民用飛機燃油箱可燃性評估方法研究

溫博，陸中

（南京航空航天大學民航學院，南京　211106）

?

民用飛機燃油箱可燃性評估方法研究

溫博，陸中

（南京航空航天大學民航學院，南京211106）

摘要：民用飛機燃油箱可燃性評估是民機燃油系統適航符合性驗證的重要內容。美國聯邦航空管理局（FAA）對燃油箱可燃性評估方法進行了深入研究與解讀，分析了飛機燃油箱可燃性影響因素，明確了燃油箱可燃性相關參數計算方法，給出基于蒙特卡羅仿真的民用飛機燃油箱可燃性評估流程。該程序以蒙特卡羅仿真為基礎，通過隨機模擬生成飛行航段中各時間增量的燃油溫度，以燃油溫度是否在燃油可燃性上、下限之間作為該時間增量內燃油箱可燃的評判標準，求得燃油箱可燃時間，進而求得燃油箱可燃性暴露率。

關鍵詞：適航審定；燃油閃點；可燃性上下限；燃油箱可燃性

安全性是民用飛機的重要屬性，飛機燃油箱爆炸會對飛機安全產生重大威脅。據機艙安全研究技術小組對1966到2009年間全世界3 726起飛機事故資料的統計，共有370起事故是由于飛機燃油箱的破裂、燃燒爆炸而引起的［1-2］。這些事故發生在飛機爬升、滑行、下降、巡航和著陸等各個飛行階段。

燃油箱可燃性暴露率是評估民用飛機燃油箱安全性的重要參數［3-5］，FAA頒布的燃油箱可燃性評估方法是目前評估燃油箱可燃性暴露率的主要工具。該方法通過建立一個比較型模型來確定某一特定機隊或飛機燃油箱的潛在可燃性。國內已經對FAA的燃油箱可燃性評估方法開展了初步研究［6-9］，但是對于該模型中每一個重要參數的具體計算方法與總體評估流程，目前文獻尚未詳細給出，本文將在這2個方面進行深入研究，給出相關參數計算方法與詳細評估程序，為設計人員開展分析工作提供指導。

1　燃油箱可燃性評估模型概述及參數說明

燃油箱可燃性評估模型將模擬的每一次飛行分為多個時間增量，通過對每一個時間增量的燃油溫度與可燃性上、下限進行比較，進而判定每一個時間增量的燃油箱可燃性。當燃油平均溫度在燃油可燃性上、下限所確定的范圍之間時，就認為此時的燃油蒸汽是可燃的。應用此方法確定每一個時間增量內的燃油箱可燃性，然后統計出此次模擬飛行中的燃油箱可燃性。最后進行多次模擬飛行，得到該條件下飛機的燃油箱可燃性。

評估模型中的參數分為3大類：分析人員輸入參數、文件規定參數和中間參數。分析人員輸入參數由工作人員針對某一具體的機型和飛行概況來進行確定。文件規定參數為相關航空規章中提出的參數值，在未通過相關適航部門審定的情況下不允許修改，文中將會在使用到文件規定參數的公式后對其進行標注。中間參數是通過人為輸入參數和文件規定參數來計算燃油箱可燃性暴露率過程中的參數，由于計算過程繁瑣而龐雜，故單獨提出。其中輸入參數種類多且數量大，因而又詳細分為：飛機參數、飛行參數、油箱使用參數、油箱熱特性參數、機身油箱輸入參數和實驗模擬參數。文中參數，時間單位統一為min，溫度單位統一為°F，高度單位為kft，距離單位為nm。

1.1飛機參數

對燃油箱可燃性進行評估時所需的飛機參數包含飛機的最大飛行范圍、發動機數和外界環境溫度限制。

最大飛行范圍與模擬飛行次數共同決定一個飛行任務分布，模型應用這一任務分布為每一次飛行隨機選取飛行任務長度。此外，最大飛行范圍與巡航馬赫數共同決定飛行時間。發動機數和飛行任務長度共同決定每一個班次中，飛機爬升至巡航高度的時間。外界環境溫度限制限定了飛機所處的最大環境溫度。

