APU火警探測系統溫度特性分析

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

輔助動力裝置(簡稱APU)是裝在飛機上的一臺不依賴于機外任何能源、自稱獨立體系的小型燃氣渦輪動力裝置[1-4]，其功用是為飛機主發動機起動和飛機環控系統提供壓縮空氣，同時帶動發電機向飛機提供應急電源，是飛機的重要子系統[5-8]。

APU系統包括APU、燃油和控制系統、點火和起動系統、滑油系統、防火系統、冷卻通風系統、進氣和排氣系統等。APU防火系統作為輔助動力裝置系統的重要組成部分，對于飛機的安全性起著至關重要的作用，特別是對于大型運輸類飛機而言，當APU出現火情后，火警探測系統為機組提供快速準確的報警指示，提示機組采取有效的滅火措施，將飛機發生著火或過熱等危險狀況后的危害和損失控制在最小，以保證機組和乘客的安全。

為了評估APU火警探測系統的性能，一般需通過飛行試驗來驗證。本文基于某民用飛機APU系統合格審定試飛，測量了APU火警探測系統環境溫度，研究APU火警探測系統溫度變化特性和探測系統評估方法，為APU火警探測系統的設計和驗證試驗提供借鑒。

1 試驗對象描述

某型號民用飛機選用的輔助動力裝置是一臺恒速、600馬力燃氣渦輪輔助動力裝置，其主要功能為：1)在4.5 km以下的機場和4.5 km以下的高度為環控系統提供引氣；2)在4.5 km以下的機場和7.5 km以下高度作為起動主發的氣源；3)在4.5 km以下的機場和整個飛行包線內作為飛機的輔助電源。

APU火警探測系統采用線狀火警探測元件。探測元件的電阻值隨溫度升高而減小，當周圍的環境溫度超過設定值時，由防火控制盒通過航電系統向機組人員發出EICAS(飛行機組指示系統)報警和語音報警。APU火警探測系統安裝在前、后防火墻上。APU火警探測系統均采用雙環路結構，每條環路可獨立完成探測功能。當兩條環路都正常工作時，防火控制盒采用雙環路工作模式，即兩條環路均有報警時才認為APU有火警。當一條探測環路故障后，防火控制盒自動切換為單環路工作模式，即只要有一條環路報警就認為有火警。

2 試飛方法

試飛過程中需對APU火警探測器環境溫度進行測量。在火警探測器附近分別加裝環境溫度傳感器，測量部位包括前防火墻(T1、T2)和后防火墻(T1、T2)。火警探測系統驗證試驗的目的是測量火警探測器的最高環境溫度。這需在APU運轉條件下，并給APU施加最大引氣負載和電負載條件下進行。通常，飛機上的用電系統不能使APU電功率輸出達到最大，需在飛機上加裝額外的負載系統來實現。在整個飛行試驗過程中，APU電功率輸出均處于最大狀態。試驗狀態包括：①起飛前APU地面穩定工作，②爬升、不同高度穩定平飛、下降過程，③飛機返場后的APU停車階段。

3 試驗結果分析

圖1給出了整個飛行過程中飛行高度、APU轉速、APU引氣狀態和電負載的時間歷程曲線，圖2給出了整個飛行過程中火警探測器環境溫度時間歷程曲線。試驗結果如下：

在地面APU完成起動后，APU在最大引氣和最大電功率條件下穩定工作，APU火警探測器環境溫度(T1、T2、T3、T4)逐漸上升，APU穩定工作50 min后，火警探測器環境溫度達到穩定(溫度變化率小于1.1 ℃/min)。

利用APU引氣起動主發動機，隨后飛機滑跑、起飛，存在速度后，由于沖壓作用，外界氣流從APU冷卻進氣口進入APU艙，艙內冷卻條件得到改善，火警探測器環境溫度開始下降。

