓空氣作為高壓氣源，從而減少了預冷器、管道、閥門等部件，B787電動環控系統示意圖如圖1所示。電動壓氣機C1將低溫低壓的沖壓空氣進行壓縮，并伴隨著溫度和壓力的升高，壓縮空氣在初級換熱器HX1中冷卻，并在壓氣機C2中進一步壓縮；隨后空氣進入次級換熱器HX2進行冷卻，通過回熱器RH和冷凝器CON的熱側，形成冷凝液；在進入水分離器WS后，收集的冷凝液噴入次級換熱器HX2的冷側，以增強傳熱效果。出口干燥空氣在通過回熱器RH冷側后，在渦輪T1中進行降溫降壓。冷空氣進入冷凝器CON的冷側，然后在渦輪T2中膨脹，最終滿足通風空氣溫度和壓力的要求。電風扇利用沖壓空氣為初級熱交換器和次級熱交換器進行散熱。

圖1 B787電動環控系統［3］Fig.1 B787 electric environmental control system［3］

波音公司研制的B787飛機率先采用“多電”理念，大膽革新環控系統，用電動壓氣機壓縮的沖壓空氣替代傳統的發動機引氣，作為環控系統的高壓氣源。然而，B787飛機在創新的背后卻面臨著研發維護成本巨大、技術成熟度低等問題，因此，系統供應商希望在“傳統”和“多電”之間尋求創新，以獲得更多的飛機性能改進。如何設計出理想的系統架構是其中的關鍵。

2 電動環控系統的架構設計與權衡

2.1 架構設計

以往的架構設計方法一般是依據工程經驗參照現有的系統架構進行優化，提出新的系統架構。T.C.O'Connell等提出了一種基于多電飛機環境下的混合型環控系統架構，它是利用多電飛機的一個重要系統——自適應動力與熱管理系統（Adaptive Power and Thermal Management System，簡稱APTMS），如圖2所示。該系統可以控制主發動機起動、輔助動力系統、應急動力系統以及包括冷卻系統在內的飛機熱管理系統。此外，通過適當的控制還可以實現對峰值電功率和再生電功率的管理功能。APTMS的目的是采用自適應的組合動力單元，調整其工作模式，便于以最高效率和成本最低的方式為整架飛機服務。在環控系統中，它可以在系統架構中平衡發動機引氣和電能的使用，自動適應飛機條件的變化，優化調節系統功能。當引氣相對“便宜”時（即與其他可用的能源相比，花費最低油耗），就使用引氣；當使用引氣更耗油、使用電能更省油時，就會減少使用引氣并使用主發動機的電功率驅動系統。通過適當的控制，這種策略可以找到使用引氣和使用電能的最有效平衡，延長飛機的航程并提升飛機性能。

圖2 APTMS架構［5］Fig.2 APTMS architecture［5］

Yang H等基于B787電動環控系統提出了一種新的架構，如圖3所示，即從機艙排出的空氣中回收能量，并將其轉化為軸功率，對新鮮空氣進行預增壓。通過分析比較，該方案與B787原方案相比，可節省輸入功率，降低對發動機功率的需求。

圖3 新型電動環控架構［3］Fig.3 New electric environmental control architecture［3］

隨著環控系統從傳統環控系統架構到電動環控系統架構的轉換，這一過程涉及很多變化，不僅局限于引氣方式的改變。例如，通過入口從外部吸入的空氣會產生需要評估的額外阻力。而且盡管通過拆除一些閥門和管道可以減輕重量，但是另外增加了其他部件，如臭氧過濾器和專用壓氣機。雖然通過減少發動機引氣來達到更好的燃油效率，但需要提取更多的功率來供給壓氣機。傳統環控系統到電動環控系統的轉變導致架構選擇成幾何數量的增長，以往根據工程經驗來進行架構設計就不適合了。因此，需要對環控系統架構設計進行量化，通過一種標準方法在邏輯上從需求到最優環控系統架構的選擇和建模。C.Frank等依據集成產品與過程開發（Integrated Product and Process Development，簡稱IPPD）（如圖4所示）提出了一種環控系統架構設計方法，其總體思路是利用質量工程和系統工程中的方法，將需求與工程特性對應起來，并通過這些方法，確定重點，量化工程特性。此外，該方法能描述出每個需求與工程特性之間復雜的相互關系?；谶@些關系，就可以得出可行的架構，進而在這些架構中評估得到理想的架構。整個圖表流程可以總結為五個關鍵步驟。

