一種民機(jī)氧氣系統(tǒng)的區(qū)域安全性設(shè)計(jì)方法

湯旭　劉斌慧

【摘 要】對(duì)某機(jī)型氧氣系統(tǒng)區(qū)域安全性進(jìn)行分析和論述，形成了一套可行的解決方案，并以此表明氧氣系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)對(duì)§25.869c3條款的符合性。

【關(guān)鍵詞】氧氣系統(tǒng)；區(qū)域安全性；§25.869c3

【Abstract】This paper analyzed and discussed the process of safety design and assessment for civil aviation aircraft oxygen system according to SAEARP4761， then indicated the compliance of §25.1309 to system safety design。

【Key words】Oxygen System； Zone Safety； §25.869c3

0 概述

氧氣自身不可燃，但是支持燃燒。大多數(shù)物質(zhì)包括金屬在純氧或富氧環(huán)境中都會(huì)猛烈燃燒。油、脂以及被油、脂污染的物質(zhì)出現(xiàn)在富氧環(huán)境中是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)檫@些物質(zhì)極易被點(diǎn)燃，燃燒會(huì)伴以猛烈的爆炸。當(dāng)空氣中的氧濃度增加時(shí)，潛在的火災(zāi)威脅也隨之增加。當(dāng)空氣中氧濃度超過23%時(shí)，火災(zāi)的威脅使得情況變得非常危險(xiǎn)。由于氧氣密度高于空氣，氧氣會(huì)聚積在低洼的區(qū)域，形成富氧區(qū)。因此適航規(guī)章§25.869系統(tǒng)防火（c）（3）條款規(guī)定氧氣設(shè)備和管路的安裝必須使得所漏出的氧氣不致點(diǎn)燃正常工作時(shí)存在的或因任何系統(tǒng)失效或故障而聚積的油脂、油液或蒸汽。

某型號(hào)飛機(jī)實(shí)施機(jī)上區(qū)域安全性檢查中發(fā)現(xiàn)，前貨艙右側(cè)三角區(qū)域內(nèi)安裝的機(jī)組氧氣瓶組件附近安裝有大量電纜且距離太近，區(qū)域通風(fēng)不夠理想，存在共因故障隱患，即電纜產(chǎn)生的電火花和泄漏的氧氣，可能會(huì)引起燃燒。

1 更改必要性

1.1 該型號(hào)飛機(jī)前貨艙右側(cè)三角區(qū)通風(fēng)描述

客艙右側(cè)空氣流向前貨艙右側(cè)三角區(qū)，釋放的氧氣被稀釋。由于空氣管理系統(tǒng)位于前貨艙后檔板后部的排氣活門的作用，前貨艙左側(cè)三角區(qū)的空氣壓力要低于右側(cè)三角區(qū)的空氣壓力。前貨艙右側(cè)三角區(qū)的空氣可分別從前貨艙前擋板前部、前貨艙頂壁板與客艙地板之間流通到前貨艙左側(cè)三角區(qū)，然后到達(dá)前貨艙后擋板后面的排氣活門處，最終排放到機(jī)外。圖1為前貨艙右側(cè)三角區(qū)空氣流通示意圖。

1.2 前貨艙右側(cè)三角區(qū)氧氣濃度計(jì)算

巡航高度39000ft時(shí)，客艙溫度為18℃～32℃調(diào)節(jié)，通常為24℃。客艙內(nèi)壓力高度為2400m，即75634.3Pa，經(jīng)計(jì)算得密度0.887kg/m3。根據(jù)該型號(hào)飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)流量制度，在正常情況下，通往客艙的新風(fēng)量最低為每位乘客260g/min。按85名乘客，3名乘務(wù)員計(jì)算，通往客艙總新風(fēng)量最低為22.88kg/min，體積流量為25.8×103L/min。

成年人（安靜時(shí)）每分鐘耗氧量為200～300ml。按每分鐘耗氧量為250ml，客艙總?cè)藬?shù)88人計(jì)算，客艙總耗氧量為22L/min。

客艙流出的空氣含氧量Cc=（25.8×103×21%-22）/24800=20.9%。

空勤氧氣瓶容積為1435L-NTPD，13.8psig，21℃。前貨艙右側(cè)三角區(qū)的有效容積為706L。客艙通往右側(cè)三角區(qū)的流量為24L/s。低壓超壓時(shí)調(diào)節(jié)器釋放氧氣流量最大為3L/s。

