民用飛機液壓能源系統防火設計

謝孟愷

【摘 要】本文通過對適航條款的分析，提出液壓能源系統火災特殊風險防護的必要性；進而闡述液壓系統針對火災特殊風險的設計方案。為民機的工程應用提供指導意義。

【關鍵詞】民用飛機；液壓系統；火災特殊風險

【Abstract】This article proposes the necessity of preventing fire particular risk analysis for civil aircraft by analyzing the certification regulations， and then describes the hydraulic system design principle aim to fire particular risk analysis. This article provides the guidance to the civil aircraft engineering application.

【Key words】Civil aircraft； Hydraulic power system； Fire particular risk

不管是在飛行中還是在地面上，火災對民用飛機而言是最危險的威脅之一。民航失火是飛機使用、維護過程中發生次數最多的事故之一。很多民航發生事故時都伴有起火爆炸現象。據統計，美國民航飛機墜毀事故中由墜毀后起火燒死的人數占到了全部死亡人數的15%，而在那些撞擊可生存的事故中，燒死的比例更是高達約為40%。在民用飛機的設計過程中，始終致力于降低民用飛機火災產生的可能性，及當民用飛機發生火災后，防止火災擴散，將火災對飛機和乘客的影響降至最小。

民用飛機液壓能源系統為飛機的安全飛行提供充足且可靠的能源保障。當前的民用飛機液壓系統普遍使用磷酸酯基液壓油，屬于可燃液體的范疇；又由于液壓用戶和液壓管路遍布民機的大部分區域，故針對火災特殊風險的液壓系統設計是民用飛機防火設計的極其重要組成部分。本文將通過對適航條款的分析，提出液壓系統火災特殊風險防護的必要性；進而闡述液壓系統針對火災特殊風險的設計方案。

1 火災特殊風險的定義

燃燒是指易燃物與氧化劑作用發生的放熱反應，通常伴有火焰、發光和（或）發煙現象。火災是指時間和空間上失去控制的燃燒所造成的災害。火災/著火是由易燃材料、空氣和點火源三要素共同作用產生的。飛機上的各個區域中空氣通常都是存在的，因此應對飛機上的易燃材料和點火源進行控制，以降低火災產生的可能性。

2 適航條款分析

CCAR和FAR第1435條“液壓系統”中的章程25.1435（b）（4）明確定義了采用可燃液壓流體的液壓能源系統需要滿足的要求：“如果使用了可燃性的液壓流體，需要達到第25.863條、第25.1183條、第25.1185條和第25.1189條的應用要求。”通過對第25.863條、第25.1183條、第25.1185條和第25.1189條的條款分析如下：

25.863章節認為液壓能源系統需要增強部件和管路的耐火耐熱能力；減少液壓油和其蒸氣點燃的概率；需提供著火探測設備和相關報警；加裝防火切斷閥。

25.1183章節認為液壓能源系統元件不能位于火區，如果位于火區必須能夠防火。

25.1185章節針對液壓油，要求其容器不能位于火區內。

25.1189章節提供了加裝防火切斷閥的要求。

除了25.1435“液壓系統”中關于火災的相關要求外，章程25.869“系統防火”和25.981“燃油箱點燃防護”也對液壓能源系統的防火提出要求。

25.863章節認為位于指定火區內的導管和接頭必須是防火的。

25.981章節認為布置在燃油箱內的液壓導管溫度低于燃油的最低自燃溫度，液壓系統采取措施避免各種狀況導致液壓系統產生點火源。

3 液壓能源系統防火災設計

3.1 液壓能源系統元件級防火設計

液壓能源系統在設計中考慮預防火災及火災擴大的影響。元件級的相關設計有：

無擴口接頭：現今民用飛機液壓導管采用可拆卸接頭基本為無擴口接頭，泄漏率極低，約為10-6量級，加上平時的維修檢測，將液壓導管泄漏的可能性大大降低，幾乎認為不存在泄漏的可能。

電搭接：通過搭接使得飛機液壓能源系統設備、管路與飛機結構之間提供穩定的低阻抗電氣通路，防止它們之間產生電磁干擾電平，提供電源電流返回通路，是防電擊、靜電防護、雷電防護的必要措施，進而避免火災的產生。