圖4 集成產品和過程開發［6］Fig.4 Integrated product and process development［6］

首先是確認需求等級，將不同需求分為三類需求：舒適性、安全性和經濟性，如圖5所示。顯然安全性在這三類需求中占主導地位，因此可以將各類需求按重要性進行等級劃分。

圖5 確認需求等級［6］Fig.5 Requirements ranking［6］

然后是確定工程特性，此步驟的目的是將需求與功能分解階段聯系起來。在確定了需求之后，將它們轉化為可量化和可測量的對等參數，這些可量化和可測量的參數稱為工程特性。一旦確定和定義了工程特性，它們就可以分為不同的類別，例如法律法規、客戶需求、工業標準以及內部需求。

確定了需求等級和工程特性，但是它們之間缺少相互聯系。第三個步驟則利用質量屋將需求與工程特性聯系起來，如圖6所示。將需求放在表格的左側，將工程特性放在表格的上方，依據需求等級和需求與工程特性之間的相關性即可確認工程特性的重要性和排名。

圖6 需求與工程特性的映射［6］Fig.6 Mapping between requirements and engineering characteristics［6］

第四個步驟利用了一種形態學矩陣法，將之前的工程特性按重要性和邏輯順序進行排列，形成系統功能和子功能，并列出每個功能所有可能的物理解決方案，并設置多個約束，進行排列組合得出所有可能的系統架構方案。

第五個步驟需要在這些備選的架構方案中選出最理想的方案，使用了一種多標準決策分析方法——逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，簡 稱TOPSIS），它是根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是對現有的對象中進行相對優劣的評價。最終通過決策方法得出理想的架構，如圖7所示。

圖7 理想架構［6］Fig.7 Best alternatives［6］

從發表的文獻來看，國內外對環控系統的架構設計方法進行了探討，主要分為兩種方法：一種是根據工程經驗基于現有架構進行優化的架構設計方法，另一種是基于系統工程方法的架構設計方法。兩種架構設計方法都不單只是針對電動環控系統架構或者傳統環控系統架構。但是第一種方法相比于第二種方法缺乏系統的思想，局限于某些特定架構。第二種方法是一種自上而下的架構設計方法，從需求到最后的架構選擇是一整套邏輯的方式，相比于第一種方法更適合選擇出理想的架構方案。通過這些方法，不但能大幅減少設計人員的設計成本，還能得到相比傳統架構的更具優勢的新穎架構。然而這些新穎的架構仍需更多的研究和試驗去驗證。

2.2 架構權衡

環控系統一直是飛機中的高能耗系統，因為它消耗了很大一部分發動機能量。電動環控系統改變了傳統發動機引氣，利用電能代替氣動動力。研究人員試圖通過合適的方法來權衡比較電動環控系統與傳統環控系統。蔣亮亮以環控系統中的引氣系統為例，從定量和定性兩個角度分析，定量分析中考慮用氣量、重量、用電量和SFC，定性分析中評估技術成熟度、安裝布置風險以及對其他系統的影響。經上述權衡分析，即可初步評估出架構方案的優劣。當初步架構評估結果出來后，研究人員即可對架構進行再優化。C.Crabé等對電動環控系統進行分析，開發了一種計算方法，通過考慮沖壓空氣對飛機阻力的影響，研究電動環控系統對飛機任務性能的影響，并基于懲罰分析方法將系統性能影響轉化為燃油重量增量。將這種方法對中短程飛機的電動環控系統與傳統環控系統進行了比較，結果表明，雖然電動環控系統在發動機性能方面更具優勢，但是傳統環控系統在飛機總體燃油性能方面更具適應性。Jiang H等利用火用分析，討論了電動環控系統與傳統環控系統的能量提取對燃油消耗率的影響。在提取相同量的火用情況下，電動環控系統會產生更高的燃油消耗率。因此，從發動機的角度來看，傳統環控系統更有效。然而，由于電動環控系統效率更高，它比傳統電動環控系統需要更少的發動機能量。盡管這是一個相對較小的數字，但考慮到推力和飛行時間的可觀數量，總油耗不容忽略。結果表明，由于電動環控系統的能量提取對發動機的影響較小，具有更大飛行剖面范圍的更大規模的飛機獲得了更高的效率增長，從而使電動環控系統具有更高的能量效率。C.Cavalcanti從重量、系統價格、功率和燃油消耗等方面分析傳統環控系統和電動環控系統，將分析結果放入文獻［11］中提出的工具來評估電動環控系統架構與傳統環控系統架構對直接運營成本的影響。研究表明電動環控系統導致系統重量和成本增加，但是相比傳統環控系統發動機有更優的能量效率；同時飛機的尺寸越大，采用電動環控系統的優勢越明顯。

