飛機燃油箱地面預洗滌技術理論研究

何　勇，李超越

（1.海軍駐南京地區航空軍事代表室；2.南京航空航天大學，南京210016）

飛機燃油箱地面預洗滌技術理論研究

何勇1，李超越2

（1.海軍駐南京地區航空軍事代表室；2.南京航空航天大學，南京210016）

基于氧氮質量守恒關系，建立了飛機燃油箱爬升過程中氣相空間、燃油中平衡氧濃度及地面預洗滌的數學模型，并采用微元段法對其進行了求解。計算結果顯示，當采用富氮氣體進行地面預洗滌后時達到的平衡濃度越低，則可達到的安全巡航高度越高。由于爬升過程中逸出的氧氣很多會排出燃油箱外，因而地面預洗滌時，并不需要將燃油中氧質量濃度降低至安全氣相濃度所對應極限質量濃度，且飛機燃油箱中的初始載油率對洗滌后的氧質量濃度有直接要求，當載油率越高，需要將燃油中的氧質量濃度洗滌的越低。計算還顯示，在地面洗滌時，油罐中的油量也對換氣次數有直接影響。通過選擇合適濃度的富氮氣體在地面預洗滌燃油箱，可保證飛機在巡航高度下氧濃度在安全范圍內，但是會在一定程度上增加設備的初投資費用。文章的研究結果可為燃油地面預洗滌的工程設計奠定初步的理論基礎

燃油箱；洗滌；氧濃度；惰化

近50年的空難數據顯示，飛機燃油箱的燃燒爆炸已成為飛機失事的重要因素。因此，從20世紀80年代開始，美國就著手進行了燃油箱惰化技術的研究，以減少飛機燃油箱燃爆事故的發生[1-2]。隨著國產大飛機項目的投產和新型戰機的研制，國內近年來也對燃油箱惰化技術進行了大量的理論和實驗研究[3-4]。

油箱惰化技術可分為被動式防火抑爆措施、主動式防火抑爆措施2類[5]。被動式防火抑爆措施主要通過填充抑爆泡沫，將油箱內混合氣體的燃燒控制在局部，即油箱在某一部分發生燃燒情況后，可抑制燃燒的蔓延，防止油箱內氣體壓力超過承載限度造成爆炸。而主動式防火抑爆措施則通過某種技術降低油箱上部氣相空間氧濃度，使其在遭遇點火源的情況下，因無充足的氧氣而無法燃燒。機載制氮惰化技術是目前最為流行的一種防火抑爆技術[6-9]，但是其尺寸、重量較大，特別是需要在飛機上進行復雜的管路布置，因而大大增加了設計的復雜性。

因此，另外一種設計思路就是在地面將燃油箱中的氧氣濃度預先降低至一定的濃度，從而簡化機載惰化系統中的管路設計。但是由于燃油中溶解了大量的氧氣，隨著飛機爬升，環境壓力逐漸降低，溶解氧氮氣體會從燃油中逸出或向燃油中溶解，因而僅僅處理燃油箱上部氣相空間遠不能滿足要求，需要將燃油在地面進行預先洗滌，即將富氮氣體通入燃油中，從而置換出溶解的氧氣，這樣飛機在爬升過程中，所逸出的氧氣量大大降低，從而保證油箱上部氣相空間氧濃度不會超標。文獻[10]提出了地面預洗滌的流程，研究結果也表明，燃油在采用地面預先洗滌后，由于洗滌后的燃油直接加注到油箱中，飛機可不安裝機載洗滌裝置，這就大大簡化了設備的復雜性。同時，該文獻也對采用開式和閉式油罐的洗滌效果進行了比較。

但該研究中僅分析了洗滌時間與燃油中氧濃度變化關系，并沒有根據巡航高度及富氮氣體中含氧量不同來確定洗滌所需達到的最終氧濃度要求。有鑒于此，本文參照文獻[11]中所提出的爬升過程中平衡氧濃度計算方法及文獻[10]中開式油罐地面預洗滌的計算模型，分析了不同巡航高度下燃油地面預洗滌時所需達到的洗滌效果及需要采用的富氮氣體濃度。