1.2飛行參數

飛行參數包括巡航馬赫數和用戶定義巡航高度。巡航馬赫數為飛機在常規飛行中，位于巡航高度上的馬赫數，此參數用于決定每一次的飛行剖面和飛行時間。飛行時間的長短又決定了飛行剖面中存在幾個不同的巡航高度。模型中假定2個巡航高度之間的轉換是瞬間完成的，不同于從起飛到第一巡航階段的過程中存在爬升率。

1.3油箱使用參數

模型中燃油箱使用的參數包括起飛前發動機的啟動時刻，著陸前油箱處于滿油的最后時刻和著陸前油箱處于空油的最初時刻。起飛前發動機的啟動時刻將方便模擬來自發動機或系統的額外熱輸入的燃油箱，此輸入是飛機起飛前發動機或系統開始向油箱傳熱的時刻。而飛機著陸前油箱處于滿油的最后時刻和著陸前油箱處于空油的最初時刻用于計算燃油溫度的下降率，此下降率需考慮飛行各階段的燃油溫度。

1.4機身油箱輸入參數

機身油箱輸入參數包含5個參數，分別用于確認油箱是否位于機身內且沒有直接來自外界環境的冷卻；確認飛行中油箱是否增壓；油箱與外界環境壓力的壓力差；飛機起飛前油箱增壓系統開始工作的時刻和油箱所在機艙的溫度。需要注意的是，如果不是機身油箱，5項輸入參數都應被置0。

1.5油箱熱特性參數

模型需要的燃油箱熱特性數據為平衡溫差和一系列熱時間常數。此項輸入是在給予足夠時間的情況下，相對外界環境溫度的燃油溫度修正。這一數值必須由油箱的熱特性動態分析和環境系統的測定得出。為更好地表示發動機和其他裝備對燃油箱的熱輸入，需要輸入發動機和系統在運行和停車兩種狀態下的熱平衡參數。模型需要6個熱時間常數，它們定義了飛機處于各種狀態下，燃油箱中燃油對于外界熱量的反應，這6個狀態如表1所示。

表1　飛機的6種狀態Tab.1　Six conditions of civil aircraft

1.6實驗模擬參數

實驗模擬參數包括模擬的航班次數、是否凍結隨機數的產生以及是否只在高溫天氣中運行。凍結隨機參數便于通過改變某一特定參數來深入了解模型。是否在高溫天氣中運行這一參數中的高溫特指地面溫度超過80°F。

2　中間參數的計算方法

2.1單次飛行范圍

單次飛行范圍（Lsf）由飛行任務長度（Lmis）和最大飛行范圍（Lmax）決定。在已知分布的條件（即上述2個參數已經確定）下，可通過仿真隨機生成單次飛行范圍。方法如下：

1）生成服從0-1均勻分布的隨機數Rml；

2）用P（i，Lmax）表示CCAR-25-R4附錄N的表2中飛機最大飛行范圍為Lmax列的第i行，則必然存在某一自然數Rs滿足式（1），即

其中：Rs表示生成飛行任務分布時的步長基數，取值范圍在0～49之間。

3）生成隨機仿真的單次飛行范圍，即

2.2飛行時間

飛行時間（t）f指飛機從起飛后到著陸前的時間間隔，不包含地面時間。飛行時間由單次飛行范圍（Ls）f和巡航馬赫數（Mc）r共同決定，即

隨后應用最大飛行范圍（Lma）x對其進行修正，則

2.3巡航模式

巡航模式（Xm）o由飛行時間（t）f確定，根據飛行時間不同，將巡航模式分為4種：無巡航階段、在1種巡航高度上巡航、在2種巡航高度上巡航和在3種巡航高度上巡航，這4種巡航模式分別對應數字1、2、3、4，即

