研究了飛機環控試驗平臺動態試驗高度( 壓力) 模擬對真空系統的要求，分析該真空系統的動態特殊性，給出了真空系統氣量與高度模擬的動態數學模型。通過計算機軟件和三維實體設計，建立了數字化的真空系統模型，通過模型仿真運轉、優化設計，實現了工程化，并且取得實用數據。通過系統實施，建立了動態真空試驗系統的設計模板，可以拓展應用到民用的化學氣體輸送、煤礦瓦斯抽放輸運等工程。

　　真空系統是飛機環控系統試驗中必不可少的主要設備。環控系統附件、全系統試驗都有高度模擬的要求，需要相應高度的真空等環境。不同高度的環境大氣壓力是高空環境模擬中重要的參數。飛機在爬升和俯沖過程中隨著高度的不同，外界環境壓力都會相應變化。真空系統實現高空環境模擬，其設計形式、型號選擇、控制方式決定了壓力模擬的準確性和實時性。飛機環控實驗是變真空、變流量的動態實驗，在實驗過程中有大量外界模擬氣體進入系統，同時也有部分系統泄漏氣體進入系統。我們據此特點對真空系統進行了研究和試驗，并在工程化過程進行了優化改進，提出了拓展使用的方向和方法。

1、系統要求

　　飛機環控系統試驗要求: 高空艙( 大艙) 容積600 m³，艙內供氣9000 kg /h，要求真空系統能模擬從地面到12000 m 高度范圍，以0 ～ 25 m/s 變化速率爬升、俯沖，環境壓力從大氣壓1013 hPa 到180 hPa。真空系統應能適應跟隨，不能出現抽氣能力突變。

　　高空艙( 小艙) 容積12 m³，艙內供氣3000 kg /h，要求真空系統有抽氣到20000 m 高度對應真空的能力。

2、系統選型

　　分析系統要求可見，該系統為動態( 變真空、變流量) 模擬飛行器在空中爬升、巡航、俯沖等動作過程中即時的環境壓力變化。

　　與一般真空系統要求有很大不同，一是整個工作模擬過程需要有高空艙外輸入0 ～ 9000 kg /h 的試驗氣體，同時有系統泄漏氣體進入系統。二是系統需用真空系統真空度變化大，從海平面大氣壓1013 hPa 到20000 m 高空54 hPa。抽氣速率( 體積流量) 變化量范圍很大，最大氣量48000 m³ /h，最小氣量2500 m³ /h，并且在此范圍內連續可調，不能出現階梯突變。

　　為此，本文通過空氣動力學和真空物理學建立了分系統的設計模型，分別有高度變化與需用氣量動態模型、系統氣體壓力流場與模擬點動態模型、復合真空泵組動態操控等。其計算模型見表1 - 表3。

表1 大艙需要氣量計算模型

表2 小艙氣量計算模型

　　組成真空系統的元素有真空泵、閥門、管線、控制系統等，其中最重要的是真空獲得設備的形式、規格和配置選擇。

表3 管線設計模型

　　根據充氣量平衡原則，選用真空泵及機組組成復合真空系統，可以完成從海平面到20000 m 高空模擬過程中爬升、巡航、俯沖氣量要求。同時對系統壓力控制采用抽氣節流控制和充氣輔助調節方式，實現抽氣速率的平穩化和壓力控制精度。

3、真空系統設計方案

3.1、真空泵類別選擇

　　從真空度、抽氣量方面考慮，很多真空泵可以用于該系統的真空泵，比如: 旋片式真空泵、滑閥式真空泵、往復式真空泵、螺桿式真空泵、氣冷羅茨泵等。但是該系統在使用過程中不斷調整壓力，同時在工藝過程中同時沖入補充氣體，真空泵不斷在極限真空度和大氣壓之間反復沖擊。上述泵可能產生噴油、噪音增加等問題，不適合大質量流量工藝。本工程的前期曾經采用14 臺滑閥式真空泵系統，因為工作模式的特殊性，造成噴油、噪音大、啟動周期長等問題，基本不適合本工程需要。

　　經過比較、仿真后確定選用水環式真空泵作為主泵，適應變負荷、充氣等工況。同時因為該類型的真空泵可以作為正壓、負壓狀態氣體輸送泵，抽氣范圍廣、抽氣量平穩，滿足試驗高度范圍內0 ～ 9000kg /h 氣體流量。最大優點是該泵無油操作，噪音低，適應大型器件真空試驗。根據試驗區域供電情況和其它工程條件將系統配置成12 個工位( 與原來滑閥式真空泵房機位相同) 。經國內外同類工程比較，中外合作技術的SKA 型水環式真空泵在該類工程有顯著優勢。

