民机货舱压差载荷的分析与解决方案

王旭阳　林石泉　李革萍

【摘 要】本文建立了一维的货舱压差载荷计算方法，并对货舱容积和货舱等效泄漏面积等因素对货舱压差载荷的影响进行了分析。介绍了我国民机货舱压差平衡装置的设计准则，简介了我国自主研制的货舱压差平衡装置结构。最后提出了一种新颖的货舱压差载荷解决方案，即把货舱压差平衡功能集成至货舱出口关断活门中。该方案可减少一定的飞机重量，并节省原货舱压力平衡装置的研制成本。

【关键词】民用飞机；货舱压差载荷；解决方案

【Abstract】One-dimension model is built up for cargo differential pressure calculation in this article， and then the effect of cargo volume and cargo leakage areas on cargo differential pressure load is analyzed. Secondly， this article brief introduces the internal design guide of cargo pressure equalization equipment. And the configurations of pressure equalization valves equipped on China self-developed civil aircraft are presented then. At last， a novel solution of cargo differential pressure load is proposed. The outlet of cargo ventilation shut-off valve is considered to keep open in normal condition to achieve differential pressure relief for cargo. This novel solution will bring some decrease of A/C weight and cost.

【Key words】Civil aircraft； Cargo differential pressure load； The solution

0 引言

货舱位于地板以下，由结构和内饰板围成一个独立的空间。为满足防火要求，民机货舱往往采用密封设计，在不开启货舱通风时，货舱与三角区之间的流通能力较差，可能导致货舱内的压力变化滞后于客舱，进而形成了货舱与三角区之间的一个压差载荷。

当飞机爬升时座舱压力高度逐步增高，货舱压力变化滞后导致货舱内外存在一个正压差载荷；当飞机下降时座舱压力高度逐步降低，货舱压力变化滞后导致货舱内外存在一个负压差载荷。飞机完成一次航线运行，货舱就像进行了一次呼吸。周而复始，该压差载荷可能引起货舱结构的疲劳问题。

因此对该货舱压差载荷进行分析并寻找货舱压差载荷解决方案具有重要的工程应用价值。

1 货舱压差载荷的影响因素

正常飞行时，实际货舱内外压差载荷大小与多种因素有关，如：

a）货舱容积V；

b）货舱内饰等效泄漏面积So；

c）三角区（客舱）的压力变化Pcabin（t）；

d）货舱门的泄漏；

e）货舱通风量与通风面积；

为简化分析，本文只考虑前三者对货舱循环压差载荷的影响。图1为货舱压差载荷计算一维孔流模型。

分析结果表明：

a）货舱的密封性越好，则压差载荷越大；

b）随着泄漏面积增加，货舱所承受的压差载荷急剧下降；

2 我国民机货舱压差载荷的现有解决方案

从保护货舱结构出发，应尽量减少货舱压差载荷值，即增加货舱泄漏面积。但货舱防火要求货舱应保持一定的密封性。货舱发生火灾时，货舱防火系统所喷洒的灭火剂需在一定的时间内维持一定的浓度，这就对货舱的内饰泄漏面积提出了一个上限值Smax。

如图3所示，若SmaxSo时，通过上文方法确认货舱压差载荷，以评估该压差载荷对结构的影响。若结构难以接受该循环压差载荷，则需进行货舱压差平衡装置设计。

如我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机中，均采用了纯气动的机械阀门作为货舱压力平衡装置，如图4所示：

当货舱内外压差超过限定值时，压差载荷克服弹簧扭力推开压力平衡阀板，实现货舱内外通风。一个压力平衡阀组件带有正负两个平衡阀，分别实现货舱的正负压差平衡功能。

在设计货舱压差平衡装置时，关键的设计点为弹簧扭力的预紧值和阀板的尺寸。弹簧的预紧力设计需求来于货舱的防火设计：货舱在发现火情时会喷洒灭火剂，并需在一定时间内保持特定浓度，该过程将形成一个明显的货舱内外压差，压力平衡装置在该压差下应不能开启。阀板的尺寸大小决定了货舱内外通风面积大小，即决定了货舱压差平衡的速率，尺寸越大则压差平衡能力越强，但需兼顾设备重量和安装因素，寻找合理的设计点。

利用前文推荐的一维货舱压差载荷计算方法，并考虑压差平衡装置的弹簧预紧力，可分析得到货舱压差平衡阀对减小平衡货舱压差载荷的积极作用，如表1所示：

3 一种新颖的货舱压差载荷的解决方案

如前文所言，货舱结构疲劳强度和货舱防火设计对货舱气密性的需求趋势是相互矛盾的。货舱的气密性越好，则货舱灭火剂扩散越慢，其浓度保持越容易满足防火相关条款要求，发生火灾时喷洒的灭火剂量则可越少，从而存在一定的减重空间；但同时引起的压差载荷也越大，对结构强度需求越高，可能引起结构增重。