綜上，國內外研究者對比分析了傳統環控系統與電動環控系統之間的優劣，得到電動環控系統相比傳統環控系統重量有所增加，但是電動環控系統在發動機的效率利用上更有優勢，當飛機飛行任務范圍越大、飛機載客量越大，這個優勢越能體現。

3 電動環控系統關鍵部件關鍵技術研究現狀

電動環控系統取消了傳統環控系統發動機引氣的相關部件，增加了高速電機與壓氣機等部件。而電動環控系統的引氣來源就是通過高速電機帶動壓氣機將外部的低溫低壓空氣轉換為高溫高壓的沖壓空氣，因此高速電機和壓氣機是電動環控系統的關鍵部件。高速電機和壓氣機的關鍵技術主要體現在壓氣機高增壓比、壓氣機防喘振、高速電機冷卻和降噪等方面。

3.1 壓氣機高增壓比技術研究現狀

電動環控系統采用高增壓比壓氣機技術，以滿足環控系統的氣源要求。具有高功率質量比的離心式壓氣機是電動環控系統的最佳選擇。大型離心壓氣機已經成功在軍事和商業中應用，然而滿足飛機需求的小型離心壓氣機還存在諸多問題，如何提高壓氣機增壓比是其難題之一。

葉輪是壓氣機里唯一的旋轉器械，是影響壓氣機性能的主要部件，已有諸多研究者針對葉輪進行了研究。F.Gui等率先采用一種具有復合曲率的優化三維葉輪葉片和無接觸、無潤滑的磁性軸承的離心式壓氣機，有效改善壓氣機的壓力比、流量范圍和效率，減少了壓氣機的尺寸和重量；田紅艷等對比研究無掠葉型葉輪和尾緣掠型葉輪，結果表明尾緣掠型葉輪能夠有效提升壓氣機壓比；A.Khan等對高增壓比離心式壓氣機進行了三維數值模擬研究，分析葉輪子午線和葉片厚度對高轉速下的離心式壓氣機性能參數的影響，研究表明合理的葉輪子午線設計是提高離心式壓氣機增壓比和效率的重要參數；K.Ekradi等利用神經網絡和遺傳算法結合CFD，首先定義葉輪葉片的幾何參數，以葉輪的等熵效率為目標函數，將壓比和質量流量定義為約束條件，結果顯示優化后的葉輪能有效提高壓氣機的增壓比和效率；Mu G等研究離心式壓氣機葉輪進口角度的變化對壓氣機性能的影響，研究表明進口角度越小，壓氣機增壓比越大；唐新姿等通過對離心壓氣機葉輪的主要幾何參數進行相關性分析，選取對壓氣機氣動結構性能影響較大的葉片進口角、出口角、包絡角以及葉頂間隙等幾何參數作為優化變量進行多目標優化，結果表明優化后的葉輪有效提高了壓氣機的效率和增壓比；康達等研究了分流葉片長度和周向位置對高壓比離心壓氣機性能的影響，結果表明采用60%長度和60%周向位置的分流葉片方案可獲得最佳壓比和效率。