防火切斷閥：用來切斷液壓油防止其流入或流過任何指定火區。防火切斷閥自身必須是防火的，或者必須安置和防護得使火區內的任何著火不會影響其工作；其切斷動作不得影響其它設備（諸如螺旋槳順槳裝置）以后的應急使用；防火切斷閥關閉后，不得有危險量的可燃液體排入任何指定火區，避免液壓油進入火災范圍造成火災擴散；必須有措施防止切斷裝置被誤動；防火切斷閥的安裝位置必須使動力裝置或發動機安裝的結構破損不會影響該閥工作；防火切斷閥必須具有釋放聚積過大壓力的措施。

熱保險接頭：熱保險接頭一般直接安裝在液壓油箱的回油口上，用于避免液壓系統過熱的油液通過燃油箱時可能點燃燃油蒸汽的危險，為液壓系統提供獨立的防止系統過熱的冗余方法。當液壓油溫度超過設定閥值時，低熔點的金屬會融化，從而將過熱的液壓油排放至機體外，避免火災的發生。

熱交換器：民機液壓能源系統多采用被動冷卻方式，即在液壓系統中采用傳統的熱交換器。液壓能源系統通過熱交換器對液壓泵的殼體回油管路與燃油箱燃油進行被動冷卻換熱的方式，交換耗散液壓泵的低效率帶來的系統熱量，減少油液過熱的可能。熱交換器的散熱區域大小根據熱模擬分析結果確定。

3.2 液壓能源系統級防火設計

由于液壓管路遍布全機的大多數區域，并且在燃油箱中存在布置。過熱的液壓油極易造成液壓元件的密封圈失效進而導致液壓油泄漏，同時過熱的液壓油也會成為燃油箱火災的重大隱患，故液壓能源系統合理的溫度主動控制方案是防火設計的重要組成部分。

首先必須確定影響民機液壓系統溫度的主要因素，結合飛行剖面和液壓系統布局進行分析，考察了液壓泵的容積效率、環境溫度和管道散熱對大型客機液壓系統溫度的影響，取得了大型客機在全飛行剖面下液壓系統各關鍵點處的動態溫度分布，并提出了合理的溫度主動控制方案。溫度主動控制方案合理地設置溫度傳感器的位置，實現對液壓能源系統的溫度監控，通過設定溫度控制閥值，結合機組告警對液壓系統超溫狀態和火災狀態采取相應措施，避免火災和火災擴散的可能性。

圖1為某機型1#液壓能源系統溫度主動控制方案簡圖。從中可以看出隨著液壓能源系統的溫度升高，機組提示開始為系統高溫“HI TEMP”，溫度繼續升高時則提示系統過熱“OVERHEAT”，相應的駕駛員操作提示為要求飛行員關閉電動泵和關閉發動機驅動泵（如無發動機驅動泵切斷功能，則關閉防火切斷閥）；同時在溫度的上升過程中，如駕駛員沒有采取手動控制，液壓系統會依次自動關閉電動泵和防火切斷閥，當采取上述措施無法使系統降溫時，位于液壓油箱處的熱保險接頭將熔斷，將過熱的液壓油排至機體之外，系統出現油量低的信號“LOQTP”，飛機將失去1#液壓能源系統的液壓能。

3.3 液壓能源系統飛機級防火設計

根據飛機各個不同區域的火災風險情況，對全機進行防火區域劃分，以國外某民用180座機型為例，將防火區域歸類為指定火區、臨近指定火區、可燃液體泄漏區、易燃區、和非危險區五類防火區域。其中布置有液壓能源系統元件和管路的區域只涉及表1中深灰色背景的區域。

3.3.1 指定火區

指定火區是指按照CCAR 25.1181定義的飛機區域，液壓能源系統全機布置安裝涉及到指定火區的區域為發動機短艙，區域內安裝有液壓管路及系統部件發動機驅動泵。

發動機短艙內的液壓導管材料需采用21-6-9不銹鋼材質，其具有耐高溫特性，最大限度地保證在發生火災特定風險時油液傳輸特性；發動機驅動泵依據CCAR 25.869的規定設計為耐火的以滿足短艙的熱環境。液壓安裝區域需設計為通風冷卻區域，區域內設置有防火探測及滅火管，確保發生火災時及時地采取相關滅火措施。

3.3.2 鄰近指定火區

鄰近指定火區是指定火區的鄰近區域，液壓能源系統全機布置安裝涉及到鄰近指定火區的區域為吊掛區域和尾艙區域（除APU艙以外的尾艙區域）。吊掛區域布置有防火切斷閥和管路；尾艙區域布置有液壓系統元件及管路。