而且目前普遍使用的机械式货舱压力平衡阀在使用中处于频繁开启和关闭的作动状态，设备存在疲劳和噪声的问题。

为此，本文提出了一种新颖的货舱压差载荷的的解决方案。货舱通风系统具备两个电控关断活门（BBSOV），对出口BBSOV控制逻辑进行更改：在正常状态下，无论货舱是否进行通风，出口BBSOV处于全开状态，实现货舱压差平衡功能，从而降低正常飞行周期内的货舱循环压差载荷；当出现货舱烟雾告警信号时（即货舱发生火灾时）关闭出口BBSOV，防止灭火剂和烟雾过多从货舱逃逸。即在保留BBSOV原有货舱通风功能的同时，也兼备了非火警情况下的货舱压差平衡功能。

由图2可知，对于容积在15—480m3范围内的货舱，当货舱等效泄漏面积大于25cm2时，货舱所承受的压差载荷都将小于0.5psid，有理由认为货舱结构和内饰完全可承受该量级的循环压差载荷。我国自主设计的某支线飞机的货舱通风活门流通面积为30cm2，某干线大飞机的货舱通风活门流通面积为81cm2，采用该新颖的压差载荷解决方案时，无需对BBSOV设备硬件进行重新设计。

这种新颖的货舱压差平衡设计思路利用了已有的民机货舱通风系统设备，省去传统的机械式气动压力平衡阀设计。一方面减轻了飞机重量，节省了机械阀门设计、生产、设备鉴定等一系列的费用成本，另一方面也避开了货舱结构疲劳强度和货舱防火设计对货舱气密性需求趋势不一致的这个矛盾，现有货舱防火和结构的设计可能存在一定的优化空间。

4 总结

本文建立了货舱压差载荷的一维计算方法，并对货舱容积和货舱等效泄漏面积等因素对货舱压差载荷的影响进行了分析。分析结果表明：货舱的密封性越好，货舱压差载荷越大；随着泄漏面积增加，货舱所承受的压差载荷急剧下降；对于容积在15—480m3范围内的货舱，当货舱等效泄漏面积大于25cm2时，货舱所承受的压差载荷均小于0.5psid，有理由认为货舱结构和内饰完全可承受该量级的循环压差载荷。

后续介绍了我国民机货舱压差平衡装置的设计准则，简介了我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机的货舱压差平衡装置结构。

最后提出了一种新颖的货舱压差载荷解决方案，即把货舱压差平衡功能集成至出口货舱通风关断活门（BBSOV）上，在货舱未发生火灾时，让出口BBSOV处于常开位（无论货舱是否通风），保证货舱内外的压差平衡；当火灾发生时，关闭BBSOV防止灭火剂和烟雾过多从货舱逃逸。在我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机上实施该新颖的解决方案，无需对BBSOV硬件进行重新设计。该新颖的解决方案可减轻飞机重量，并节省研制成品。

【参考文献】

[1]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].1版.北京.北京航空航天大学出版社，2006.

[责任编辑：杨玉洁]

而且目前普遍使用的机械式货舱压力平衡阀在使用中处于频繁开启和关闭的作动状态，设备存在疲劳和噪声的问题。

为此，本文提出了一种新颖的货舱压差载荷的的解决方案。货舱通风系统具备两个电控关断活门（BBSOV），对出口BBSOV控制逻辑进行更改：在正常状态下，无论货舱是否进行通风，出口BBSOV处于全开状态，实现货舱压差平衡功能，从而降低正常飞行周期内的货舱循环压差载荷；当出现货舱烟雾告警信号时（即货舱发生火灾时）关闭出口BBSOV，防止灭火剂和烟雾过多从货舱逃逸。即在保留BBSOV原有货舱通风功能的同时，也兼备了非火警情况下的货舱压差平衡功能。

由图2可知，对于容积在15—480m3范围内的货舱，当货舱等效泄漏面积大于25cm2时，货舱所承受的压差载荷都将小于0.5psid，有理由认为货舱结构和内饰完全可承受该量级的循环压差载荷。我国自主设计的某支线飞机的货舱通风活门流通面积为30cm2，某干线大飞机的货舱通风活门流通面积为81cm2，采用该新颖的压差载荷解决方案时，无需对BBSOV设备硬件进行重新设计。

