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【摘 要】民机技术的高速发展和航空运输市场的激烈竞争，对型号研制提出了更高的要求，飞机系统也面临着进一步的优化升级。本文从定量分析和定性分析两个角度介绍了气源系统架构权衡分析方法，以支持型号研制初期，分析各供应商提供的方案架构，选取最优方案。
【关键词】气源系统；架构；权衡分析；燃油消耗率
【Abstract】With the rapid development of aircraft technology and fierce competition of air transportation，higher requirements are put forward to aircraft design，also the systems are faced with more optimization.A trade-off method to analyse bleed air system architecture in quantitative and qualitative points is introduced in this paper.Based on it，the different architectures from suppliers can be analysed and the best proposal can be chose in the early stage of the project.
【Key words】Bleed air system；Architecture；Trade-off analysis；SFC
0 绪论
随着生活节奏的加快，航空运输业正在发挥着越来越重要的作用。由于市场的驱动，民用飞机的研发也在面临着不断的技术革新。例如发动机的更新换代，推重比的提高，对气源系统的引气量提出了严格的限制，系统多电化成为了大型客机气源系统乃至环控系统发展的必然趋势。
波音公司研制的B787飞机采用了“多电”理念，大胆变革了气源系统，取消了传统发动机引气、APU引气和地面气源供气，只保留了发动机引气供给发动机短舱防冰系统，而采用电动压缩机为下游的空调系统提供压缩空气，其余用气系统（机翼防冰系统、燃油箱惰化系统等）则不再由气源系统供气。
但是B787飞机在创新背后也面临着研制及维修成本巨大，技术成熟度不高等問题。因此国内外主流气源系统供应商便想在“传统”和“多电”之间寻求创新，以期获得更多的飞机性能改善。对于这些新颖的架构，如何权衡性能的优劣，选取最优方案，成为了民机项目研制初期的关键。
1 权衡分析方法
在权衡研究过程中，最重要的是制定一个公认的标准作为做决定的基础[1]。对于气源系统设计阶段而言，关注的要素无外乎重量、功耗、可靠性和研发成本等。其中可靠性和研发成本在设计初期只能从供应商的技术能力、方案是否采用货架产品和项目支持程度等角度给出定性评估，无法作为决策的标准（但也是权衡过程中不容忽视的内容）。而重量和功耗可以从定量的角度转化为飞机燃油消耗率（SFC）进行分析，因此气源系统的架构权衡可以系统带来的燃油消耗率的差异为标准。
根据气源系统特征，权衡分析可从以下几个角度展开：
1）系统重量：架构不同，所选用的部件及其尺寸会有不同，重量必然也存在差异，重量的大小将直接影响飞机的燃油消耗率，气源系统的重量包括系统部件、高压管路及其附件等。
2）系统引气量：无论是从发动机引气还是从外界获取冲压空气，都会给飞机带来代偿损失，从而影响燃油消耗，典型气源系统的引气包括发动机压气机引气和风扇引气（多电架构为外界冲压空气）。
3）系统用电量：驱动部件所需的用电量的大小，影响到电源系统需从发动机获取多少电能，同样直接反应到燃油消耗。气源系统的用电主要来源于活门和传感器，在传统架构下用电量很小，若采用多电架构，则需充分考虑电压缩机带来的庞大用电量。
在考虑上述因素时，如若气源系统的架构变化带来了关联系统的架构或性能变化，则该系统也需在权衡分析中一并考虑。例如多电架构，会对空调系统、电源系统以及发动机带来巨大的变化。下文以发动机引气架构为基础阐述权衡分析方法，多电架构可在其基础上进行调整。
2 定量分析
2.1 用气量分析