注：氧氣系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)均按成熟工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，此處進(jìn)行氧氣泄漏計(jì)算時(shí)不考慮管路斷裂、接口脫落等情況，氧氣泄漏流量按較大可能發(fā)生的低壓超壓故障模式下的泄漏量3L/s計(jì)算。

假定低壓超壓釋放后，空勤氧氣瓶內(nèi)1435L的純氧全部通過調(diào)節(jié)器釋放通道排放到前貨艙右側(cè)三角區(qū)內(nèi)，該過程持續(xù)時(shí)間t=1435/3=478s。設(shè)三角區(qū)空氣含氧量的初始狀態(tài)為C0，第n秒后前貨艙右側(cè)三角區(qū)空氣含氧量為Cn。則

C0=20.9%（即客艙流出的空氣含氧量）；

Cn=[3+24×0.209+（706-24-3）×Cn-1]/706

經(jīng)過迭代計(jì)算，在478s后該區(qū)域空氣含氧量達(dá)到最大值29.7%。隨后氧氣濃度開始降低。

1.3 前貨艙右側(cè)三角區(qū)通風(fēng)情況分析

根據(jù)計(jì)算，在原先的設(shè)計(jì)中一旦發(fā)生氧氣泄漏，前貨艙右側(cè)三角區(qū)的空氣含氧量可達(dá)到29.7%。若此時(shí)電纜產(chǎn)生電火花，在富氧的情況下極易引起燃燒，從而導(dǎo)致火災(zāi)甚至災(zāi)難性的事件發(fā)生。該型號(hào)飛機(jī)前貨艙三角區(qū)的通風(fēng)設(shè)計(jì)不能有效消除氧氣釋放在三角區(qū)的安全隱患。

2 設(shè)計(jì)方案描述

在高壓氧氣系統(tǒng)組件（包括氧源）所處的艙內(nèi)，應(yīng)該有足夠的通風(fēng)條件以保證泄漏氧氣的快速稀釋。同時(shí)這種艙也應(yīng)對(duì)液體或其它可能導(dǎo)致火災(zāi)危險(xiǎn)的物體引發(fā)的污染加以足夠的防護(hù)。

對(duì)機(jī)組氧氣瓶組件加裝保護(hù)罩，保護(hù)罩采用絕緣材料，隔離機(jī)組氧氣組件和三角區(qū)電纜；機(jī)組氧氣瓶保護(hù)罩設(shè)計(jì)成密閉艙（即氧氣艙），使機(jī)組氧氣瓶組件、地面充氧服務(wù)面板、高壓管路及附件均包含在氧氣艙內(nèi)。

密閉絕緣的氧氣艙上設(shè)計(jì)？覬30mm的進(jìn)氣孔，并安裝一個(gè)帶橡膠墊的單向閥，保證貨艙三角區(qū)內(nèi)的空氣流入氧氣艙而不會(huì)發(fā)生回流。在飛機(jī)座艙壓力大于外界環(huán)境壓力11mb（地面預(yù)增壓壓力差值）的情況下，單向閥能打開。地面充氧服務(wù)面板上設(shè)計(jì)？覬10mm排氣孔，排氣孔內(nèi)側(cè)安裝一個(gè)節(jié)流降壓的消音器，可以用來減弱氣體排放產(chǎn)生的嘯叫。原理圖見圖2。

該方案有幾個(gè)細(xì)節(jié)需要注意：

1）該開孔將增大全機(jī)漏氣量，應(yīng)綜合考慮最大允許的全機(jī)漏氣量指標(biāo)，并評(píng)估對(duì)壓調(diào)系統(tǒng)的影響；

2）地面充氧服務(wù)面板的口蓋上設(shè)計(jì)相應(yīng)的通氣孔，保證氣體不在地面充氧服務(wù)面板與口蓋之間積聚。建議該通氣孔位于地面充氧服務(wù)面板上的排氣孔下方并與之盡量遠(yuǎn)離，可防止水倒流進(jìn)氧氣艙內(nèi)；

3）穿過氧氣艙壁板的低壓管路和氧氣設(shè)備電纜與氧氣艙相交處需進(jìn)行密封穿墻處理；

4）氧氣艙壁板上需要設(shè)計(jì)維護(hù)口蓋，便于機(jī)組氧氣瓶的勤務(wù)和安裝拆卸。

3 計(jì)算與驗(yàn)證

使用MATLAB軟件初步對(duì)該型號(hào)飛機(jī)氧氣艙內(nèi)壓力在各個(gè)飛行高度上進(jìn)行分析和計(jì)算。計(jì)算建模如圖3和圖4所示。選取4個(gè)飛行高度進(jìn)行計(jì)算，分別是10000ft、25000ft、35000ft和39500ft。

