飛機燃油油箱氮氣發生系統研究

王國法

(山東太古飛機工程有限公司，山東 濟南250107)

0 引言

在飛機運營過程中，氮氣發生系統(NGS)有時會出現自檢代碼為47-30029(FILTER BLOCKED 過濾器阻塞)的故障，造成藍色性能衰退燈亮。出現此故障信息需滿足下列三個條件：過濾壓差電門感受到高壓信號、氮氣發生系統正在工作、飛機處在爬升狀態。一般維修人員懷疑是過濾壓差電門、過濾器或線路的原因；但在排故后往往發現是空氣分離組件(ASM)故障。更換空氣分離組件后，故障排除。

這是因為空氣分離組件作為氮氣發生系統的核心部件，它將空氣進行分離，氧氣排出機外，氮氣送入中央油箱。但如果由于空氣雜質污染引起空氣分離組件內部纖維膜損壞，內部纖維膜會變得像帶有許多洞孔的吸管一樣而流過過多的氣流量，超過熱交換器的冷卻能力，而引起過濾器兩側壓差值超出范圍，造成藍色性能衰退燈亮。所以當系統出現上述故障時，維修人員可以考慮更換空氣分離組件來排故。

基于此，本文決定對氮氣發生系統的由來、油箱惰化原理、組成、工作原理、及維護進行介紹和分析。

1 氮氣發生系統的由來

氮氣發生系統是在多次航空空難的背景下產生的，特別是著名的TWA800 空難，直接促使美國聯邦航空局(FAA)和波音公司采用此系統。1996 年7 月17 日，美國環球航空800 號班機(TWA800)從紐約肯尼迪國際機場起飛，飛往巴黎戴高樂機場；當時該架波音747-100 型飛機搭載了212 名乘客及18 名機組人員。飛機在起飛后僅12 分鐘就于紐約長島附近的大西洋上空爆炸解體，造成機上全部人員罹難(飛機事故殘骸見圖1)。

圖1 TWA800 飛機殘骸

TWA800 空難發生后，美國聯邦航空局和波音公司進行了大量的調查研究。調查發現事故原因是飛機在爬升時中央油箱的可燃蒸汽被點燃而發生爆炸。美國聯邦航空局先后頒布了很多條例和規章要求消除油箱中潛在的點火源，同時要求消除或顯著減少油箱的可燃性。美國聯邦航空局和波音公司據此引入了燃油油箱氮氣發生系統。

美國聯邦航空局于2005 年下發適航條例，要求2014 年1 月1 日以后出廠的所有100 座以上的民用飛機，必須在出廠前安裝氮氣發生系統；對于未安裝該系統的現役飛機，必須在2017 年前加裝氮氣發生系統。波音公司根據美國聯邦航空局的要求下發了加裝氮氣發生系統的服務通告。

2 氮氣發生系統的油箱惰化原理

燃油蒸汽、氧氣、火源被稱為油箱“起火三因素”。在飛行中，飛機燃油油箱內因雷電、靜電火花、摩擦火花等特殊風險或失效狀態，極易引燃起火三因素而發生災難性爆炸，造成生命和財產的嚴重后果。

飛機在地面時，燃油油箱中液面以上氣相空間的氧氣濃度為21%。飛機在爬升過程中，由于壓力的降低而使溶解在燃油中的氧氣被析出，此時的氧氣濃度大于21%。當氧氣和燃油的揮發蒸汽混合，在有點火源的情況下，可能就會發生燃燒或爆炸。控制飛機燃油油箱內部的氧氣濃度在一定安全值范圍內，從而在油箱內產生一個不易燃的環境，可以防止因點火源出現而引發燃油油箱的爆炸。

根據美國聯邦航空局發布的修正案25-125，當燃油油箱每個隔間的平均氧氣濃度值在海平面到10000 英尺高度區間內小于或等于12%時，或在10000 英尺到40000 英尺高度區間內小于或等于12%到14.5%的線性遞推值時，或在高于40000 英尺高度時小于或等于其線性外推值時，燃油油箱即可被認為是惰化狀態，即不易燃狀態。