　　系統也可以采用單臺大型真空泵或者多臺大型真空泵組合工作，但是組合工作時必然產生抽氣速率梯度大、能耗高、難以精準控制有效抽氣速率，可以作為其他靜態( 恒真空、恒流量) 工程參考。

3.2、真空機組及組合

　　小艙試驗真空度高，經常工作在100 ～53 hPa范圍內，水環式真空泵雖然在該范圍內可以工作，但是對于工況環境變得敏感，特別是工作液溫度。但是工作現場又不能提供冷媒水，所以單獨使用水環式真空泵將使系統變得龐大。為此我們選用氣冷式羅茨泵與水環真空泵組成機組，實現高真空條件下具有高抽速。由1 臺氣冷羅茨泵和1 臺水環泵組合成1 套機組，共4 套，該4 套機組的水環真空泵與8臺獨立的水環泵可以互相代替、互為備用，即任何1臺水環真空泵可以與任何1 臺空冷羅茨泵組合，滿足試驗要求。當模擬實驗高度變化引起壓力變化，可以單臺或多臺羅茨泵與單臺或多臺水環泵組成系統工作。這種組合方式使得抽氣量平穩、真空度控制精準。系統原理圖如圖1; 系統組成三維圖如圖2。由標準化JZJS 型羅茨水環泵機組技術優化設計，專為該工程的機組為JQZE-1，已經應用于結冰風洞先導試驗等工程，設備實用數據準確。

圖1 系統原理圖

圖2 系統組成三維圖

　　由獨立水環真空泵、JQZE-1 型氣冷羅茨-水環真空泵機組組成的復合型水環羅茨泵機組系統滿足試驗條件，同時適應原有場地條件和工程條件。專門為該系統設計的JQZE-1 型氣冷羅茨-水環真空泵機組如圖3

3.3、壓力( 真空) 調整模式

　　壓力( 真空) 調整控制以真空系統有效抽速實現，可以采用變頻調速、真空泵組合運行數量、抽氣管線節流、抽氣管線充氣等模式，或者幾種模式組合。

　　各種模式各有特點:變頻調速: 可以連續調整抽氣量，但是對于大抽速真空泵，單臺真空泵配用功率達到180 kW，總裝機功率達到3000 kW，在經濟方面投資大，控制程序復雜。最重要的是，真空泵運轉速度在一定范圍穩定，當運轉速度過高、高低都會引起效能大范圍變化，甚至可能引起非正常工作，變頻調速只能在一定真空范圍內進行，基本不適合該系統。運行真空泵數量組合: 根據試驗的高度不同，計算機控制程序給出需要啟動真空泵的數量，實行壓力控制。該方法對于小型真空系統可行，但是對于大型真空泵，其啟動時間( 進入正常工作) 較長，可能造成系統壓力跟隨滯后，影響試驗效果。

　　抽氣管線節流、抽氣管線充氣: 即通過改變抽氣管線流導實現真空度改變。該系統的充氣為變流量，為了保證試驗氣體組分符合環控實驗要求，不能直接往艙內補氣。所以我們采用抽氣管線節流、充氣相結合模式，有效控制艙體出口有效抽氣速率，達到精確控制壓力的目的。

圖3 氣冷羅茨-水環真空泵機組

圖4 某一型號實驗實測數據

4、系統實施效果

　　完成系統設計方案后，進行了系統的制造和調試。首先進行了真空泵和真空機組在工廠內單體測試實驗，達到單體技術參數后，在環控實驗平臺進行總體組裝和實驗。在現場總體聯調聯試時，先行調整獨立的8 臺SKA 型水環泵，考驗配置的供水系統、配電系統以及操控系統等。然后進行了JQZE-1機組運行試驗，最后整體系統調試。實驗數據證明SKA 型水環真空泵和JQZE 型羅茨-水環真空機組用于空間壓力模擬，壓力實現精準，操作簡單。

　　圖4 為某次試驗數據，從中可以看到整個系統壓力模擬準確，滿足研究試驗要求。該真空系統已經應用于國家多個重點型號飛機環控系統研制試驗。

　　該系統同時可拓展使用，包括結冰實驗、空中加油實驗等。用于靜態( 恒真空) 、動態( 變真空、流量) 等模擬系統實驗。飛機環控實驗平臺真空系統研究，建立了仿真、模擬實驗模型，帶動了組合式真空系統的應用，滿足國防裝備開發需要，為大型真空動態系統設計提供了經驗。整體系統設計、配置、實驗方法推廣，已經應用于國家基礎工業的化學氣體抽除、壓縮、輸送系統。用于乙炔、氫氣、甲烷、乙醇、乙二醇等爆炸性氣體的輸送工藝，通過模型模擬、仿真，可以保證安全運轉，實現節能、環保，滿足煤炭、石油、化工等就工業新要求。