根据国际航空运输协会[1]发布的数据，预计到2025年全球航空业的乘客数量将达到49.88亿人次，创下历史新高。这种快速增长加剧了确保客舱环境安全、健康和舒适的挑战。然而，与地面公共空间的舒适性指标有详细规定不同，适用于客机的适航标准[2]并未对客舱湿度水平施加限制。实际上，飞机客舱通常是低湿度环境[3]，这可能导致鼻子、喉咙、眼睛和皮肤干燥。这些症状通常发生在露点低于0°C时[4]。此外，客舱湿度在不同飞行阶段会有显著变化[5]。在巡航阶段，极低的外部湿度有助于维持低客舱湿度；而在起飞或降落阶段，由于外部环境中的水分增加，客舱湿度会显著上升。尽管如此，出于对冷凝引起的结构腐蚀和微生物生长的安全考虑，客舱湿度通常维持在20%以下[6]——优先考虑飞行安全而非乘客舒适度。在这种受控的低湿度环境下，相关标准规定飞机的最大露点为34°C[7]，这对环境控制系统（ECS）的除湿性能构成了重大挑战。当环境湿度较高且超过ECS的除湿能力时，ECS出口可能会出现自由水滴甚至冰粒。在典型系统中，ECS提供的新鲜空气与客舱循环空气混合后才会进入客舱。虽然这种混合可以提高供气温度并可能减少自由水滴对客舱环境的影响，但并不能消除ECS管道内结冰的风险。未能及时有效地除冰可能会危及飞行安全。特别是在全球变暖导致极端高温和高湿度天气事件频发的背景下，提高ECS的除湿能力变得至关重要。因此，系统地评估ECS是否能够满足高湿度条件下的需求对于飞行安全至关重要。
几乎所有大型商用客机的ECS都采用空气循环系统（ACS）——一种逆卡诺循环——来调节客舱温度、压力和湿度。为了提高制冷和除湿效率，已经取得了两项关键技术进步：（1）核心空气循环机从三轮配置（例如B737、MD-30）和四轮配置（例如B747、A320）发展到了四轮配置（例如A380、B777）；（2）开发了高压水分离器（HPWS）（例如B757、B777）和低压水分离器（LPWS）（例如A310、B747、B737）。早期的LPWS安装在ECS的低压段，由于水蒸气难以凝结，导致分离效率较低。相比之下，HPWS安装在高压段，较高的压力促进了凝结；结合高速气体流速和旋流叶片，实现了更高的分离效率。然而，从系统层面来看，潮湿空气中的水蒸气凝结可能导致冷凝器或涡轮机堵塞。DeFrancesco[8]对带有HPWS的三轮ACS（3WACS）和带有HPWS的四轮ACS（4WACS）的除湿能力进行了详细比较，得出4WACS能够保持冷凝器在冰点以上的运行。尽管获得了组件和装配层面的温度分布数据，但本研究与实际系统相比存在显著简化，并未建立整个ECS的湿工况分析方法。
除了基于加压的方法外，还探索了其他除湿技术。Yuan等人[9,10]提出了一种膜除湿ECS，用中空纤维膜除湿器替代了冷凝器-水分离器组件，以实现无相变除湿。然而，其效率受进气压力、空气质量流量和除湿器扫气比的影响；此外，它需要部分引气作为扫气，从而减少了可用供气量。Wang和Yuan[11]讨论了在运输应用中用ACS替代传统蒸汽压缩系统的潜力，指出ACS由于能够重复利用凝结水而适用于夏季冷却。Hamlin等人[12]提出在换热器上游的冷却剂流中喷洒凝结水，以减轻空气循环制冷机的除湿引起的热性能下降——这是一种长期用于飞机ECS的技术。在地面空调领域，也出现了针对ACS湿工况挑战的替代解决方案，例如集成干燥剂的空气循环制冷系统[[13], [14], [15]]。Yang和Yang[16]提出了一种加压除湿空调系统，将飞机ECS的HPWS技术与干燥剂轮除湿结合用于地下空间。然而，干燥剂轮的重量使其不适用于飞机，因为飞机面临严格的体积和重量限制。换句话说，飞机必须依赖现有的ECS配置来应对高湿度条件。
由于系统复杂性和实验设置所需的大量投资，公开研究中关于系统级ECS的实验相对较少。Zhao等人[17]在0至10,000米的模拟飞行高度范围内测试了三轮自举HPWS ACS（2WACS）的热性能。在0米高度、进气湿度比为21.4 g/kg（干空气）的情况下，出口湿度比保持在3 g/kg（干空气）以下，显示出良好的除湿性能。然而，他们实验中使用的引气温度和压力与实际商用飞机的进气参数有显著差异，限制了真实ECS除湿能力的反映。Yang等人[18,19]分别对2WACS和带有HPWS的分体四轮ACS（S4WACS）进行了测试。尽管如此，他们的重点主要是热参数分布（如温度、压力），而没有针对高湿度条件的模拟。
在飞机ECS仿真建模方面，Li等人[20]使用热流方法建立了2WACS的模型，并用参考文献[17]中的高湿度条件数据进行了验证。然而，这项研究侧重于最小起飞总重优化，而非深入探讨湿工况下的热性能。Bender应用了?方法对起飞、巡航、降落和滑行阶段的ECS进行了基于模型的评估。所考虑的最大湿度条件（15°C，60%相对湿度）与高湿度运行条件有显著差异，且内部湿度变化过程没有详细说明[21]。类似的研究还包括[22]。Yin等人[23]通过ANSYS Simplore-Fluent耦合实现了PID控制，用于动态调节客舱供气温度，但未涉及与湿度相关的性能。
为了揭示ECS的热机械转换机制，Yang和Yang[18,24]提出了一种可逆热力学分析方法（ETM）。与传统关注离散点热力学状态的模型不同，ETM推导出了ECS热力学特性的代数表达式，建立了组件参数、飞行条件和系统性能之间的分析关系。尽管模型验证表明考虑湿度可以提高低湿度下的局部精度，但研究仍主要集中在干工况下。值得注意的是，Duan等人[25]为3WACS开发了一个参数分解模型，分析了进气湿度从0到25 g/kg（干空气）时的冷却能力变化以及冲压空气水喷雾的影响。Yang和Yang[16]将焓方法与ETM结合，研究了地下空间的除湿系统，揭示了热-湿-功转换机制——为飞机ECS在高湿度条件下的适应性分析提供了宝贵的见解。
总之，目前关于ECS基本热力学特性的研究，如在高湿度运行条件下的除湿能力和热机械转换机制，仍处于初步阶段，存在三个关键空白：（1）缺乏在真实高湿度条件下的系统级评估；（2）缺乏揭示湿工况下热-湿-功转换机制的分析模型；（3）不清楚关键组件及其提高除湿极限的潜力。
为了解决这些空白，本研究重点关注飞机ECS的除湿极限。基于焓方法和ETM，进行了全面的湿工况热性能分析，推导出了三种典型系统（3WACS、S4WACS和增强型S4WACS）的分析表达式。此外，系统研究了环境参数和关键组件对除湿性能的影响。敏感性分析确定了湿工况设计的关键组件，并量化了其性能改进对除湿极限的影响。本研究的创新之处在于对ECS在湿工况下的热性能、系统改进方向和改进潜力的全面评估，揭示了系统的热-湿-功转换机制。这一分析为提高飞机ECS在高湿度条件下的适应性提供了直接的设计指导。
