飛機(jī)燃油箱致燃因素與惰化方法研究

康飛　姚莉君

【摘 要】飛機(jī)燃油箱爆炸直接威脅到航空飛行安全。安裝于機(jī)身內(nèi)部的中央油箱，其上部無油空間容易析出燃油蒸汽，該空間的燃油蒸汽和氧氣的濃度比是否在抑爆的安全值之內(nèi)是至關(guān)重要的。為了提高飛機(jī)燃油箱安全性，國際權(quán)威適航管理部門均制定了強(qiáng)制性的適航法規(guī)，要求降低燃油箱可燃性。分析了導(dǎo)致油箱燃燒的三大要素，提出了現(xiàn)役飛機(jī)上的油箱惰化方法，側(cè)重于機(jī)載制氮系統(tǒng)的原理與纖維膜式空氣分離技術(shù)。對我國掌握機(jī)載制氮核心技術(shù)，提高飛機(jī)設(shè)計的安全性水平的迫切性給與了說明。

【關(guān)鍵詞】燃油蒸汽；油箱爆炸；機(jī)載制氮系統(tǒng)；空氣分離

0 背景

通常情況下，民用飛機(jī)燃油箱劃分為左右機(jī)翼油箱和中央油箱。左右機(jī)翼油箱在飛機(jī)飛行過程中一直與翼面流動的空氣有熱交換，同時在機(jī)翼末端下部配有油箱通風(fēng)口，所以機(jī)翼油箱內(nèi)燃油溫度基本能與環(huán)境溫度一致。中央油箱位于機(jī)身中段下部、主起落架艙前，油箱處于機(jī)身內(nèi)，因此不能與外界環(huán)境發(fā)生熱交換。此外，由于飛機(jī)滑跑起飛后主起落架收起時，液壓系統(tǒng)對主起落架進(jìn)行剎車，剎車轂產(chǎn)生高溫，給中央油箱產(chǎn)生附加熱源。還有其它因素，諸如發(fā)動機(jī)的熱輻射，靜電積累等，都容易導(dǎo)致油箱燃燒[1]。FAA對中央油箱的研究表明，中央油箱位于中段機(jī)身內(nèi)，具有很大的潛在危險性[2]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明中央油箱更加容易爆炸，且已經(jīng)證明了在民用飛機(jī)上應(yīng)用燃油箱惰化是技術(shù)可行的[5]。為滿足適航安全性要求，現(xiàn)代民航飛機(jī)在設(shè)計時，都要求加裝燃油箱惰化系統(tǒng)，為中央翼油箱注入惰性氣體。氣體可按不同的流量模式充入燃油箱，對油箱上部無油空間進(jìn)行洗滌或沖洗，以降低該空間燃油蒸汽中的氧氣濃度，使其保持在適航要求規(guī)定的安全值之內(nèi)，抑制燃油箱發(fā)生爆炸。

1 致燃因素分析

1.1 油箱無油空間蒸汽

飛機(jī)燃油由不同種類的烴類成分組成，隨著油箱溫度的不同，各種烴類易次第揮發(fā)形成燃油蒸汽。燃油箱內(nèi)上部無油空間的燃油蒸汽濃度由燃油箱內(nèi)的蒸汽壓力決定，影響蒸汽壓力變化的直接因素就是燃油溫度。當(dāng)無油空間的油汽和空氣濃度比處于一個區(qū)間值時，該混合氣體容易被點(diǎn)燃。對于航空煤油，該區(qū)間為[0.03，0.2] [1]，在該范圍內(nèi)，對出現(xiàn)的任何足夠能量的熱源或火源都會點(diǎn)燃該油汽混合物。

1.2 油箱可燃性

美國航空委員會的燃油可燃性實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了燃油箱可燃性分析研究，基于熱值模型和蒙特卡洛分析程序，評估燃油箱可燃性。該方法給定飛行任務(wù)分布和執(zhí)飛過程中不同外界環(huán)境溫度下的燃油箱熱特性，以此計算大部分飛機(jī)燃油箱每分鐘內(nèi)溫度變化。把該計算值和油箱滿載情況下的最低和最高溫度進(jìn)行比對，由此確定油箱溫度處于可燃溫度范圍的時間區(qū)間和執(zhí)飛時間的關(guān)系，進(jìn)一步確定油箱的燃爆特性。分析結(jié)果表明，暴露在熱源附件的中央油箱產(chǎn)生近乎30%的燃爆幾率，而未加熱的左右機(jī)翼油箱僅有5%的燃爆幾率。