在飛機起飛爬升過程中，隨著速度的增加，高速的外界氣流在沖壓進氣道中減速增溫，使艙內冷卻效果變差，火警探測器環境溫度這時隨著速度的增加而略微上升。飛機完成起飛爬升后，接著隨高度的增加，大氣溫度降低，外界冷空氣通過冷卻進氣口和進氣道進入APU艙和APU內，使冷卻火警探測器環境溫度取得良好效果。飛機在某一高度上平飛，隨飛行時間的增加，APU艙內的冷卻效果得到改善，火警探測器環境溫度隨之降低。在飛機從高空下降、返場等過程中，大氣溫度逐漸升高，使APU艙內冷卻效果變差，火警探測器環境溫度這時隨高度的降低而上升。APU卸載關車，火警探測器環境呈略微下降趨勢。APU關車后，外界沖壓冷卻空氣消失，APU本體散發的熱量導致火警探測器環境溫度呈先上升后下降的趨勢。

試飛結果表明，火警探測器環境溫度最大值出現在起飛前APU地面開車階段或飛機著陸后APU關車后的熱浸透階段。對于APU火警探測系統，符合性驗證試驗應在地面、起飛、爬升及不同高度平飛及飛機著陸后APU關車階段考核，重點應考核起飛前APU地面開車階段和飛機返場后APU關車后的熱浸透階段，在APU開車階段，還應給APU施加最大的電氣負載和引氣負載。

4 火警探測系統評估方法

適航條例要求[9]，火警探測器的數量和位置要保證能迅速探測該區的火警，在可能出現的油、水和其它液體或氣體條件下不得影響報警。從條款要求來看，火警探測器的設計應滿足：1)把指示火災的溫度極限定得盡量低一些；2)留有一定的余量以避免虛假報警。因此，在飛機運營過程中火警探測器的真實最高環境溫度對設計單位制定合理的報警溫度值具有重要指導意義。

為了對安裝的火警探測系統定義可接受的設定裕度，按照CCAR25.1043(b)冷卻試驗要求的最大熱天溫度(海平面環境溫度至少規定為37.8℃)測量的火警探測器最高溫度值與定義的火警探測器報警溫度設定值相比較，火警探測器最高溫度值和報警溫度值之間的裕度應在65℃～120℃[10]。保持這個裕度可以確保不會發生過多的假火警而且能夠探測到著火。

某飛機環境包線定義如下：

當Hp≤4.5 km

Th=ISA+40=15-6.5*Hp+40

(1)

當4.5 km

Th=ISA+35=15-6.5*Hp+35

(2)

Th—飛機環境溫度包線右邊界溫度，℃；

Hp—氣壓高度，km；

一般試驗天的環境溫度低于飛機環境溫度包線右邊界規定的溫度，采用公式(3)對試驗中采集的火警探測器環境溫度數據進行修正。

T=Tc+(Th-Ta)

(3)

T—修正后的火警探測器環境溫度，℃；

Tc—實際測量的火警探測器環境溫度，℃；

Ta—環境溫度，試驗中火警探測器最高溫度首次出現時的外界大氣溫度，℃。

圖3

圖3給出了整個飛行過程中火警探測器各測點最高溫度值(Tc)、修正后的最高溫度值(T)和推薦的報警溫度值(Tb)。試驗結果表明，飛行試驗中測量的火警探測器最高溫度值101.3℃，按照MIL-F-7278C的設計準則，推薦的報警值為221.3℃。根據試驗結果，設計單位最終確定的APU火警探測系統報警溫度值為221℃。

5 結論

APU火警探測系統驗證試驗是民用飛機防火系統適航取證的重要考核內容，對于某型號飛機，APU火警探測系統溫度特性如下：APU火警探測器環境溫度隨高度上升而下降，火警探測器環境溫度的最大值出現在地面APU開車階段或APU關車后的熱浸透階段。

采用合適的數據修正方法對實際測量的火警探測系統最高溫度進行修正，對合理設定火警探測系統的報警溫度值具有重要指導意義。

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