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天大科研团队打造“呼吸系统” 助力大飞机起航
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来源: 天津北方网 作者:靳莹 朱宝琳 编辑:段玮 2018-02-20 07:44:09

内容提要:国人期盼已久的国产大飞机C919即将起飞。其座舱环境控制系统,即飞机的“呼吸系统”,包括空气分配设计方案的数值仿真和优化设计,由天津大学科研团队完成……

  天津北方网讯:国人期盼已久的国产大飞机C919即将起飞。作为中国首款按照最新国际适航标准研制的干线民用飞机,C919的设计性能超过了大部分同类机型。其中,它的新型空气分配系统让空气“更清新”。与主流传统大飞机相比,优化设计获得的C919座舱内空气新鲜度提高了20%,乘客的热舒适满意度从70%左右提升至近90%。这套座舱环境控制系统,即飞机的“呼吸系统”,包括空气分配设计方案的数值仿真和优化设计,由天津大学科研团队完成。

  打造大飞机“呼吸系统”

  据技术人员介绍,大飞机的座舱环境质量直接影响着乘客的健康和舒适程度,万米高空中,空气稀薄,机舱内外气压差增大,同时,飞机从起飞到巡航的十几分钟之内,外部大气温度变化超过70摄氏度。因此,保证大飞机空气环境控制系统的可靠性,尤为关键。

  天津大学的任务就是在大飞机的总体设计方案成型后,对座舱环境控制系统中最关键的空气分配进行数值仿真和优化设计,用科学的分析来确保方案的“落地”,让乘客无论坐在哪个位置上,都能呼吸到干净的空气,且体感热舒适指标适宜。

  天津大学环境科学与工程学院教授刘俊杰介绍说,C919的亮点之一,就是运用了新型空气分配系统,让空气更加干净、新鲜、均匀。出风口采用了最新的设计,从机舱顶部和行李架侧面同时送风,不但加快了空气流动,还减少了乘客“冷热不均”的不适感。“空客、波音飞机的参考数据以西方乘客的舒适体感温度为主,我们则更多地积累了中国人热舒适满意度的数据,让中国乘客的热感觉更舒适。”

  拥有世界唯一整机座舱实验平台

  据悉,目前国际上对民用航空器内部环境控制的研究及相关系统的开发,主要集中在以波音飞机制造集团、空中客车飞机制造集团和前苏联民用飞机制造企业等相关专门研究机构。但除“波音787”外,其它机型只能对空气进行温度控制,“波音787”开始实现了温湿度、空气洁净度控制。我国在大型民航飞机的研究和生产刚刚起步,还未有针对机舱环境的专门研究平台和研究方向。2008年,天津大学礼聘“长江学者”客座教授,美国普度大学教授陈清焰来校工作。陈清焰同时担任“美国客机机舱环境研究中心”主任,该中心联合美国7所大学开展了机舱环境控制领域的研究工作,具有国际领先水平。

  他到天津大学工作的唯一要求是,需要“一架适航的飞机”,连他自己都没想到,学校爽快地答应了。停泊在天津的“麦道82”大飞机是他科研生涯中一个最特别的实验室,让他回国工作的“一腔热血”终有了一方安放的沃土。这也是目前世界上唯一的整机座舱环境控制系统实验平台。该实验平台最初为波音公司做过相关科研测试,后于2009年参与了C919大型客机的座舱环境数值仿真和优化设计工作。

  “希望从基础研究开始,扎实稳进地为祖国的大飞机事业做点事。”陈清焰当时表示。如今,陈清焰在天津大学领衔的“座舱空气革新性环境研究中心”已经颇具规模,汇聚了一批中青年学者。

  要飞得舒服让机舱环境可设计

  刘俊杰是室内空气环境质量控制天津市重点实验室主任,也是陈清焰教授在国内开展工作的“最佳搭档”。

  “我们的目标是做世界上最舒适、最干净的座舱空气环境。以前人们关注飞机能否飞,飞得是否快,现在关注点转移到是否安全、舒适和健康”。刘俊杰说,创造高能效的座舱空气环境是保障乘客和机组人员生命安全、健康和舒适的关键,是通过国际适航认证的瓶颈,也是在激烈的国际竞争中获得优势的突破口。

  空气环境控制系统是飞机九大关键系统之一,也是涉及机密的关键技术。整机可以购买,这些关键技术国外公司却不会提供,需要依靠自己的力量设计、研发。2009年起,天大师生们开始关注大型客机座舱空气环境控制的科学问题,“那时关于该领域,国内没有研究基础、没有实验平台,也没有验证装置等,一切都是从零开始。”

  陈清焰提出的“逆向模拟与设计方法”如今应用在了C919国产大飞机上。当时这种设计理念与波音、空客公司等是有所区别的,“不是让乘客被动地适应环境,而是把乘客的舒适度作为主动考虑的因素,根据乘客需求设计机舱环境”。

  仿照C919的座位设置,在天津大学模拟座舱空气环境实验平台,一段有7排座位的机舱正在接受着激光检测。座舱内每个座位上“坐”有真人大小的“模特”,“模特”身上缠绕着电热丝,模拟乘客散发的热量。“我们的团队,就是在不断地测试,最终让最少的通风口,实现空气的流通和净化。”刘俊杰说。

  传统民航客机,多在机舱顶部送风,不仅使不同位置的乘客“冷热不均”,还会在窗口等处形成“涡流”,导致污染物和传染病病毒“滞留”。C919大型客机则从机舱顶部和行李架侧面同时送风,不仅吹散“涡流”,还对机舱内的纵向气流形成阻断,减少了乘客在座舱中交叉感染的概率,使空气更“清洁、清新”。

  “虽然中国大飞机起步晚,但是我们只要抓住关键共性基础问题进行研究、突破,就一定能在世界竞争中走在前列。”陈清焰认为。(“津云”—前沿新闻记者段玮 通讯员靳莹 朱宝琳)

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