氧氣艙內(nèi)壓力P2取決于氧氣艙內(nèi)空氣量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，供入與排出氧氣艙的空氣量相等：

G1=G3（1）

其中G1、G3分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)氧氣艙內(nèi)的供氣流量、排氣流量。

其中：

μ，系數(shù)，取0.95；

F，面積，單位m2；

Tc，艙內(nèi)溫度，單位K，取297.15K；

Pc，艙內(nèi)壓力，單位mba；

Ph，環(huán)境壓力，單位mba。

軟件計(jì)算時(shí)，下列數(shù)值已知：

Pc和Ph分別見表1中P1和P3；

氧氣艙有效容積V；

氧氣艙進(jìn)口有效面積F1；

氧氣艙出口有效面積F3。

軟件計(jì)算得表1中G1、G3、P2和△P，可知△P值均大于零，初步表明氧氣艙排氣出口處的氣流可以順利排出機(jī)外。

上述計(jì)算是通過前貨艙三角區(qū)壓力P1和氧氣艙排氣出口處壓力P3來計(jì)算不同飛行狀態(tài)的氧氣艙空氣流量和壓力。其中，P1根據(jù)壓調(diào)系統(tǒng)的工作條件給定，P3假設(shè)等于遠(yuǎn)前方來流靜壓。這種計(jì)算方法是不完善的，其結(jié)果只能作估算使用。在實(shí)際飛行過程中，飛機(jī)蒙皮表面各個(gè)位置的壓力并不相同，并且隨飛行狀態(tài)改變。不同位置的壓力變化規(guī)律和變化范圍與該位置和飛行狀態(tài)兩者都有密切關(guān)系。為了較為準(zhǔn)確地計(jì)算氧氣艙的進(jìn)氣流量和排氣流量，還需要采用工程估算、CFD方法或者風(fēng)洞試驗(yàn)，給出氧氣艙排氣出口處的壓力隨飛行高度、速度和攻角等飛行狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律和變化范圍，以此評(píng)估氧氣艙排氣出口處的氣流能否順利排出機(jī)外。該型號(hào)飛機(jī)通過不同高度下部分典型飛行工況的CFD計(jì)算，表明了氧氣艙的氣體能夠順利排出機(jī)外。

此外，基于上述計(jì)算該型號(hào)飛機(jī)還進(jìn)行了氧氣艙排氣功能試飛。通過對(duì)氧氣艙加裝一個(gè)量程（0-5）kPa，精度±0.25%FS的差壓傳感器，在整個(gè)飛行過程中采集氧氣艙內(nèi)消音器進(jìn)口附近與前貨艙右側(cè)三角區(qū)壓差。并對(duì)9000ft飛行高度、以0.5Ma速度巡航，25000ft飛行高度、以0.67Ma速度巡航，30000ft飛行高度、以0.78Ma速度巡航的三個(gè)高度下典型飛行工況進(jìn)行考核。試飛結(jié)果分別見圖5和表2。

通過飛行試驗(yàn)表明，在飛行過程中，氧氣艙排氣孔附近與前貨艙右側(cè)三角區(qū)存在壓差，機(jī)組氧氣瓶泄漏在氧氣艙內(nèi)的氧氣將無法聚積，會(huì)通過排氣孔正常排氣，氧氣艙的排氣功能正常。

4 總結(jié)

該型號(hào)飛機(jī)通過加裝絕緣密閉的氧氣艙，從空間上隔離了高壓氧氣設(shè)備與潛在點(diǎn)火源，并可保證氧氣泄漏后迅速排放到機(jī)外的設(shè)計(jì)措施，符合25.1309（b）（d）和25.869（c）（3）的要求。

盡管該設(shè)計(jì)顯著降低了航線運(yùn)行時(shí)可能由于高壓氧氣系統(tǒng)泄漏發(fā)生危險(xiǎn)性事件的可能性，但在一定程度上降低了氧氣系統(tǒng)的維修性，造成航空公司使用和維護(hù)的不便。同時(shí)，各航空公司仍需要對(duì)氧氣系統(tǒng)使用及維護(hù)相關(guān)的人員進(jìn)行深入的安全意識(shí)及安全性能培訓(xùn)，提高他們對(duì)氧氣系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)，規(guī)范氧氣系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)，規(guī)范氧氣系統(tǒng)使用和維護(hù)的方法，從而避免事故的發(fā)生。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：湯靜]