氮氣發生系統通過控制向中央油箱提供富含氮氣的增壓氣體，使整個飛行過程中的中央油箱氧氣含量處于不足以支持燃燒的水平，實現了燃油油箱的惰化。

3 氮氣發生系統的組成和工作原理

3.1 氮氣發生系統組成和分析

圖2 氮氣發生系統系統圖

氮氣發生系統使用飛機左側發動機引氣系統的引氣，關斷活門控制來自氣源總管的引氣量，控制器使用系統壓力和電壓去控制關斷活門。控制器通過接收來自引氣導管上的傳感器的壓力信號去調節關斷活門的開度，控制進入系統的氣體壓力。引氣經過臭氧轉換器時，空氣中的臭氧被轉換為氧氣，因為臭氧會降低空氣分離組件的機械性能。熱交換器使用沖壓空氣降低引氣溫度到160°F±10°F，沖壓空氣活門調節進入熱交換器的冷空氣量。控制器接收來自溫度傳感器的溫度信號去調節沖壓空氣活門。過濾器過濾進入空氣分離組件的空氣污染雜質，壓差電門監控此過濾器的工作。空氣分離組件將富氧氣體排出機外，降低氣體中的含氧量。富氮氣體經過高流量活門進入中央油箱，高流量活門控制進入中央油箱的富氮氣體量。控制器通過接收高度傳感器、壓差傳感器的信號去控制打開或關閉高流量活門。富氮氣體分配系統將氮氣通過油箱左部的爬升通氣口的噴嘴送入中央油箱，油箱右部的浮子活門確保氮氣的濃度是恒定的。交輸通氣單向活門確保外界大氣在飛機下降過程中不會稀釋氮氣的濃度。控制器還監控和控制系統的操作溫度和壓力。系統組成和工作示意圖如圖2 所示。

3.2 空氣分離組件原理

氮氣發生系統的核心裝置是空氣分離組件，其采用滲透膜型惰性氣體產生系統。空氣分離組件的工作原理是當兩種或兩種以上的氣體混合物通過纖維高分子膜時，各種氣體在膜中溶解度和擴散系數有差異，導致不同氣體在膜中擁有不同的相對滲透速率。在膜兩側壓力差的作用下，滲透速率相對快的氣體如氧氣、水、二氧化碳等迅速透過中空纖維壁而被放掉；滲透速率較慢的氮氣被滯留在中空纖維內而被富集，從而在纖維的出口端得到較高純度的氮氣。

空氣分離組件包含上百萬根中空纖維高分子膜，安裝在圓柱管束里。運行中，空氣分散到管束，然后進入各個纖維孔。當空氣流穿過纖維膜時，氧氣優先滲透穿過纖維壁面并收集后排出；而富氮氣體在纖維管的另一端產生，用于惰化燃油油箱。其原理如圖3 所示。

然而，當空氣雜質污染造成空氣分離組件內部纖維膜損壞時，內部纖維膜會變得像帶有許多洞孔的吸管一樣而流過過多的氣流量，最終導致氮氣發生系統出現藍色性能衰退燈亮的故障。

圖3 空氣分離組件

4 氮氣發生系統的維護

氮氣發生系統有一個操作指示器(見圖4)，它從控制器獲取信號，顯示氮氣發生系統的系統狀態。操作指示器有三個燈：綠燈-表示系統正常工作；藍燈-表示系統還工作，但性能退化；琥珀色燈-表示系統不工作，必須人工關斷和鎖住NGS 關斷活門。假如所有燈都不亮，說明指示器不工作。當藍燈或琥珀色燈亮時，說明氮氣發生系統有故障。

圖4 操作指示器

氮氣發生系統有一套自檢顯示組件(BDU，見圖5)，維修人員可以利用其進行系統維護和排故。當系統有故障時，自檢顯示組件會顯示故障信息，維修人員可以根據故障隔離手冊進行排故。常見故障信息如表1 所示。

進行排故工作之前，確保飛機處于下列狀態：飛機外部電源接通，液壓系統和氣壓系統關閉，發動機停車，氮氣發生系統中沒有部件失效。

故障隔離手冊中有許多排故步驟，包含多個待排故的項目。為了節省排故的時間，維修人員可以忽略認為不需要排故的項目步驟；但要注意有些項目中包含影響其他項目工作的步驟，這些步驟不能被忽略。

圖5 自檢顯示組件

表1 常見故障信息

5 結束語

氮氣發生系統通過對燃油油箱進行惰化，可以有效防止油箱燃燒爆炸，提高飛機的運行安全性，保證了人民生命和財產的安全。但在飛機運營過程中，由于飛行環境和部件壽命等問題，系統有時會出現一些故障。維修人員對氮氣發生系統有全面的了解和認知，可以快速準確的判斷故障原因，迅速完成排故工作，保障航空公司的飛機利用率和航班準點率。

［1］波音737-600/700/800/900 AMM PART I Chapter 47 REV.28, Dated 15-Oct-2013[S].

［2］波音737-600/700/800/900 FIM REV.52, Dated 15-Oct-2013[S].

［3］美國聯邦航空局FAA Final Rule Docket Number FAA-2005-22997,Dated 21-Jul-2008[S].

［4］美國聯邦航空局FAA Final Rule 25-308-SC REV.0, Dated 05-Dec-2005[S].

［5］波音服務通告SB-737-47-1002 REV.1, Dated 24-Apr-2012[S].

［6］波音服務通告SB-737-47-1003 REV.1, Dated 24-Apr-2012[S].

［7］波音Multi-Operator Message (MOM) MOM-MOM-11-0371-01B, Dated 26-May-2011[S].