1.3 潛在火源與熱源

油箱內(nèi)存在多種潛在的火源或熱源，這些因素極易成為引燃油箱的驅(qū)動因子。（1）電弧：與燃油泵連接的電氣部件，與油量傳感器連接的測量線纜，由于長時間接觸燃油，絕緣層遭到腐蝕，在其接線端子處容易產(chǎn)生電弧放電。（2）靜電：與燃油泵連接的供輸油管路、閥門、卡箍等附件，在供輸油過程中或機(jī)動飛行時與燃油發(fā)生接觸摩擦產(chǎn)生靜電。當(dāng)電荷累積到一定程度，形成靜電放電極易引燃油箱。（3）熱輻射：飛機(jī)中央油箱安裝于中段機(jī)身下部，主起落架艙前，在飛行過程中不能與外界環(huán)境接觸并產(chǎn)生熱交換。另外，左右發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會對油箱產(chǎn)生熱輻射；飛機(jī)滑跑起飛后主起落架收起，主起落架輪轂剎車也會對油箱產(chǎn)生熱輻射。這幾部分熱量對中央油箱產(chǎn)生的熱輻射，加速了油箱內(nèi)燃油蒸汽的析出速率。（4）雷擊：飛機(jī)執(zhí)飛的時候，有時會遇上雷雨天氣，飛機(jī)遭受雷擊瞬間，機(jī)體會有強(qiáng)電流通過，這極易引燃飛機(jī)油箱，造成嚴(yán)重后果。

2 燃油箱惰化方法

常溫常壓下，燃油蒸汽的安全氧氣濃度為12%。若考慮油箱點(diǎn)火源強(qiáng)度及溫度和壓力等實(shí)時變化，很多研究已驗(yàn)證，當(dāng)油箱內(nèi)氧濃度為9%或更低，任何嚴(yán)酷條件下，燃燒幾乎不會發(fā)生。飛機(jī)燃油箱惰化條件被定義為：如果油箱每個艙室內(nèi)的平均氧氣濃度在海平面到3048m之間不超過12%；從3048m到12192m之間，該濃度值從12%線性外推增加到14.5%；高于12192m時，氧氣濃度值小或等于其線性外推值，則該油箱被認(rèn)為是惰性的[2]。

飛機(jī)燃油系統(tǒng)的抑爆能力，直接關(guān)系到飛機(jī)生存力，也關(guān)系到飛機(jī)的利用率以及人員安全。解決該問題的設(shè)計思路之一就是控制油箱無油空間內(nèi)氧氣濃度低于引燃值區(qū)間，此外還可以引入耐高熱性質(zhì)的氣體或填充泡沫以增加油箱蓄熱能力，使?jié)撛诨鹪椿驘嵩串a(chǎn)生的能量達(dá)不到燃油閃點(diǎn)。本文側(cè)重于前一種思路，采用機(jī)載液氮或機(jī)載制氮系統(tǒng)在飛機(jī)停留或執(zhí)飛階段給中央油箱沖入氮?dú)猓詻_洗或洗滌的方式來稀釋油箱上部無油空間的氧氣濃度。

2.1 機(jī)載液氮系統(tǒng)

執(zhí)飛前，航務(wù)人員從地面液氮灌向飛機(jī)上的液氮存儲系統(tǒng)充氮。飛機(jī)油箱需要惰化時，飛行員開啟液氮開關(guān)，經(jīng)過一系列壓力和溫度調(diào)節(jié)之后，生成的適溫適壓氮?dú)獗蛔⑷肴加拖洌赃_(dá)到油箱惰化的目的。 這是一種成熟的惰化方法，但囿于機(jī)載液氮設(shè)備重量較大，而且對機(jī)場后勤保障系統(tǒng)要求較高[3-4]。文獻(xiàn)[5]中介紹了一種采用機(jī)載低溫空氣分餾技術(shù)制取液氮，并進(jìn)行裝罐存儲，然后再進(jìn)行后續(xù)的狀態(tài)調(diào)節(jié)并應(yīng)用。

2.2 機(jī)載制氮系統(tǒng)

2.2.1 機(jī)載制氮系統(tǒng)原理

機(jī)載制氮系統(tǒng)的引氣來自發(fā)動機(jī)或環(huán)控系統(tǒng)，引氣經(jīng)熱交換器與機(jī)腹NACA進(jìn)氣口進(jìn)入的沖壓空氣進(jìn)行熱交換之后，再進(jìn)一步經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)，水汽過濾，進(jìn)入空氣分離器，空氣分離器將空氣分解為氮?dú)夂脱鯕狻Ｑ鯕馀懦鰴C(jī)外，氮?dú)馑屯掠危?jīng)流量控制閥后充進(jìn)中央油箱上部，以達(dá)到降低中央油箱無油空間氧氣濃度，惰化油箱的目的[2]。機(jī)載制氮系統(tǒng)的重量相對較輕，惰化效率高，能長時間保證執(zhí)飛期間不同飛行階段對油箱增壓和惰化的需求。基于計算機(jī)控制的機(jī)載制氮系統(tǒng)可以結(jié)合飛行管理計算機(jī)的給定輸入信號，對充入中央油箱的氮?dú)饬髁靠刂疲瑵M足飛機(jī)在爬升、巡航、降落等不同飛行狀態(tài)下油箱氣壓變化導(dǎo)致的不同流量氮?dú)獾男枨罅浚员ＷC油箱內(nèi)外壓力平衡。機(jī)載制氮惰化系統(tǒng)原理見下圖1所示。