然而，隨著離心式壓氣機負荷的增加，擴壓器會受到從葉輪排出的強三維非均勻非定常流的作用而降低離心式壓氣機的效率。因此，擴壓器成為制約離心壓氣機性能提高的主要因素。擴壓器通常分為無葉擴壓器和有葉擴壓器，有葉擴壓器能獲得更大的減速增壓效果，同時減小摩擦損失。張勇等、Zhang Y C等分別對只帶有無葉和有葉擴壓器的某離心壓氣機進行了對比研究，表明有葉擴壓器的離心壓氣機相比無葉擴壓器的離心壓氣機能獲得更高的增壓比；鄭夢子等研究發現適當減小擴壓器出進口寬度比可改善擴壓器內部流場，提高擴壓器出口流動性和離心壓氣機性能；張梅等研究某型總壓比為11的離心式壓氣機，探究楔形擴壓器進口安裝角對壓氣機性能的影響，結果表明采用較大的正沖角、曲線輪廓楔形擴壓器能有效提高壓氣機增壓比；馬超等對某型有葉擴壓器的不同葉片厚度分布對壓氣機性能影響進行了分析，發現葉片最大厚度分別位于75%和50%弦長位置方案最佳；Wang Y等研究發現楔形擴壓器葉片數越多對提高壓氣機增壓比越有利，當發散角為8.3°時，壓氣機級的性能最佳；Han G等對比研究管式擴壓器和楔形擴壓器的離心壓氣機，結果表明高轉速下的離心壓氣機，管式擴壓器較楔形擴壓器有更好的性能。此外，眾多研究表明，管式擴壓器是解決高壓比離心壓氣機擴壓器設計難題的有效手段。韓戈等探討了管式擴壓器的國內外研究進展，指出了管式擴壓器的發展趨勢。

可以看出，目前離心式壓氣機增壓比提高的方式主要是通過優化葉輪與擴壓器的結構來達到改善壓氣機內部流場、提高壓氣機的效率，從而達到提高壓氣機增壓比的目標。但是其目標實現的過程是通過不斷調試部件參數來得到預計結果，這會損耗大量的計算資源，且只能表示部件中的某些參數能對壓氣機的性能改善，具有一定的局限性。

3.2 壓氣機防喘振技術研究現狀

飛機在運行過程中，壓氣機進出口的流量、壓力等熱力參數會發生動態變化；當壓氣機轉速、流量降低到一定值時，壓氣機葉片會產生氣流分離的現象，導致壓氣機正常運行時突然出現喘振，造成葉片振動強烈并產生很大的噪聲，造成出口壓力波動，導致壓氣機性能下降，甚至會導致產品產生不可逆的損壞；因此，應盡可能的避免喘振現象的發生。

為避免喘振的發生，需要控制壓氣機的內部流場，流場控制分為主動控制和被動控制，其中離心式壓氣機部件的優化設計是流場控制中的被動控制，通過建立CFD模型，設置優化目標，利用機器學習算法不斷調試模型的參數，從而達到目標要求，如圖8所示。

圖8 優化流程［15］Fig.8 Optimal process［15］

文獻［15-23］的研究結果表明，離心式壓氣機優化后的部件能夠改善壓氣機的性能，增大壓氣機的喘振裕度，降低喘振發生的概率；Sun Zhenzhong等對帶葉片擴壓器的離心壓氣機的流動不穩定性進行了實驗研究，并對全工況下的不穩定性誘因和機理進行了詳細的介紹和分析，結果表明，帶葉片的擴壓器對壓氣機的穩定性有很大影響，在中等轉速下，擴壓器進口區域的流動不穩定性與深喘振的發生密切相關。因此，如果能抑制這種流動不穩定性，就有可能延遲深喘振的發生，并在中等轉速下擴大流動范圍；G.Likiewicz提出了可用作流動不穩定性指標的參數概念，利用該參數可以進一步發展為基于該參數識別喘振之前局部流動不穩定性的高效防喘振系統。

