飞行器空气调节系统空气流调整的制作方法

本技术涉及飞行器空气调节系统(环境控制系统)。更具体地，本技术涉及适应性控制，该适应性控制用于：基于参数(诸如飞行器操作状态、外部环境和冷却/加热装备性能能力)，减小到飞行器机舱的提取的发动机泄放空气流。

背景技术：

如在saearp85f中所述，飞行器气动和空气调节系统通常被使用在亚音速商用飞行器上，以在飞行器机舱内维持足够的环境状况。系统通常包括：装备的布置；控制和指示将调节的空气以避免由于舱室的热力学平衡而导致的过度加热或过度冷却的方式供应并分配到飞行器机舱和舱室。这种系统设想并考虑乘员的身体的热传递、太阳辐射、电气装备散热、与外部周围空气温度的对流。此外，空气调节系统将一定量的新鲜空气供应到飞行器机舱中，以通过维持气体(诸如氧气、二氧化碳、一氧化碳)的水平来确保空气质量，并且空气调节系统也支持飞行器机舱的增压。

技术实现要素：

在一些非限制应用中，可能期望的是优化、减小或最小化从气体涡轮发动机转移的泄放空气流的消耗(减小燃料消耗)。

根据本发明的第一方面，提供一种用于控制飞行器的内部的气氛的控制器，所述控制器包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被构造成执行响应于高度、乘员的数目和总空气温度而计算ecs空气流目标的控制环。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制飞行器的内部的气氛的方法，包括：计算ecs流量目标；对计算出的ecs流量目标进行修整；将修整的ecs空气流目标控制信号发送至环境控制系统部件；和使用所述环境控制系统，以控制所述飞行器的内部的所述气氛，其中在第一控制环中计算所述ecs空气流，并且使用二次控制环对计算出的ecs空气流进行修整，以提供ecs空气流目标控制信号，所述二次控制环与所述第一控制环不同。

根据本发明的第三方面，提供一种用于控制飞行器的内部的气氛的控制器，包括：一次控制环，所述一次控制环被构造成计算基于4d调度映射和多个参数的ecs空气流目标；二次控制环，所述二次控制环被构造成对计算出的ecs空气流目标进行修整；和环境控制系统，响应于所述一次和/或二次控制环ecs空气流目标，所述环境控制系统提供所述飞行器的内部的所述气氛的至少一部分。

根据本发明的第四方面，提供一种空气处理系统，包括：控制器，所述控制器被联接到传感器，所述控制器包含4d空气流调度映射和冷却/加热装备性能能力。所述控制器包括：一次控制环，所述一次控制环被构造成基于多个参数计算ecs空气流目标；和二次控制环，所述二次控制环被构造成响应于测量出的机舱温度而对计算出的ecs空气流目标进行修整。

根据本发明的第五方面，提供一种飞行器，包括根据本发明的第四方面的空气处理系统。

根据本发明的第六方面，提供一种飞行器空气处理系统，包括：ecs流量控制阀；空气调节单元；和控制器，所述控制器被连接以控制所述ecs流量控制阀和所述空气调节单元，从而固定空气处理系统出口温度并且通过所述流量控制阀调整空气质量流量，以满足维持飞行器机舱环境所需的热力学性能。

附图说明

通过附图阅读示范非限制示意实施例的以下详细描述，在这些附图中：

图1是包括环境控制系统的示例非限制飞行器的框图。

图2示出示例非限制双环适应性控制策略，该双环适应性控制策略用于产生用于对流量控制阀进行指令的ecs空气流目标控制信号。

图3示出图1环境控制单元(ecu)的功能性框图，该环境控制单元(ecu)包括控制器，并且环境控制单元(ecu)提供作为空气调节单元的一部分的流量控制阀(fcv)。

