进击的公羊:客舱的正常冷却和紧急增压

咏蘅誓唁

本文解答几位飞行员朋友和飞友关于“冲压空气”的疑问，“手册上没讲清楚”。部分图片素材来自于模拟飞行玩家Captain S，在此感谢！

中学背单词，曾经专门去找一些奇怪的3字母单词，比如什么boa、eel、mog、ram、yak…… 我记得它们都是动物的名字（蟒蛇、鳗鱼、猫、公绵羊、牦牛……）

多年以后，在略有些沉闷的机型课上，看着书上的RAM AIR，我眼前浮现出的公羊（ram）同学突然“略”地吐出舌头舔了舔空气（air），于是我喷了一纸的红牛，据回忆后边的半节课氛围还蛮活跃……

根据牛津词典，ram在动物界指的是a male sheep（公绵羊）；有些别的词典还煞有其事地描述说它是uncastrated adult male sheep（没有被去势的成年公绵羊）；这种认真劲儿，类似于把man 从 a male human 解释成 uncastrated adult male human。



被动物世界带歪了的我，后来一直没明白RAM AIR 和公羊到底有什么关系，直到查明ram原来有动词用法（意思是“冲击”），我的脑子里还是冒出了“进击的公羊”的画面（imaging a ram ram into sth.），这也导致我的机型知识很有奇幻色彩。

01 客舱的正常冷却

正常情况下，在高空中，客舱空气来自于外界稀薄的大气，发动机既是空气的入口，也是空气的压缩机。



日常生活中，我们见过一种叫做“打气筒”的手动版“压缩机”，一番操作以后，打气筒摸起来有些烫手。而发动机里的压缩机，对稀薄的冷空气进行处理以后，使它达到五六百度以上也不足为奇，即便是发动机自带了称为“预冷器”的冷却装置，当这些空气刚刚从侧面（而不是后面）离开发动机、被作为“引气”交给飞机的其他系统时，温度也仍然在200 ℃左右。

下面这篇短文介绍了引气的3个比较“高”的特点。



引气：发动机“泵”出的“3高”气体

在技术上，预冷器似乎有可能被设计得更加厉害，使引气的温度更低，朝着把发动机和空调合二为一的方向努力进化。毕竟，维修工程师们也没少处理过“引气温度过低”的故障。



但是，铝合金材质的大翼前缘在高空需要150 ℃以上的热空气来防冰。再综合其他众多因素，由发动机就近为大翼前缘输出200 ℃的热引气，而把空调独立出去作为专用于客舱的冷却系统，这样一个方案就成为了主流客机的选择。

关于大翼前缘防冰，可以读读这个故事。



大翼前缘大脾气：怕冷怕热爱挑剔

因此，也就不难想明白为什么空调的主要工作部件被安排在了发动机和客舱之间。事实上，空调组件（PACK，pneumatic air cycle kit）通常位于机腹区域主轮舱的前方，左右各有一套，相互独立。



在冬季的高空，外界温度可以低至-50 ℃。当乘客们感受到了20℃的温暖空气，自然而然就会想到：飞机的空调系统真厉害，能把空气“加热”得这么的暖！但真实的情况是：飞机的空调系统只能制冷，不能制暖！

空气实际上经历了从温度-50 ℃到500 ℃，再到200 ℃，再到20 ℃的三段旅程。第一段由压缩机完成，第二段由预冷器完成，第三段则由空调组件完成；因此空调组件只是一个冷却装置。为了把200 ℃的热引气冷却到20℃，空调系统内部有令学生们头疼的复杂设计。

想要感受那种头疼的减量体验版，可以看看这篇。我做了一些通俗化处理，因此应该不那么难懂。



ACM：飞机空调的动力装置

但是无论设计得多么复杂，它最终都要遵循这样的简单常识：物体的多余热量必须被外界带走，才能冷却下来。也就是说，热引气里有一些我们不想要的“废热”，必须被带走。那么如何带走？

当我们扬起双翅，迎面吹来了凉爽的风。在空中，极为凉爽的风，犹如公羊发起的冲击，以等同于飞机的极高速度进入“冲压空气管道”，先后两次经过不同的“热交换器”，以极高的效率带走热引气中的废热，甚至能让空调组件出口的温度降低到零度以下。为了修正这超过200 ℃跌幅的过度冷却，组件甚至不得不通过专门的直达管道引入未经冷却的原始引气，和过冷的空气混合之后，回到了人体感到舒适的范围，这才敢送往客舱。