此外離心式壓氣機防喘振控制是流動控制的主動控制，其目標是將復雜的系統模型轉換為一組數學模型，從而達到通過控制輸入實現目標控制，如圖9所示。

圖9 系統模型辨識與控制Fig.9 System model identification and control

呂立博提出基于模糊控制理論的離心壓氣機控制方案，較全面地考慮了壓氣機運行中可能發生的問題，使能源有效利用，改善防喘振品質，保證壓氣機的負荷滿足工藝要求；王傳鑫在深入研究了離心壓氣機的工作原理和特性的基礎上，針對當前離心壓氣機喘振控制中存在的一系列問題提出了系統的解決方案；強明輝等通過對引起離心壓氣機喘振現象原因的分析，提出了離心壓氣機喘振智能控制方法，該方法采用氣壓和轉速雙閉環控制，氣壓閉環采用模糊PID控制，轉速閉環采用模糊自適應PID控制；Xiao Lingfei等提出了一種用于壓縮系統主動喘振控制的非線性控制器設計方法；Wang Xiaogang等針對壓氣機防喘振切換控制的切換點主要由人工經驗選擇的問題，提出了一種自動確定防喘振切換點的方法；M.A.Asadzadeh等針對低質量流量的離心式壓氣機容易出現喘振不穩定性的特點，提出了一種基于模糊-Ⅱ的主動喘振控制器，在控制和建模不確定性方面具有更大的潛力；A.Cortinovis等提出了一種基于模型預測控制的壓氣機防喘振控制系統——轉矩輔助防喘振控制（Torque Assisted Anti-Surge Control，簡稱TASC）；劉佳佳在研究了離心式壓氣機工作原理和調節方法的前提下，深入分析了造成喘振的內部原因和外部原因，針對傳統PID防喘振控制中操作范圍較窄的問題，提出采用非線性預測控制實現離心式壓縮機的防喘振控制。

從上述研究可以看出，目前國內外主要通過研究壓氣機內部部件參數，不斷進行迭代計算從而達到滿足壓氣機防喘振的目標收斂條件，但是此方法計算量較大，耗費大量資源。此外，也有研究人員從流動控制理論入手進行研究，來達到壓氣機防喘振控制的目標，依據實驗或仿真建立模型，通過設計各種控制律來實現壓氣機防喘振的要求，但是模型的準確性與控制律的設計仍需不斷研究和完善。

3.3 高速電機冷卻技術研究現狀

高速電機作為電動環控系統中的核心部件，在高速電機運行狀態中其損失的能量會作用在電機的部件上從而產生熱量；電機溫度升高不僅會使電機效率降低，并且過高的溫升會引起永磁體不可逆退磁及加速電機零部件老化等現象，影響電機的安全運行，因此對電機設計和優化的過程中，不僅要準確計算出由電機損耗產生的熱量，還要對電機散熱系統進行改善，提高電機的散熱能力，確保電機能在合理的工作溫度下運行；電機冷卻已經成為電機設計及優化時必須考慮的問題，特別是在高速電機中，冷卻系統的設計尤為重要。

高速電機內溫度場的預測是進行冷卻結構設計的前提和保障。為了進行電機的冷卻結構設計，需要首先對電機的散熱和溫度場進行預測。秦萌青采用簡化公式法對電機溫度場進行了計算，其本質是一種參數集中的設計方法，無法反映電機內部多場耦合的微觀流體及傳熱規律；王北社等采用等效熱路法計算了高功率密度異步電機的溫度場分布；龐聰等提出了等效熱路法與流體場結合的電機溫升分析方法，等效熱路法相較于簡化公式法更加精確，但是此種方法仍無法精確預測電機內部的多物理場耦合規律及電機內部的非定常、非穩態流場；孔曉光等運用有限元方法，計算了考慮流固耦合效應的高速永磁同步電機的電氣損耗，其中包括高頻附加損耗和轉子空氣摩擦損耗；Chen Yanqing等基于3D有限元法和多場耦合理論，在綜合考慮電磁場—熱場—流場的耦合效應下，對永磁同步電機溫度場進行了計算；蘭志勇等通過ANSYS等軟件對高速永磁同步電機建立三維穩態溫度場有限元分析，通過多物理場耦合分析，得到電機溫度場分布情況，但其忽略了電機溫度的軸向傳遞，并且將電機內部所有流體的流動全部歸為定常流動；黃孝鍵和Wang Xiaoyuan等研究了電機內部溫度場對轉子動力學的影響規律，探索了電機內部熱場—結構耦合機理，通過傳遞矩陣法和有限元法給出了轉子臨界轉速。

冷卻結構系統設計在高速電機中主要包含電機冷卻結構、冷卻方式的設計。根據冷卻方式的設計可以分為空氣冷卻、液冷和蒸發冷卻，如圖10所示。冷卻結構需要根據冷卻方式的選擇來進行相應的設計，冷卻方式可以互相組合來滿足冷卻指標的要求?？諝饫鋮s結構簡單、維護方便，應用廣泛。