图4a示出常用的ecs流量调度曲线的示例，该ecs流量调度曲线具有基于飞行高度的固定值。

图4b是ecs4d流量调度的示例，该ecs4d流量调度提供基于被存储的4d查找表的空气流值。

图5示出由图3控制器执行的用于计算和修整ecs空气流目标的示例非限制逻辑的流程图。

具体实施方式

在诸如图1中示出的飞行器中，环境控制系统接收来自主发动机压缩机的高压、高温空气(泄放空气)。受控ecs空气流调度被依大小调整以同时符合用于整个飞行器操作包线的通风(far/jar25.831)、增压和热负载要求。通常，空气调节空气流调度被固定且与飞行器飞行高度成比例，并且环境控制系统通过空气调节单元控制供应空气温度，以便适当地维持机舱环境状况。

如果空气调节流量调度仅与飞行高度成比例，则该调度将被依大小调整以符合飞行器环境和操作包线的极限，因此导致较高且不必要的发动机泄放空气流消耗。消耗过多的泄放空气会具有包括减小的发动机效率和增加的燃料消耗的缺点。

示例非限制技术实现了通过影响新鲜空气流和热负载要求的输入来实现对减小的ecs空气流的需求，从而具有4d流量调度映射(乘员的数目、tat或总空气温度、飞行高度和ecs空气流目标)。

此后，该获得的流量被第二控制环修整，该第二控制环改进了通常受控的ecs的结构，但是获得相同的热力学性能(即，代替设定流量并控制冷却/加热装备出口温度，非限制实施例设定冷却/加热装备出口温度并控制流量)。

通过对(指示实际飞行器操作状况、外部环境和冷却/加热装备性能能力的)多个参数进行评价，用于飞行器的环境控制系统调整提取的发动机泄放空气流，从而旨在充分减少对提取的发动机泄放空气流的需求并且同时符合增压、通风和热负载要求。

系统控制器上或系统控制器中的适应性控制逻辑对实际飞行器操作状况、外部环境和冷却/加热装备性能能力进行评价，并且基于那些输入/参数调整ecs空气流需求。用于飞行器环境控制系统的两步控制环提供ecs空气流调整。通过考虑实际飞行器操作状况和外部环境，第一控制环优化ecs空气流需求。通过利用考虑冷却/加热装备性能能力调整ecs空气流并固定空气调节单元出口温度，第二环修整并优化ecs空气流需求。

通过从飞行器航空电子系统获得当前航班上的乘员的数目并经由被安装在舱室上的温度传感器测量当前机舱和驾驶舱环境温度，评价飞行器操作状况。基于由外部传感器测量的当前飞行器飞行高度和总空气温度，评估外部环境状况。最后，由考虑冷却/加热装备性能的系统控制器评估系统能力。

如图2中所示，第一或一次控制环202通过评价三个值来评估空气调节空气质量流量的目标：(a)(从飞行器航空电子系统获得、通常基于飞行员或飞行机组人员的输入的)乘员的数目；(b)(由在机身外部且被安装在机身上的传感器测量并指示在飞行器的外部的外部周围空气滞止温度的)总空气温度(tat)；和(c)飞行高度。这种适应性控制的结果是四维(4d)空气质量流量调度映射。控制器使用外部空气温度、飞行器高度和乘员的数目来确定用于流入飞行器机舱中的ecs空气流目标和相关联的泄放流量需求。一次控制环202基于实际飞行高度计算空气流，并且一次控制环202补偿实际外部空气滞止温度和乘员的数目。一次控制环202使用四维查找表，该四维查找表基于三个输入/参数提供质量空气流量调度。一次控制环202计算基于4d调度映射的ecs空气流，该4d调度映射将控制多少ecs空气流必须被供应到机舱。

ecs空气流同时符合由faa条例强加的通风、热负载和增压空气流要求。一次控制环202能够与第二控制环250独立地执行一次控制环202的操作。能够在没有二次控制环250的飞行器上使用和/或应用一次控制环202。基于系统构造使ecs空气流生效，并且将ecs空气流与通风、热负载及增压要求相比较，并且相应地调节ecs空气流以同时满足那些要求。以这种方式，防止一次控制环202提供的ecs空气流引起系统在规定的极限外操作。如果观察到影响一次控制环202的任何问题，则系统自动回到仅基于飞行高度的默认(通常)ecs空气流计算。