1　數學模型

為了簡化燃油地面預洗滌過程及洗滌后充入油箱中燃油隨著爬升過程中氧氮的逸出計算，本文作出如下的假設：

1）燃油液相與其上部氣相空間溫度相等，不考慮溫度差異；

2）洗滌所用富氮氣體通入燃油底部后迅速與燃油充分混合，且沒有富氮氣體直接進入氣相空間，逸出的氧氣和氮氣混合物也與氣相空間充分混合；

3）氧氣與氮氣混合后按照分壓比排出油罐，并保持油罐中的壓力恒定，恒等于環境壓力；

4）忽略燃油蒸汽壓對洗滌及爬升過程中氧氮逸出的影響。

對于石油制品，常用阿斯特瓦爾德系數來表征氣體在燃油中的溶解量，它的含義是單位體積燃油在氣體和液體規定的氣體分壓和溫度下處于平衡時溶解的氣體體積，其關系為[12]：

式（1）中：T為氣體和燃油溫度；d為燃油在15℃時的密度；β0為密度為850 kg/m3的燃油在15℃時的系數；氧氣為0.16，氮氣為0.069。

1.1燃油箱爬升過程中平衡氧濃度計算模型

任意狀態時，氣相空間和燃油中的氧氮滿足平衡關系，且油箱中的壓力與外界環境壓力相等，則任意高度下氧氮的分壓為：

任意高度下燃油中氧氮質量濃度為：

式中，RO和RN分別為氧氮的氣體常數。

參照文獻[11]的計算模型，則當高度變化ΔH時，燃油中氧氮質量濃度變化量為：

由于假設氧氮成比例排出，因而新高度下氧氮分壓比應該與氣相空間氧氮摩爾比相同，即：

1.2地面預洗滌工作原理及數學模型

燃油地面預洗滌系統采用開放式油箱，通過設置在油箱底部的引射器，將燃油與惰性氣體混合，再通過細小噴管將富氮氣體通入油罐內燃油中，置換其中的氧氣，降低燃油中的含氧量，其基本原理見圖1。參照文獻[10]，建立地面燃油預洗滌過程數學模型。

圖1　燃油地面預洗滌示意圖Fig.1 Diagram for fuel ground-based prescribing

燃油中的氧氮分壓與溶解氧氮摩爾質量之間滿足如下關系式：

在dt微元時間間隔內，充入油罐底部的富氮氣體，與燃油充分溶解，使其溶解氧分壓增高，從而產生向氣相空間逸出的趨勢，從燃油逸出的氧氮氣體與氣相空間原有氣體充分混合，最終排出油罐。首先，以燃油所占液相體積VF為控制體積建立物料平衡方程：

然后，以氣相空間VU為控制體積則可得到以下氧氮質量守恒方程式：

氣相空間氣體混合后按照氧氮分壓比排出：

氧氣與氮氣也按照分壓比從燃油中溢出：

因為油罐與大氣直接連通，所以認為油罐中的總壓力與大氣環境相一致。各分壓之間的關系如下：

式（15）、（16）中，MO和MO是氧氮分子量。

聯立以上各式，通過微元法可得到洗滌過程中燃油與氣相空間含氧量隨時間的變化規律。

2　結果與分析

選取燃油為RP-3號燃油，燃油箱體積為1 m3，溫度為30℃，計算了不進行地面預洗滌及幾種洗滌至不同濃度后的燃油加注到飛機燃油箱中，隨著飛機的爬升，氣相空間的氧濃度隨高度的變化關系，如圖2所示。從圖2中可見，隨著高度的增加，由于燃油中氧氣的逸出，均會造成氣相空間氧濃度的增加。特別是不洗滌時，飛行至12km后，氣相空間氧濃度大于35%，這與文獻[11]中計算結果一致。而采用地面預洗滌后，爬升至同樣巡航高度時，氣相空間氧濃度顯著降低，即地面預洗滌是一種十分有效的惰化技術。