圖10 三種冷卻結構Fig.10 Three cooling structures

Zhang X等采用空氣冷卻方式對一臺30 k W、96 000 r/min的高速永磁電機設計了一套風冷冷卻結構，在定子槽內設置內風道，機殼外設置外風道，通過風扇將冷卻空氣吹向內外風道，以達到冷卻的結果；A.Arkkio等將定子鐵芯分為兩段，風扇將冷卻空氣從定子鐵芯中間和定子兩端流入，形成軸向和徑向的混合通風結構；邢軍強、Dong J等和邱洪波分別設計了相同的冷卻結構，在環形繞組的內外槽中開設冷卻通道，冷卻通道內可通入冷卻空氣，帶走定轉子熱量。但是，采用空氣冷卻方式會隨著電機單機容量的增大，增大電機的通風損耗值，導致電機效率降低。

佟文明等研究了軸向和周向螺旋型水冷系統，得到了水冷系統的流速、流阻及溫度分布，在采用螺旋型水冷結構的基礎上，對電機的流體場和溫度場進行計算，分析了水道數、水道寬度、冷卻水速及冷卻水溫對電機溫升的影響，從而為高速電機水冷系統設計提供了參考；王琳研究了三種液冷的冷卻結構，設計了一套新型水冷冷卻結構，通過對比分析不同數量冷卻槽的電機下的溫度場分布情況，確定了合理的冷卻管道數量，以及滿足散熱指標的最小管道內水流速大小。但是采用液冷方式會存在導熱介質外漏的現象，泄露的介質會對電機系統產生腐蝕并對外界環境造成污染。

針對液冷系統的缺點，可以采用蒸發冷卻方式，浸入式蒸發冷卻和強制內冷是蒸發冷卻系統的兩種常見結構。然而，浸入式蒸發冷卻需要大量的制冷劑和轉子與定子之間的隔離套管，而強制內冷則需要具有空心導體的特殊繞組結構。這兩種結構都會在系統中引入額外的設備，增加系統的復雜性和重量，故不適用于飛機電動環控系統。Duan C等提出了一種新型的蒸發冷卻結構，采用普通螺旋通道結構作為冷卻結構，通過電機驅動的壓縮機將制冷劑注入螺旋通道內，實現蒸發冷卻，該結構無需引入額外的制冷劑和外部電源裝置來完成冷卻循環，從而為蒸發冷卻結構的改進提供了有效的途徑。

此外，有研究人員將兩種冷卻方式結合起來進 行 冷 卻 結 構 的 設 計，Zhang F等以 一 臺1.12 MW，18 000 r/min的高速永磁電機將風冷和水冷方式結合，設計了混合通風螺旋水道、軸向通風螺旋水道以及軸向通風直槽水道三種散熱方案，對三種方案的溫度分布進行了比較與分析，為高速電機的混合冷卻結構設計提供參考。

綜上，國內外針對高速電機及其部件的熱負荷計算和冷卻結構設計開展了大量研究，針對電機內部溫度場、流場進行了分析計算，并在此基礎上設計了相應的冷卻結構，但是目前對電機內部多物理場耦合、流體的非定常非穩態流動、冷卻介質與電機表面的復雜對流換熱規律尚缺乏定量的研究。此外，目前電機冷卻結構的設計均是先根據工程經驗假定冷卻結構的參數，再進行正向計算，根據計算結構反復“試湊”，直到得到能滿足冷卻性能要求的參數。這種方式會耗費大量的計算資源，已成為目前該領域的技術瓶頸。

3.4 降噪技術研究現狀

多電飛機電動環控系統采用高速電機驅動壓氣機替代了傳統發動機引氣，使飛機結構優化，但增加了新的噪聲源，使飛機產生的噪聲進一步加大。為降低該系統運行噪聲，國內外針對電動環控系統的壓氣機、電機和氣流管道部件進行了噪聲優化設計。