然后评估第一控制环202的输出是否仍能够执行进一步优化252。在示例非限制实施例中，第二或二次适应性控制环250评价正在空气调节单元上被使用的当前性能。然后改变空气调节的控制。代替调整机器的出口温度，二次控制环250将温度固定到较低值或较高值，并且然后通过流量控制阀调整空气流，以仍满足适当地维持飞行器机舱环境所需的热力学性能。更具体地，假设确定已经计算出的ecs空气流目标符合适用条例，则二次环250基于当前温度读数使用机舱温度传感器修整已经计算出的ecs空气流目标。使用修整以响应于测量出的温度而改变ecs空气流目标。二次控制环250执行附加适应性评估(计算)252，以确定要不然所需的ecs空气流是否能够被修整或优化。如果是这样，则二次控制环250计算修整的ecs空气流，以用作到流量控制阀的控制信号。如果不是，则直接传递一次控制环202的输出以控制ecs空气流，并且旁通过二次控制环250。

基于系统构造使修整的ecs空气流生效，并且将修整的ecs空气流与通风、热负载及增压要求相比较，并且相应地调节修整的ecs空气流以同时满足那些要求。以这种方式，防止二次控制环250提供的优化引起系统在规定的极限外操作。适应性控制环202、250的组合的输出是用于给定操作的优化的提取的泄放空气质量流量，该优化的提取的泄放空气质量流量仍符合通风、增压和飞行器热负载要求和目标。

二次控制环250能够与第一控制环202独立地执行二次控制环250的修整操作。这例如使得能够在不需要第一控制环202的情况下将二次控制环250添加到现有系统。如果观察到影响二次控制环250的任何问题，则系统自动回到仅基于飞行高度的默认(通常)ecs空气流计算。在其它实施方式中，一次和二次控制环202、250能够被组合成考虑所有输入的单个总体控制环。如果观察到影响一次和/或二次控制环202、250的任何问题，则系统自动回到仅基于飞行高度的默认(通常)ecs空气流计算。

二次控制环250持续地且递归地操作，以基于二次控制环250接收到的机舱温度输入和第一控制环202提供的任何更新的质量空气流量来重新计算修整的优化的ecs空气流目标。二次控制环250能够被相对迅速地重复(例如，一秒一次或许多次，其中提供任何需要的滞后，以避免流量控制阀的过度重复操作和相关联的磨损)。例如，如果修整的ecs空气流目标导致不正确的(过高的或过低的)机舱温度，则二次控制环250响应于传感器输入而适配并校正修整的ecs空气流目标。类似地，如果第一控制环202改变受指令的ecs空气流，则二次控制环250将通过计算新的对应的修整的ecs空气流来适配。

更详细的解释

图1示出包括环境控制单元105的飞行器的工作机构，并且图1示出这种飞行器如何能够在地面操作和飞行操作两者期间都维持增压、通风和热负载要求。飞行器机身101内的空气的温度和压力由图1中的飞行器内外的温度控制系统部件控制。这些部件维持飞行器内的适当的新鲜空气流、增压和温度，以即使当飞行器正在低外部周围空气压力和温度的高高度飞行时仍支持人的生命和舒适。

在30000英尺处飞行的飞行器外的空气可能是-48℉且仅在4磅每平方英寸的量级上。不管这种恶劣的环境，飞行器的空气处理系统部件在增压机舱内用氧气和包括水蒸气的其它气体的适当混合物来维持约8磅每平方英寸的增压和68℉(由飞行机组人员调整)。

机身101限定飞行甲板103和机舱区域(106a-106g)。机舱区域106由乘客占据，并且飞行甲板103由机组人员占据。飞行器载有的人乘员的数目影响空气处理系统的需求，因为：(a)在正常呼吸期间，人吸入o2并呼出co2和水蒸气；(b)人体辐射使机身101内的气氛变暖的热；以及(c)最低新鲜空气流要求。乘员的数目是用于确定空气处理系统需求和通风要求的因子。