热引气的使命，是成为空调空气；而冲压空气的任务，是带走热引气中的废热。两者必须接触，却不可以结合，就像被施加了办公室恋情的禁令。在冲压空气管道里，热量显然是单方向传递的，尽管这一过程被叫做“热交换”。冲压空气在完成这种所谓的“交换”之后，就完全失去了利用价值，不得不带着废热匆匆离开。在地面，你能在“冲压空气出口”体会到它烦躁的心情：温暖以至烫手、吵闹以至刺耳。



当你转身要离开这个也许引发了某些回忆的区域，冷静下来想一想，在地面并没有“凉爽的风”，这时冲压空气从哪儿来？答案就是ACM（Air Cycle Machine，空气循环机），它是一个“三位一体”的动力装置。它和发动机是一个家族的热力学机械，都有压缩机、涡轮和风扇。压缩机和涡轮接触热引气，而风扇部分暴露在冲压空气管道内部。当使用“地面空调”来冷却客舱，或者仅仅只是关闭了飞机自身的空调时，整个空调组件，包括ACM在内的所有部件都停止工作，这时候你把手机伸进冲压空气出口，可以拍摄到ACM的风扇。



当高速的热引气冲击涡轮，涡轮就带动了同在一根轴上的风扇，因此在地面时，静止的外界空气被强制驱动，同样能在管道里产生高速气流。摘除手套之后，你可以把手放在入口处感受一下气流有多快，不必担心，这里是冷空气；但是在出口处必须保持距离，小心烫伤。

下面这篇有点儿长，可以只看05部分，也许有助于理解涡轮和风扇的关系。



头痛何以医脚：代码TCV，故障ACM

02 客舱的紧急增压

下图展示了接入“地面空调”的情形，接口也叫低压空气接口（LP air connector）。请注意，使用“地面空调”和在地面使用“飞机的空调”是两回事！地面空调是飞机自身空调的替代品，因此从地面空调进入飞机的空气，与组件出口的空气一样，也是先进入混合室（mixer unit），然后才分配到舱内的各区域。



使用地面空调，仅仅是替代了组件的温度调制功能。然而在空中，组件还需要为客舱“增压”，确保身处于高空的乘客不会出现“高原反应”。如果两侧的空调组件都坏了，或者空调组件的全部气体来源（2个发动机和1个APU的引气系统）故障了，或者引气系统的上级（也就是发动机和APU本身）都坏了，那么可怕的“释压”就要发生了。设想一只泄气的气球，区别在于飞机这只气球是铁壳子做的。好在，另一个替代品此时可以发挥“紧急增压”的作用。

下图展示了“紧急冲压空气入口”（Emergency Ram Air Inlet）在空中被打开的情形。读者刚刚看过使用地面空调的情形，在对比中会发现，在地面时这个入口是和机身完全平齐的啊，难怪一直不太知道它在哪儿。是的，这部件的附近也没有标记和文字，随口一问，很多老司机和老机务也反应不过来。



这个入口和地面空调接口相邻，同样是直达混合室的。从这里进入的冲压空气，孤军奋战，尽管低温和稀薄，却是十分救命的。不存在“应急冲压空气管道”和“应急冲压空气出口”；不用于热交换，不会被立即舍弃。

但是，关于这个入口，“应急”通常只刻在飞行员心中，面板上的字只有RAM AIR。可以在任何高度打开黑色保护盖并按入这个电门，入口都会打开，但冲压空气还需要克服一个“单向活门”的机械阻挡才能进入混合室。注意，入口的打开和活门的打开是两回事，手册里可能会用inlet flap和valve来区分它们。



因为不断地泄气，当舱内压力降低到了一定水平，内外压差（△P）小于1 psi，冲压空气的能量足以推开单向活门，进入客舱。在紧急增压时，程序要求的另一个条件是下降到FL 100，这主要是考虑到增压效果和进气温度。

除了用于紧急增压，这个入口也用于排烟程序。其它应用还有客舱的紧急冷却，我们已经知道空调系统的空气来自于200 ℃的热引气，那么理论上空调故障可能导致客舱空气达到很高的温度。此外，在一些程序里，如起落架不正着陆程序和陆地迫降程序，也提到了它可以用于确保在地面上能够“完全释压”，这时候它是外流活门的补充。

总之，从这里进入的冲压空气，和从来不进入客舱的、从属于组件的那种冲压空气不同。它总是用于应急，但有时它又可能会和第三种冲压空气混淆。驱动RAT的冲压空气，同样是从来不进入客舱，但也总是用于应急。

又是公羊，又是老鼠的，还真是奇幻啊……

参考资料

网站：AirbusWorld、FlightGlobal

手册：A320 FCOM、AMM

软件：prepar3d

张家界

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Aipro

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