對于壓氣機噪聲，李小燕首先考慮通過配置壓氣機葉片數量和改變傾角的辦法來優化壓氣機結構從而降低噪聲，但是改變結構的同時意味著改變壓氣機的功率及其效率，其功率和噪聲之間的平衡點值得進行更深入的研究；張建華等、Jiang Y Y等從壓氣機結構中的蝸殼出發，通過一定程度的優化蝸殼構型或者通過在蝸殼內安裝一定的吸波材料也可以降低系統產生的噪聲，但更改蝸殼結構需要綜合考慮效率、制造、造價、符合性驗證試驗、維護等多個方面的因素，實現起來有一定難度。

對于電機噪聲，目前主要存在機械噪聲和電磁噪聲。降低機械噪聲，對材料和安裝工藝要求較高；降低電磁噪聲，合理選擇定轉子的槽配合、改變定子的繞組型式、合理選擇氣隙長度、合理選擇轉子斜槽度和改變轉子的槽形等方式均可有效抑制。

對于氣流管道降噪，蔣從雙等利用錯位微縫板可以在較厚板上實現較好的吸聲性能；趙海衛基于汽車管道降噪論證了幾種安裝在管道前后的消音裝置方案，得出了效果最好的一組方案：前消亥姆霍茲共振腔結構和后消阻抗復合型結構組合方案，但是實際上將此類消聲結構應用到飛機上的案例并不多，該方法在飛機環控系統中的可行性需要進行進一步的方法論證。

4 展 望

綜上，國內外針對多電飛機電動環控系統的研制開展了諸多研究，在系統層面，大多數研究集中在電動環控系統架構的權衡與評估；在部件層面，壓氣機高增壓比、壓氣機防喘振、高速電機冷卻和降噪四個方面受到了廣泛的關注。結合目前的研究現狀，針對多電飛機電動環控系統未來的研制進行展望如下：

（1）在進行飛機電動環控系統的架構設計時，必須站在整機能量管理的角度進行收益的權衡，因此，電動環控系統架構設計已成為一個需要考慮能量、重量、安全性、功能性能、運行場景等因素的多變量、多約束、非線性的復雜系統優化設計問題，工程師在進行系統架構設計時，如果僅憑主觀經驗進行迭代設計往往會耗費大量的資源且難以達到最佳效果。因此，發展集成化、自動化的多電飛機電動環控系統架構設計與評估工具，從而高效地實現電動環控系統最優架構的設計與選取，已成為未來國產電動環控系統研制的必然趨勢。

（2）由于采用電動環控系統會使環控系統與飛機其他系統發生交聯，并會顯著增加飛機的功能復雜程度，這無疑會對適航符合性驗證中針對系統各類失效狀態開展的安全性評估工作提出挑戰。由于環控系統架構的設計需要迭代進行，如果根據工程經驗進行安全性分析，則會耗費大量的時間成本。隨著基于模型的安全性評估（Model Based Safety Analysis，簡稱MBSA）技術的發展，如何利用MBSA理論將多電飛機電動環控系統模型與安全性評估模型進行自動耦合，使得工程人員在進行架構設計時能夠自動地對架構的安全性進行評估，是未來電動環控系統適航符合性驗證的挑戰。

（3）在目前電動環控系統的關鍵部件設計中，壓氣機單機增壓比的提升、壓氣機防喘振、高速電機冷卻結構設計、降噪等方面大多是基于正向計算開展的，即設計人員預先設定一個CFD計算的邊界條件，再根據工程經驗評判計算的結果是否符合設計目標，這樣的設計過程需要耗費巨大的計算資源且難以達到最佳。因此，如何發展具有高保真度的CFD代理模型技術，并將其與優化算法相結合，將基于人工經驗的“正向試湊設計”變為自動高效的逆向設計，根據最優的設計目標自動地完成所需邊界條件的求解，是未來國內電動環控系統關鍵部件設計中的發展趨勢。

5 結束語

通過回顧國內外關于電動環控系統的設計研究，指出目前電動環控系統設計中架構設計與權衡為主要研究方向，關鍵部件中的關鍵技術主要體現在壓氣機高增壓比、壓氣機防喘振、高速電機冷卻和降噪四個方面，并指出目前存在的一些不足，對今后的發展方向進行了探討與展望。旨在通過集成化的工具大幅減少研制成本，推動系統設計向智能化方向發展。電氣系統是未來民用飛機的重要發展方向，本文可以為國內研制電動環控系統提供參考。