气体涡轮喷气发动机102、104的正常操作产生被压缩(高压)且被加热(高温)的空气。更具体地，气体涡轮发动机102、104使用初级空气压缩机以用压缩空气馈给发动机。飞行器设计师在很久以前就意识到可行的是：在没有不利地影响发动机操作和效率的情况下，从操作的气体涡轮发动机102、104的特定压缩机级泄放这种被压缩的被加热的空气中的一些空气，并且使用所述一些空气用于其它目的(例如，机舱增压和温度维持)。在飞行器在飞行的同时，发动机102、104本身提供方便的增压热空气源，以维持机舱温度和压力。

诸如图1中示出的环境控制系统能够自动地控制与再循环空气混合的ecs空气的量，以维持适当的机舱温度、压力和湿度。经常期望的是：使ecs空气使用最小化或最优化，以减小正在从发动机102、104泄放的泄放空气的流量。

在飞行器的地面操作期间，泄放空气源包括但不限于apu116和地面气动源118。在飞行器的飞行操作期间，泄放空气源包括但不限于左发动机102、右发动机104和apu116。

由apu116、地面气动源118、左发动机102、右发动机104提供的泄放空气经由泄放空气流歧管和相关联的压力调整器及温度限制器被供应至飞行器的空气调节单元108。空气调节单元108也可以将来自机舱区域106a-106g和飞行甲板103的再循环的空气与来自先前提及的源的泄放空气混合。环境控制单元控制器110控制流量控制阀114，以调整被供应到空气调节单元108的泄放空气的量。使用泄放阀125以选择泄放源。

空气调节和分配单元接收并提供新鲜泄放空气和再循环的空气的期望的混合。在该语境下，术语“空气调节”不限于冷却，而是指制备用于引入到飞行器机身101的内部中的空气。空气调节单元108和流量控制阀114调整机舱区域106a-106g和飞行甲板103内的空气质量流量和温度，并且空气调节单元108和流量控制阀114也维持用于货舱127、129的适当气氛。

能够有冗余的环境控制单元105(例如，一个用于驾驶舱，并且另一个用于乘客机舱)。在一个示例实施例中，每一个ecu105包括空气调节单元108，该空气调节单元108包括双热交换器、空气循环机(压缩机、涡轮和风扇)、冷凝器、水分离器和相关的控制及保护装置。来自气动系统的自动控制的泄放空气供应ecu105。在ecu105的内部，ecs空气流被划分成两条线：冷线，该冷线通到空气循环机；和热线，该热线旁通过该空气循环机。在空气循环机(acm)中，空气在一次热交换器中被冷却，并且经过引起压力增加的压缩机。冷却的空气然后到二次热交换器去，在二次热交换器处，冷却的空气被再次冷却。在离开二次热交换器之后，高压冷却空气经过冷凝器和用于冷凝水移除的水分离器。主泄放空气流被通过管道输送到涡轮，并且被膨胀以为压缩机和冷却风扇提供冷空气流和动力。冷空气流与由再循环风扇供应的暖空气混合，且/或在离开涡轮时立即与热旁通泄放空气混合。

环境控制单元(ecu)控制器110能够通过在控制信号中提供适当的指令/命令来维持增压、通风和热负载要求。环境控制单元控制器110接收来自机舱区域106a-106g、飞行甲板103中的传感器120的输入。飞行员或机组人员也输入参数(诸如成员的数目和期望的机舱温度)。基于这些和其它参数，环境控制单元控制器110计算适当的ecs空气流目标，以控制流量控制阀125。ecu控制器110对空气调节单元108提供指令/命令/控制信号111，以控制流量控制阀125和系统操作的其它方面。系统通常包括必要的电路和附加处理，以对流量控制阀125提供必要的驱动信号。