鄰近指定火區與指定火區的分界面上采用防火墻區域進行隔離，有效隔離指定火區發生的火災特定風險，阻止火區蔓延至吊掛和尾艙區域。

吊掛區域應設計為通風區域，避免可燃液體蒸氣聚集；吊掛區域需設計排液管路，有效地排放由于滲漏產生的可燃液體，極大地降低了火災擴大的可能性。吊掛區域液壓導管材料設計為21-6-9不銹鋼材質，具有耐高溫特性，最大限度地保證在發生火災時油液傳輸特性。防火切斷閥位于吊掛后緣區域，其上方應不能存在其他液壓管路，減小易燃液體直接噴射或泄漏到電子電氣設備的可能。短艙發生火災時，如沒有采取滅火措施至火災蔓延，過熱油液回流至液壓油箱將觸發液壓系統過熱報警，位于吊掛處的防火切斷閥將切斷通往發動機短艙的液壓油通路，減小火災蔓延可能性。

尾艙區域應設計為通風區域，避免可燃液體蒸氣聚集；另尾艙區域空間較大，液壓元件和管路與APU艙的間距需要滿足大于要求的13mm間隙；結構底板需設計排液孔，有效地排放由于滲漏產生的可燃液體，極大地降低了火災擴大的可能性。使用定位分析盡量減小易燃液體直接噴射或泄漏到電子電氣設備中的可能；此區域存在電動泵，故在電動泵中需設置過熱/過電流切斷功能，減小成為點火源的可能。

3.3.3 易燃區域

易燃區指正常使用期間，存在易燃液體或蒸氣，但無點燃源的區域。液壓能源系統全機布置安裝涉及到易燃區域的有中央翼區域和機翼盒段區域，液壓能源系統在此區域布置液壓管路。

中央翼及機翼翼盒區域屬于燃油箱范疇，經過惰化后的燃油箱不存在點火源；液壓管路在進出入燃油箱必須進行了嚴格的密封措施，防止可燃液體及蒸氣外溢；燃油箱內全部液壓管路采用永久接頭，降低液壓油泄漏概率；此外液壓管路在燃油箱內需進行切實有效的電搭接，盡可能避免閃電效應帶來點火源的可能。

3.3.4 可燃液體泄漏區

易燃液體泄漏區，指在使用期間，由于某種失效或滲漏，預計出現易燃液體或蒸氣的區域，但無潛在點火源。液壓能源系統安裝布置涉及到可燃液體泄漏區的有RAT艙、前起落架艙、主起落架艙、垂尾、平尾、翼身整流罩、機翼前緣和機翼后緣。液壓能源系統在翼身整流罩布置有絕大部分系統元件；在其他區域只布置有液壓管路。上述區域需設計為非密封區域，可以有效地避免可燃液體蒸氣聚集；液壓系統元件及管路布置相關區域的結構需設置了排液孔，有效地排放由于滲漏產生的可燃液體，并能防止排液進入飛機的其他區域，極大地降低了火災擴大的可能性。使用定位分析盡量減小易燃液體直接噴射或泄漏到電子電氣設備中的可能。由于翼身整流罩區域存在電動泵，故在電動泵中需設置過熱/過電流切斷功能，減小其成為點火源的可能。

3.3.5 非危險區

非危險區指載有機組或旅客和（或）裝有電氣或電子設備的區域，易燃液體及其蒸氣應與此類區域隔絕。液壓能源系統安裝布置涉及到非危險區的有中E-E艙、后貨艙、散貨艙、水/廢水艙，液壓能源系統在此區域布置有液壓管路。

液壓系統管路在非危險區的布置遵循盡可能少布置的原則，減少火災蔓延的可能性；管路布置相關區域的結構需設置了排液孔，有效地排放由于滲漏產生的可燃液體，并能防止排液進入飛機的其他區域，極大地降低了火災擴大的可能性。

4 結語

火災特殊風險作為飛機飛行安全的潛在危險，日益受到航空業界和適航當局的高度重視。本文通過對適航條款的分析，提出液壓能源系統火災特殊風險防護的必要性；進而闡述液壓系統針對火災的設計方案。為民機的工程應用提供指導意義。

【參考文獻】

[1]張瑞華.民機液壓能源系統防火安全性適航條款符合性分析[J].航空科學技術，2012（5）.

[責任編輯：王楠]