2.2.2 空氣分離機(jī)制

機(jī)載制氮系統(tǒng)的空氣分離器根據(jù)工作原理不同分為纖維膜式空氣分離和吸附床式分子篩選分離。纖維膜空氣分離基于半透膜技術(shù)，纖維膜由成千上萬纖維孔組成，是一種中空的高分子聚合物膜，每個纖維孔徑和頭發(fā)尺寸相當(dāng)。氣體分子在聚合物基質(zhì)中會發(fā)生溶解和擴(kuò)散，由于空氣中各種氣體分子在膜中的溶解度和擴(kuò)散數(shù)的差異導(dǎo)致了不同氣體在膜中的滲透速率不同。在纖維膜兩側(cè)壓差作用下，氧氣等通過纖維膜壁的速率比氮?dú)庖欤瑥亩鴱睦w維膜壁釋放出去。氮?dú)獾葷B透速率慢的氣體被滯留在纖維膜壁內(nèi)，從而被富集，產(chǎn)生高純度的氮?dú)猓w維膜式空氣分離器產(chǎn)生的氮?dú)鉂舛韧ǔ？蛇_(dá)99%以上。常用以提高纖維膜分離效率的因素有：（1）增加進(jìn)氣壓力，提高單位時間內(nèi)的制氮效率；（2）降低外界壓力，提高氧氣的析出速率和氮?dú)獾臐舛龋唬?）適當(dāng)提高進(jìn)氣溫度，但溫度超過82℃會影響纖維膜活性。纖維膜空氣分離器內(nèi)部工作機(jī)制如圖2所示[6]。

基于分子篩分離技術(shù)的壓力轉(zhuǎn)換吸附裝置，工作吸收介質(zhì)為硅藻土，工作原理如下圖3示。在一次工作周期中，該裝置在高壓下首先吸附空氣中的氧氣，而將氮?dú)馀懦觯?dāng)吸附床壓力減至常壓時，吸附的氧氣被釋放，完成一次氮氧分離。重復(fù)該過程，達(dá)到連續(xù)氮氧分離的目的，輸出氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)95%～99%。

以上兩種空氣分離機(jī)制相比較，纖維膜式空氣分離器可提供純度更高的氮?dú)猓@更能滿足飛機(jī)從巡航狀態(tài)急速下降時給中央油箱充入更多的增壓惰性氣體的需求；纖維膜式空氣分離器體積相對也比較小，重量輕，這適用于減重設(shè)計需求；纖維膜空氣分離器一般工作壽命在兩萬小時，相比分子篩選式分離器有更好的長期穩(wěn)定性。纖維膜式空氣分離器的這些優(yōu)勢決定了當(dāng)今先進(jìn)的波音和空客等大型民機(jī)都選用它作為機(jī)載惰化系統(tǒng)的核心部件[7]。我國在機(jī)載燃油箱抑爆和機(jī)載制氮技術(shù)方面的研究仍然需要加緊步伐，在新時期無論是軍機(jī)還是民機(jī)，對于該項(xiàng)核心技術(shù)的掌握程度將直接決定我國飛機(jī)設(shè)計的安全性能否達(dá)到世界先進(jìn)水平。

3 結(jié)語

從飛機(jī)中央油箱防爆抑爆的必要性出發(fā)，分析了導(dǎo)致中央油箱燃油溫度升高的潛在熱源，燃油箱靜電釋放導(dǎo)致起火的因素和燃油箱自身隨外界環(huán)境變化的熱特性。給出了導(dǎo)致燃油箱燃爆的油箱上部無油空間空氣和燃油蒸汽濃度比區(qū)間。基于以上分析，給出兩種飛機(jī)燃油箱惰化的方法。重點(diǎn)介紹了機(jī)載制氮惰化系統(tǒng)的工作原理，分析了其核心部件——兩種空氣分離器的工作機(jī)制。作以對比，為當(dāng)前世界上的先進(jìn)民機(jī)選用空氣分離器的依據(jù)作了可靠的說明。

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