2.4單次飛行任務時間

單次飛行任務時間（tmi）s包含航前地面時間（tb）f，飛行時間（t）f和航后地面時間（ta）f。航前地面時間根據飛行時間的不同分為3類，即

航后地面時間規定為30 min，故單次飛行任務時間即

2.5飛機起飛時的環境溫度

飛機起飛時環境溫度（Tg）的初步確定由隨機參數（Rb）和地面平均溫度（Th）與標準差（X）i共同確定，即

在已知這3個參數的情況下，通過式（9）計算飛機起飛時的環境溫度為

隨后通過外界環境截止溫度（T0）對式（9）中產生的Tg進行修正，即

2.6馬赫數

飛機處于不同的海拔高度，具有不同的馬赫數（M）x、外界環境溫度和總溫。此時海拔高度（A）x從0開始，以1為增量，增至Au3，即用戶定義的第3階段巡航高度。馬赫數由海拔高度（Ax）和巡航馬赫數（Mc）r共同確定，即

2.7外界環境溫度

外界環境溫度（T）x由海拔高度（A）x、地面環境溫度（T）g和巡航溫度（Tc）r初步確定為

然后由機身環境溫度Tbt對其進行修正，即

Ybt用于確認油箱是否為機身油箱。

2.8總溫

總溫（Tt）o用于計算修正溫差，由馬赫數（M）x和外界環境溫度（T）x初步確定為

然后由機身環境溫度（Tb）t進行修正，即

2.9修正溫差

修正溫差（T）s是指某一時刻燃油溫度與長期慣例溫度的差值。它由該時刻總溫（Tt）o、初定燃油溫度（Tfu）和參數（Tg）f共同決定。Teo為飛機處于地面且發動機啟動的條件下，外界環境溫度給予足夠時間的情況下燃油最終達到的溫度，Tes為起飛前發動機啟動的時刻。Tgf為飛機在地面且發動機未啟動時，燃油因外界環境溫度在給予足夠時間的條件下最終會達到的溫度，且在確定修正溫差之前，應先進行修正，即

然后通過該時刻所處飛行階段確定修正溫差為

Tff為飛行條件下，外界環境溫度給予足夠時間情況下最終達到的溫度。

2.10燃油溫度

某一時刻的燃油溫度（Tfu）由前一時刻的燃油溫度和修正溫差共同決定，即

其中：Xtg和Xtf是飛機處于地面和飛行中2種不同狀態下的溫差修正系數。

2.11燃油可燃性上、下限

燃油可燃性上、下限（Tul，Tl）l是確定某一時刻燃油箱可燃性的重要參數，當某一時刻的燃油溫度處于可燃性上下限之間時，認為該時刻燃油可燃。燃油可燃性上限由燃油閃點（Tfp，由文件參數易得），燃油箱高度（A）t和規章規定的參數共同確定，即

燃油可燃性下限的求法與可燃性上限的求法相似，即

其中：At為燃油箱高度，Xld、Xls、Xud和Xus為文件規定的計算燃油箱可燃性上、下限的參數。

2.12燃油箱的可燃性

通過某時刻的燃油溫度（Tfu）和該時刻的燃油可燃性上、下限（Tul，Tl）l，即可判定該時刻燃油箱的可燃性（Y）i。當燃油溫度處于可燃性上、下限之間時，該時刻燃油箱是可燃的，即

模型中的可燃時間（tt）f是該次模擬飛行中所有燃油可燃時間增量（Y）i的匯總，即

其中：n為時間增量的個數。

可燃時間占總體評估時間（tmi）s的比例，就是該燃油箱在該給定條件下的可燃性（P），即

得到一次模擬飛行的燃油箱可燃性（P），重復進行多次模擬，通過獲得的每一次燃油箱的可燃性即可得到該種飛機燃油箱在特定環境下的可燃性。

3　燃油箱可燃性評估流程

燃油箱可燃性評估模型采用蒙特卡羅（MC）法評估燃油箱的可燃性，而MC法的本質是重復進行大量模擬實驗，當實驗次數達到某種數量程度時，某事件的發生頻率就可以認為是該事件發生的概率。該模型流程可簡化為2個嵌套的循環過程，主循環流程的循環次數為模擬的航班次數，子循環流程的循環次數是由單次飛行任務時間確定的時間增量的個數。