气源系统的作用是将来自发动机的高温高压引气，调温调压后分配到用户系统，以满足用户系统的流量、压力需求。因此系统的用气可以分为两类：1）热端用气，即发动机压气机引气，供应到用户系统，包括空调系统、机翼防冰系统（按需）、燃油箱惰化系统和水废水系统等；2）冷端用气，即发动机风扇引气，用于对压气机高温引气的冷却。
热端用气量源于用户系统的用气需求，主要受用户系统构型、外界环境温度、飞行高度和下游接口系统需求等因素的影响（本文不一一展开），由用户系统提供，气源系统将需求反馈为发动机热端用气量。在进行燃油经济性评估时，通常考虑标准天巡航状态，且不考虑失效模式。
冷端用气量取决于热端用气量、预冷器性能以及发动机压气机和风扇端引气参数。预冷器的性能在设计初期若非货架产品则很难获取，可参考相似机型，或由供应商根据相关参数进行假设。发动机引气参数则需根据具体飞行状态及负载情况由发动机供应商提供。
2.2 重量分析
系统的重量分析需要建立在整体的布置及尺寸基础上，但项目初期数据匮乏，尤其是高压管路布局往往会晚于气源系统的设计，因此在进行重量预估时，可根据经验或供应商交流给出合理的假设。
管路的直径受到输送管路内气体最大流速的限制，与流量、温度成正比，与压力成反比。流量选值需要考虑不同引气构型下单侧发动机的最大引气需求（通常为单发供单包加两侧防冰构型）。温度和压力选值需要考虑各状态（可根据经验进行筛选）发动机引气参数及系统调温调压值，评估最严酷情况，选取气源系统各分段管路合适的管径值。
管路的长度与飞机外轮廓尺寸、总体布置方案、结构强度及安装需求等因素有关，在飞机外轮廓尺寸确定后，可进行相应的预估。
根据上述信息，结合部件及管路设计经验，参考相似机型重量信息，评估各架构下气源系统的重量（部件重量、管路重量和附件重量）。
2.3 用电量分析
传统架构的气源系统用电量很少，主要来源于活门和传感器，可根据部件设计经验、供应商沟通、相似机型调研等途径获取信息。而类似多电架构，在系统中增加了增压设备，则增压器的用电量需根据用气量、进出口压比和入口温度等参数评估增压器的功率。
2.4 SFC评估
燃油经济性是航空公司直接关注的指标，燃油成本约占航空公司总运营成本的40%，因此在飞机研发设计的每一个细节都需要考虑到燃油经济性。影响到发动机燃油经济性的因素有以下几点：1）引气负载，包括风扇空气、中压级引气、高压级引气；2）轴功率提取，即系统用电量；3）飞机重量。经由发动机供应商可获取1Ib/s风扇空气、1Ib/s中压级引气、1Ib/s高压级引气、1Ib重量、1kW耗电带来的发动机燃油消耗率的影响。
根据上文分析的用气量、重量和用电量对比，即可评估出气源系统不同架构带来的发动机燃油经济性差异。
3 定性分析
定量分析给出直观的燃油经济性数据对比，但只考虑定量分析数值，有可能会给项目研制带来不可预估的风险。因此定性分析在权衡阶段同样必不可少，可从如下几点进行评估（举例但非全部）：
1）技术成熟度
系统供应商在提出新架构的时候，对该架构的研发是否具有较为成熟的经验，若没有，则会带来部件开发，系统集成等风险，可靠性低，影响飞机整体项目研制进度及研制成本。当然供应商亦不可为了规避风险，选择陈旧方案，而不考虑研制周期内先进技术的发展。
2）对其他系统的影响
需要评估系统架构变化对关联系统研制的影响，如多电架构和传统架构相比，气源系统的变化带来了空调系统入口温度、压力的变化，从而影响了空调架构。同时取消了发动机引气口，增大了发电机功率提取，对于发动机核心体结构、空气系统、间隙控制等都带来了很大的影响。
3）安装布置风险
如果架构变化带来了系统尺寸的改变，是否会对发动机短舱、吊挂、机翼前缘、翼身整流罩等区域的安装布置产生影响，也需要在权衡阶段给出评估。
4 总结
经过定量和定性两个角度的权衡分析，即可初步评估出架构方案的优劣。以传统架构和多电架构为例，相对传统气源系统，虽然多电系统通过直接从发动机提取电功率实现系统供气，效率较高，代偿损失较小，燃油消耗率较低。但是多电系统为了匹配包括电动压缩机在内的全机用电需求，需要更大的发电机，庞大的发电机组带来的重量增加，抵消了一部分燃油优势。未来，随着多电架构下电源系统的重量降低和大量用电设备带来电子设备冷却设计和电源系统输配电设计的成熟化，届时多电技术相比传统气源系统将更具优势。
【参考文献】
[1]趙净净.民用飞机研发过程中的权衡研究[J].科技创新导报，2011：5.
[责任编辑：田吉捷]