环境控制单元控制器110具有在持续地调节流量的同时寄存飞行器所需的ecs空气流的特长。飞行器的空气调节单元108接收来自环境控制单元控制器110的控制信号，并且飞行器的空气调节单元108能够：在使飞行器内的空气同时地再循环的同时，将足够的质量空气流提供给机舱区域106a-106g、飞行甲板103、前货舱127和后货舱129。

环境控制系统(ecs)包括但不限于ecu(空气调节单元、控制器和流量控制阀)、传感器、空气流分配管道、再循环风扇、epa过滤器、多个信号和指示等的布置。

图3示出示例非限制实施例的功能性框图，该功能性框图示出输入和输出信号。图3描绘在空气调节单元108与环境控制单元控制器110之间的关系，并且图3描绘这种部件如何将空气质量流量提供到飞行器机舱106。环境控制单元105包括：控制器110、流量控制阀(fcv)125和空气调节单元108。通过用飞行器的传感器120测量多个参数并且还接收来自飞行器航空电子系统122的输入，控制器110能够对fcv125和空气调节单元108提供质量流量目标。当控制器110被给予ecs空气流目标时，整个单元105将调节的ecs空气流提供到飞行器机舱106。

为了促进公开，以下列出并描述图3和图5中的变量。

图2示出由图3中的控制器110执行的用于计算ecs空气流目标的逻辑的图。控制器110执行两个主要环：一次控制环202，该一次控制环202计算基于4d调度映射的ecs空气流目标；和二次控制环250，该二次控制环250对来自一次控制环的计算出的ecs空气流目标进行修整，以提供ecs空气流目标信号。该ecs空气流目标控制信号然后被发送到fcv125和空气调节单元108，以控制泄放空气流。控制器算法包括随着飞行器的环境和其它操作状况改变而不断地计算并修整目标的这两个控制环。

图4a示出常用的ecs流量调度曲线的示例，该ecs流量调度曲线对于每一个飞行高度具有固定的空气流值，该固定的空气流值基于飞行高度对空气流的映射。

图4b是ecs4d流量调度的示例，该ecs4d流量调度提供基于飞行高度、总空气温度和乘员的数目的空气流值。

在一些操作中，空气流需求受飞行器的系统构造(诸如防冰系统、气动和空气调节系统的失效等)影响。

图5示出用于计算控制器110的内部的ecs空气流目标的逻辑的更详细的图。这种逻辑能够由被存储在非瞬时存储器中的软件指令实施并由一个或更多个微计算机或微处理器执行。环202、250能够由相同的处理器或由不同的处理器执行。

一次控制环202能够通过三个步骤提供ecs空气流目标。一次控制环202使用输入数组204计算基于4d调度映射的ecs空气流206。一旦一次控制环202计算出基于4d调度映射的ecs空气流206，则控制环还验证它正在使用所存储的参数，以维持需要的增压、通风和热负载要求208。然后一次控制环202发出信号到二次控制附加适应性评估(计算)252，以确定要不然所需的ecs空气流是否能够被修整或优化。

二次控制环250不断地对计算出的ecs空气流目标206进行修整。一次控制环202将基于4d调度映射的ecs空气流目标206发送到处理框258(在经过208、252之后)，该处理框258也接收来自机舱温度传感器的输入。通过调整ecs空气流并固定空气调节单元出口温度，二次控制环处理框258优化泄放流量消耗。修整的ecs空气流目标信号256然后被发送到验证框254，在该验证框254处，控制环维持需要的增压、通风和热负载要求。在一次控制环202和二次控制环250之间的区别是：一次环计算基于4d调度映射的ecs空气流目标。ecs空气流目标然后通过信号被发送至二次控制环250以用于修整。二次控制环250修整ecs空气流目标。流量控制阀125和空气调节单元108然后接收修整的流量目标信号，只有那时系统才将适当的空气质量流量提供给飞行器机舱。

虽然已经用当前被认为是最实际且优选的实施例描述了本发明，但是应理解：本发明不限于所公开的实施例，而是相反应当覆盖在权利要求的精神和范围内的各种变型和等同布置。