評估開始時先根據模擬機型和飛行條件設定輸入參數，計算出單次飛行任務時間。通過判定每一個時間增量的燃油箱可燃性得到單次飛行任務時間中的燃油箱可燃時間，進而得到本次飛行的燃油箱可燃性暴露率。依據模擬的航班次數進行多次循環，將每一次的燃油箱可燃性暴露率進行匯總，求得該條件下飛機燃油箱可燃性暴露率，流程如圖1所示。

圖1　燃油箱可燃性評估流程圖Fig.1　Flow chart of fuel tank flammability assessment

每一個時間增量的燃油箱可燃性由燃油溫度和燃油可燃性上、下限共同確定。依據上文提到的中間參數及其計算方法，即可得到單位時間增量的燃油箱可燃性，如圖2所示。

圖2　判定單位時間增量的燃油箱可燃性流程圖Fig.2　Judgement flow chart of flammability in each unit time

4　結語

本文對FAA頒布的燃油箱可燃性評估模型進行深入研究，該方法的核心思想是通過大量飛行仿真模擬真實飛行，以仿真情況下燃油箱可燃的頻率作為真實情況下燃油箱可燃的概率。本文完成了如下工作：

1）將評估模型為實現不同飛行模擬條件而設定的大量參數進行分類解讀，并列出具體計算方法。

2）將評估模型進行深入解讀后給出具體的評估流程，為適航審定人員提供技術支持。

參考文獻:

［1］GCSCR. CSRGT Aircraft Accident Database［M］. Ware：R G W Cherry& Associates Limited，2010.

［2］吳玉軍，隆小慶.飛機油箱維護與安全［J］.中國民用航空，2007，77 （5）：62.

［3］A Study of The Flammability of Commercial Transport Airplane Wing Fuel Tanks，DOT/FAA/AR-08/8［S］. FAA，2002.

［4］Fuel Tank Flammability Assessment Method User’s Manual，DOT/ FAA/AR-05/8［S］. FAA，2008.

［5］FuelTankFlammabilityAssessmentMethod（MonteCarlo-Model）Version10［S］. FAA，2007.

［6］燃油箱可燃性防護，CCAR-25-R4［S］.中國民用航空局，2011.

［7］溫文才.飛機燃油箱可燃性評估方法研究［J］.民用飛機設計與研究，2009（2）：31-34.

［8］郭軍亮，周宇穗，王澍，等.飛機燃油箱可燃性定量分析的燃油箱熱參數計算方法研究［J］.民用飛機設計與研究，2011（3）：20-22.

［9］郭軍亮.民用飛機燃油箱熱特性數值仿真［J］.航空計算設計，2013，43（1）：65-68.

（責任編輯：劉智勇）

Research on fuel tank flammability assessment for civil aircraft

WEN Bo，LU Zhong

（College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

Abstract:Fuel tank flammability assessment for civil aircraft is a vital part of civil aircraft fuel system airworthiness certification. A further research on the evaluation method provided by FAA is given. Factors which can affect the fuel tank flammability are analyzed，the parameter calculation method related to the fuel tank flammability is cleared，and the civil aircraft fuel tank flammability assessment process based on Monte Carlo simulation is given. Whether the temperature of fuel in unit time is between the upper and lower flammability limit will decide the fuel tank flammability at that point. The ratio of flammable time account for the total time is a vital reference to the fuel tank flammability assessment.

Key words:airworthiness certification；flashpoint；upper and lower flammability limit；fuel tank flammability

中圖分類號：V288.1+1

文獻標志碼：A

文章編號：1674－5590（2016）02－0006－04

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2015-11-10基金項目：國家自然科學基金項目（U1333118）；江蘇省自然科學基金（BK20130811）；南京航空航天大學研究生創新實驗基地開放基金（kfjj201448）

作者簡介：溫博（1990—），男，遼寧本溪人，碩士研究生，研究方向為系統可靠性與安全性.