通常，惰化技術中規定軍機氣相空間安全氧濃度為9%[6]，從圖2中可發現，當地面預洗滌至氣相空間濃度為5%時，爬升至約10.3km巡航高度后，氣相空間氧濃度超過安全氧濃度，而當洗滌至3%時，則安全巡航高度約為17km，洗滌至1%時，則爬升至20km巡航高度時仍可保證油箱氧濃度在安全值以下。

圖2　不同初始平衡氧濃度下爬升后氣相氧濃度變化關系Fig.2 Variation relationship of ullage oxygen concentration after climbing at different initial equilibrium oxygen concentration

如果認為洗滌的時間無限長，則洗滌終了時氣相空間氧濃度應當與富氮氣體中氧濃度一致[10，14]。因此，圖3計算了不同巡航高度下，富氮氣體中最高的含氧摩爾濃度。從圖3中可發現，雖然安全氧摩爾濃度為9%，但隨著巡航高度的增加，地面預洗滌所采用的富氮氣體中氧濃度要逐漸降低，且基本呈線性關系。

圖3　洗滌的富氮氣體中氧含量最高值隨巡航高度變化Fig.3 Change of the maximum oxygen content in the scribed nitrogen-rich gas along with the cruising altitude

但是，前述已經說明，圖3由于采用的富氮氣體中含氧量與最終預洗滌達到的含氧量相同，即洗滌時間為無限長，但是實際情況下，完全可以用比圖3計算純度更高的富氮氣體進行有限時間的洗滌即可。然而如果所采用的富氮氣體并不按照圖3選取，那么如何確定洗滌到什么程度時刻達到洗滌要求呢？

若認為巡航高度下，氣相空間安全氧濃度為9%，則可十分簡單地根據式（2）、（3）計算出與之所平衡中的燃油中溶解氧氣質量濃度。只要在某個巡航高度下，燃油中溶解氧氣質量濃度低于計算平衡值，則在巡航高度下氧氣不會從燃油中向氣相空間逸出，氣相空間氧摩爾濃度會始終低于9%，處于安全范圍之下。

圖4對該極限平衡情況進行了計算。從圖中可見，在12km巡航高度時，只要燃油中的溶解氧質量濃度低于約6 mg/m3，則絕對安全；而隨著巡航高度增加，該極限溶解氧質量濃度也相應降低，在20km時，則需要低于約1.2 mg/m3。

但是，如前所述，由于爬升過程中逸出的氧氣很多會排出燃油箱外，因而地面預洗滌時，并不需要將燃油洗滌到圖4中所示的極限質量濃度。可根據1.1節所建立的模型反算出地面預洗滌結束時燃油中的溶解氧質量濃度，如圖5所示。從圖5中可見，地面預洗滌所要求的溶解氧質量濃度遠小于圖4所計算的巡航高度下的極限溶解氧質量濃度，兩者的差值就是爬升過程中氧氣從燃油中逸出的質量，這部分逸出的氧氣有一部分被排放到環境中，還有一部分停留在燃油箱中，被初始的低濃度氣相空間所“中和”和“緩沖”。由于溶解的氧氣逸出量與載油量相關，因而會對實際洗滌結束時溶解氧質量濃度的選取有直接影響。

圖4　不同巡航高度下燃油中安全的氧氣質量濃度Fig.4 Safe oxygen concentration of fuel at different cruising altitudes

圖5　不同巡航高度下地面預洗滌后燃油中氧氣質量濃度Fig.5 Oxygen mass concentration of fuel after ground-based prescribing at different cruising altitudes

從圖5中可見，當載油量降低時，燃油的質量也降低，逸出的氧氣總質量減少，同時氣相空間體積也增加，可用于“緩沖”逸出氧的能力也越大，故初始載油量越少，則地面預洗滌的要求就越低。