这种新颖的货舱压差平衡设计思路利用了已有的民机货舱通风系统设备，省去传统的机械式气动压力平衡阀设计。一方面减轻了飞机重量，节省了机械阀门设计、生产、设备鉴定等一系列的费用成本，另一方面也避开了货舱结构疲劳强度和货舱防火设计对货舱气密性需求趋势不一致的这个矛盾，现有货舱防火和结构的设计可能存在一定的优化空间。

4 总结

本文建立了货舱压差载荷的一维计算方法，并对货舱容积和货舱等效泄漏面积等因素对货舱压差载荷的影响进行了分析。分析结果表明：货舱的密封性越好，货舱压差载荷越大；随着泄漏面积增加，货舱所承受的压差载荷急剧下降；对于容积在15—480m3范围内的货舱，当货舱等效泄漏面积大于25cm2时，货舱所承受的压差载荷均小于0.5psid，有理由认为货舱结构和内饰完全可承受该量级的循环压差载荷。

后续介绍了我国民机货舱压差平衡装置的设计准则，简介了我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机的货舱压差平衡装置结构。

最后提出了一种新颖的货舱压差载荷解决方案，即把货舱压差平衡功能集成至出口货舱通风关断活门（BBSOV）上，在货舱未发生火灾时，让出口BBSOV处于常开位（无论货舱是否通风），保证货舱内外的压差平衡；当火灾发生时，关闭BBSOV防止灭火剂和烟雾过多从货舱逃逸。在我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机上实施该新颖的解决方案，无需对BBSOV硬件进行重新设计。该新颖的解决方案可减轻飞机重量，并节省研制成品。

【参考文献】

[1]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].1版.北京.北京航空航天大学出版社，2006.

[责任编辑：杨玉洁]

而且目前普遍使用的机械式货舱压力平衡阀在使用中处于频繁开启和关闭的作动状态，设备存在疲劳和噪声的问题。

为此，本文提出了一种新颖的货舱压差载荷的的解决方案。货舱通风系统具备两个电控关断活门（BBSOV），对出口BBSOV控制逻辑进行更改：在正常状态下，无论货舱是否进行通风，出口BBSOV处于全开状态，实现货舱压差平衡功能，从而降低正常飞行周期内的货舱循环压差载荷；当出现货舱烟雾告警信号时（即货舱发生火灾时）关闭出口BBSOV，防止灭火剂和烟雾过多从货舱逃逸。即在保留BBSOV原有货舱通风功能的同时，也兼备了非火警情况下的货舱压差平衡功能。

由图2可知，对于容积在15—480m3范围内的货舱，当货舱等效泄漏面积大于25cm2时，货舱所承受的压差载荷都将小于0.5psid，有理由认为货舱结构和内饰完全可承受该量级的循环压差载荷。我国自主设计的某支线飞机的货舱通风活门流通面积为30cm2，某干线大飞机的货舱通风活门流通面积为81cm2，采用该新颖的压差载荷解决方案时，无需对BBSOV设备硬件进行重新设计。

这种新颖的货舱压差平衡设计思路利用了已有的民机货舱通风系统设备，省去传统的机械式气动压力平衡阀设计。一方面减轻了飞机重量，节省了机械阀门设计、生产、设备鉴定等一系列的费用成本，另一方面也避开了货舱结构疲劳强度和货舱防火设计对货舱气密性需求趋势不一致的这个矛盾，现有货舱防火和结构的设计可能存在一定的优化空间。

4 总结

本文建立了货舱压差载荷的一维计算方法，并对货舱容积和货舱等效泄漏面积等因素对货舱压差载荷的影响进行了分析。分析结果表明：货舱的密封性越好，货舱压差载荷越大；随着泄漏面积增加，货舱所承受的压差载荷急剧下降；对于容积在15—480m3范围内的货舱，当货舱等效泄漏面积大于25cm2时，货舱所承受的压差载荷均小于0.5psid，有理由认为货舱结构和内饰完全可承受该量级的循环压差载荷。

后续介绍了我国民机货舱压差平衡装置的设计准则，简介了我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机的货舱压差平衡装置结构。

最后提出了一种新颖的货舱压差载荷解决方案，即把货舱压差平衡功能集成至出口货舱通风关断活门（BBSOV）上，在货舱未发生火灾时，让出口BBSOV处于常开位（无论货舱是否通风），保证货舱内外的压差平衡；当火灾发生时，关闭BBSOV防止灭火剂和烟雾过多从货舱逃逸。在我国自主研制的某支线飞机和某干线大飞机上实施该新颖的解决方案，无需对BBSOV硬件进行重新设计。该新颖的解决方案可减轻飞机重量，并节省研制成品。

【参考文献】

[1]朱春玲.飞行器环境控制与安全救生[M].1版.北京.北京航空航天大学出版社，2006.

[责任编辑：杨玉洁]