摘要:本文简要介绍航电设备的基本概念,并借助“热量阶梯”和“通风形态”的概念来帮助理解B737NG和A320的设备冷却系统。
▲ A320电子舱一隅
01 航电设备的基本概念
什么是飞机的计算机?什么是航电设备舱?
A320飞机,诞生于1980年代,它是电子工业时代航空器的杰出代表。从它的雷达罩后方,到驾驶舱下方,一直到与登机门后边缘平齐的横剖面,在货舱以前的部分,以客舱地板为界,在地板以下,在一个大约4m×3m×1.5m的密闭空间里,安装着各种航电设备。
这些航电设备,在民航工业的术语里,大部分属于“计算机”(computer)。与日常用语里的计算机相比,相同之处在于——有输入(来自其他设备、计算机和传感器等各类“输入设备”)、有计算(封装在金属盒子里的逻辑芯片)、有输出(给其他设备、计算机和显示器等各类“输出设备”)。
我们界定一些部件是否构成一个飞机系统,可以考虑它是否有一个可以作为核心的计算机,考虑输入信号是如何被处理的,又如何转换为各类输出信号。反之,对于一个计算机,找到了它的输入设备和输出设备,就能确定出一个飞机系统。这个思路有利于我们更好地理解飞机。
这些计算机和它们的输入设备、输出设备相对分离。例如对于空调系统的核心计算机ACSC位于航电设备舱内,而它的输入和输出设备主要在空调舱和驾驶舱。因此,这些计算机相当于我们日常概念的“主机”。航电设备舱,集中了各个飞机系统的计算机,它是空中的“主机房”。
输入设备和输出设备,可以是其他计算机(主要仍然是集中在电子舱),也可以是分布于飞机全身各处的传感器和机械部件,最后是集中在驾驶舱里的“人机交互设备”,例如方向盘、控制面板、显示器。
飞机的计算机主机需要冷却,而人机交互设备中电子化程度高的显示器、控制面板,同样需要冷却。因此,A320的前辈B737,其航电设备冷却系统(equipment cooling)既为航电设备舱、也为驾驶舱的设备进行冷却。后来者A320也是这两个区域。
▲ A320设备通风区域:驾驶舱和航电设备舱
02 设备冷却的特点
A320飞机使用“设备通风”(equipment ventilation)一词来表示“设备冷却”,词根“vent”含有“新旧空气更替”的意思。家庭或办公用的台式计算机,主机箱里通常有呼呼作响的风扇,正是利用新旧空气更替来对电子设备进行冷却的一个日常案例。
B737NG和A320的航电设备系统,也使用风扇。但并不是在每个计算机里安装风扇,而是在设备舱里固定的位置上安装风扇,集中地提供和排出冷却空气。一旦飞机接入了交流电,这些风扇就开始工作。
除了使用风扇来驱动用于冷却的空气,A320还在某些情况下引入空调管路中的空气来增强冷却效果。而一些散热需求更大的飞机,例如A330,在地面阶段也使用类似于家庭空调的“蒸发冷却循环”技术(地面制冷组件GRU)。无论是借助于风扇、空调还是GRU,不同的航电设备冷却方案都有空气冷却、集中通风这两个特点。
回到日常生活中,一些顶级游戏玩家为了给大功率的主机进行冷却,还使用水作为冷却介质(水冷系统)。但是对于航空航电设备,使用空气就足够了。空气冷却技术原理简单,易于实现、便于维护,也更为安全。
▲ 顶级机箱使用水冷系统
03 热量阶梯与通风形态
由于使用空气作为冷却介质,便可以引入“热量阶梯”的概念来帮助理解设备冷却。而集中通风,则区分出多种“通风形态”。
正如水往低处流,热量也总是自发地从“高”的地方转移到“低”的地方。在“热量阶梯”中位置最高的第一阶梯,当然是航电设备本身。电流在芯片、二极管、电阻等电子元件中有着极为密集的微观粒子运动,因而大量发热。
而流过设备的空气,即使是被电子元件加热了,其温度也总是低于设备本身,这是热力学第二定律所限制的。因此受热空气位于第二阶梯。
对于B737NG来说,热量接下来有两个去处。在地面,受热空气通过机外排气活门(OEV)直接排向机外,因此,机外空气是第三阶梯。在空中,OEV是关闭的,受热空气流向前货舱,为前货舱加热,并通过左侧再循环风扇将这些空气回收到混合总管,最后重新成为客舱空气。
如果借用A320的概念,在地面时电子设备的通风形态是“开环”的,而在空中则是“闭环”的。
▲ 箭头分别标出了电子舱门和OEV排气口。OEV排气口是冬季地面取暖的好地方
A320的计算机数量大大增加了,因而冷却方案也复杂了。在B737方案的基础上,它增加了“飞机蒙皮”这一阶梯,其主要部件“蒙皮空气热交换器”是由一系列拼接在一起的面板与机身蒙皮共同构成的气流管道。当机外温度足够低,第二阶梯的受热空气被风扇驱动,通过“蒙皮空气热交换器”,将热量传给蒙皮(第三阶梯),而受热了的蒙皮又将热量传递给机外空气(第四阶梯)。四个阶梯,是A320设备冷却的方案。
▲ A320的蒙皮空气热交换器
A320的第三阶梯有时会被旁通,这与蒙皮的冷却效率有关。在万米高空,蒙皮的温度可以低到-40℃,而机身表面也有充分的对流空气,此时第三阶梯的效率是很好的。第二阶梯的受热空气经过蒙皮充分冷却以后,又回到起点再次用于设备冷却。这便是闭环通风形态。
但是回到地面以后,蒙皮温度上升了,机身表面也没有了对流空气,第三阶梯的效率大为降低。当机外温度升高到12℃以上时,航电设备通风计算机(AEVC)将会关闭蒙皮热交换器隔离活门,使蒙皮不参与设备冷却;同时打开蒙皮空气进气口和出气口,此时第二阶梯的空气直来自机外,也排向机外。这便是开环通风形态。
蒙皮是否参与设备冷却,是“闭环形态”和“开环形态”这两者的本质区别。
▲ 在12℃以上时,A320的蒙皮空气出口同样也是地面取暖的好地方
▲ 开环、闭环与过渡形态
以下表格概括了两个机型的差异。