由于預洗滌時，富氮氣體的流量和時間均會對洗滌產生影響。為了分析，定義一無量綱準則數，即體積置換次數，其表達式如下：

式中，ρNEA是富氮氣體密度。

考慮到軍機中的初始載油量都較大，基本達到膨脹線附近，因而認為飛機燃油箱初始載油量為95%，燃油分別采用不同的富氮氣體、不同油罐存油量進行了計算，結果如圖6所示。從計算結果可見，在相同的巡航高度下，惰化氣體中含氧量越低，則所需的換氣次數越少，而油罐車中存油量越少，則換氣次數也越少。以油罐車存油量60%、巡航高度12km為例，當采用氧摩爾濃度為3%的富氮氣體洗滌時，所需換氣次數為0.35次，而當富氮氣體含氧摩爾濃度降低至1%時，則可縮短為0.24次。此外，從圖6中可見，當巡航高度超過12km后，如果采用氧摩爾濃度為5%的富氮氣體時，則無論換氣次數多大，也無法達到洗滌的要求。

圖6　不同純度富氮氣體洗滌時氣相和燃油中氧濃度變化Fig.6 Change of oxygen concentration in ullage and fuel under scribing by nitrogen-rich gas with different purity

3　結論

通過建立飛機燃油箱爬升過程氣相和燃油中平衡氧濃度及地面預洗滌計算模型，對地面預洗滌的洗滌要求進行了分析計算。研究結果表明，在地面對燃油進行預洗滌從理論上是可行的，這樣無須在飛機上設置洗滌管路，可減少飛機本身的一部分設計工作。洗滌所需的富氮氣體必須有較高的純度，從安全性而言，不推薦含氧量為5%的富氮氣體，而應當采用含氧量為1%的富氮氣體或純氮氣。

然而即使燃油采用地面預洗滌后，飛機上仍需要設置機載制氮系統，用于填充燃油消耗所造成的空間增加及保證飛機在俯沖、降落時油箱內部增壓。

但地面預洗滌會增加了后勤保障的難度，增加了諸多不安全因素，從系統角度而言，取消機載洗滌，而用地面預洗滌，預計會降低油箱惰性化技術的全壽命經濟性，同時增加了油箱的起火爆炸的風險。這些問題需要在未來的工作中進一步研究和評估。

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Theoretical Research on Ground-Based Prescribing Technology for Aircraft Fuel Tank

HE Yong1,LI Chaoyue2
（1.Aeronautical Military Representatives Office of Navy in Nanjing; 2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210006,China）

Based on mass conservation law of oxygen and nitrogen,in this paper,two mathematic models were established for equilibrium oxygen concentration in ullage and fuel along with the altitude during aircraft climbing as well as nitrogenrich gas performing ground-based prescribing for fuel tank.And solution was worked out via infinitesimal method.Result of calculation showed the lower the equilibrium concentration was reached after ground-based prescribing using nitrogenrich gas,the higher the achievable safety cruising altitude could be.Since much of the escaped oxygen would be dis?charged out of fuel tank during climbing,therefore when performing ground-based prescribing,it was not necessary to re?duce oxygen mass concentration of the fuel to limit concentration corresponding with safety ullage concentration.Besides, initial fuel load rate in the aircraft fuel tank had direct requirement for the scribed oxygen concentration that the higher the fuel load rate was,the lower the oxygen concentration of fuel was needed to be scribed.Calculation also showed that during ground-based scribing,quantity of fuel in the tank also had direct impact on ventilation rate.By choosing nitrogen-rich gas with proper concentration to perform ground-based prescribing for fuel tank,it could be guaranteed that the oxygen concentration would be within safety scope at aircraft cruising altitude,however,initial investment fee for equipment would also increase to some extent.Research findings of this paper could lay a preliminary theoretic basis for the engineering de?sign of fuel ground-based prescribing.

fuel tank;scribing;oxygen concentration;inerting

V228；TQ021.4

A

1673-1522（2016）01-0095-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.017

2015-06-05；

2015-12-31

何勇（1978-），男，工程師，碩士。