民用飛機機翼區域液壓系統閃電防護設計研究

湯振宇+孫曉+李信良

【摘 要】民用飛機液壓系統作為機翼燃油箱區域內布置的主要系統之一，其相關的閃電防護設計對機翼燃油箱防爆有著重要作用。本文結合液壓系統布置原則，運用EMA3D仿真軟件對機翼燃油箱內液壓導管電流、電壓進行仿真，重點研究了液壓導管的搭接對閃電防護的影響。

【關鍵詞】機翼；液壓系統；閃電防護；搭接

【Abstract】Due to be one of the main systems disposed in wing fuel tank， hydraulic system lightning protection design is very important to aircraft fuel tank protection. Based on hydraulic system layout and software EMA3D， the lightning currents and voltages on hydraulic pipes inside of the fuel tank are simulated， and the bond of hydraulic pipes impact on lightning protection is the focus in this paper.

【Key words】Wing； Hydraulic System； Lightning Protection； Bond

0 引言

民用飛機被閃電擊中時，閃電不僅可能會引起結構件的融化、燒毀或變形，還有可能在燃油箱內的管路、線纜等部件上產生誘導電壓和電流，過大的電壓、電流引起的火花、電弧極易點燃燃油蒸氣，進而導致燃油箱爆炸[1]。由于燃油箱爆炸引發空難是災難性的，民用飛機燃油箱閃電防護工作受到各國航空局的重點關注。液壓系統是飛機上不可或缺的二次能源系統，主要為飛控系統、起落架系統以及反推力系統等重要負載提供動力源[2]。液壓系統作為機翼燃油箱區域內布置的主要系統之一，其相關的閃電防護設計對機翼燃油箱防爆有著重要作用[3]。

1 研究對象

目前針對民用飛機燃油箱閃電防護的適航條款為25.954和25.981條款，其主要描述為燃油箱內不得存在任何可能導致燃油或其蒸氣點燃的點火源存在。

閃電擊中飛機時，瞬態效應為引起燃油箱內部液壓管路出現瞬態電流、瞬態電壓。若電流和電壓值過大，產生的電弧或火花可能會成為點火源，點燃燃油蒸氣，引起燃油箱爆炸。

本文應用EMA3D仿真軟件對燃油箱內部液壓管路在遭受閃電擊中時電流和電壓值進行了仿真計算，用于支持飛機液壓系統在機翼區域的設計工作。

2 機翼區域液壓系統布置特點

針對某型號民用飛機的設計，梳理出了機翼區域液壓系統布置特點：

a）機翼燃油箱內部布置的液壓系統均為導管，導管之間采用壓接接頭相連。

b）液壓導管進出燃油箱處，均采用過框接頭形式與結構進行搭接。

c）燃油箱內部液壓導管每隔幾米，均采用過框接頭與結構搭接。

d）導管與導管之間、導管與結構或其他系統之間距離均不小于規定值。

3 仿真建模

本文所研究的民用飛機機翼實際CAD模型非常復雜，難于直接用于仿真。適當的簡化、合理的仿真模型在閃電防護仿真中具有關鍵作用。為盡可能真實的模擬飛機被閃電擊中后瞬態效應，仿真模型的原理和假設如下。

a）用于仿真的分析模型只需重點關注零件模型中與電阻、電感和電容相關的飛機固有電磁特性。在仿真模型中，應保證模型組件具有精確的尺寸、形狀和位置信息，因為這些參數與電感和帶內容等電磁特性相關。同時，需要對仿真模型賦予適當的材料定義，以確保電磁特性中的電阻特性正確。

b）對于不會影響電磁特性的小支架、墊圈及墊片，仿真模型中需要去除。同時采用剖分的面或線來描述結構件或面板。

c）在涉及采用鉚釘、螺釘等緊固件將部件連接起來處，仿真模型將相連部件用面或縫連接起來。

d）機翼區域管路走線均采用各向同性的線來表示，并對線賦予電阻特性。

e）仿真時，在規定的閃電流入點（參考AS5416），設置模擬閃電波形和幅值的仿真電流。同時在仿真模型各位置加載探針，記錄各區域電流、電壓變化。

簡化后的機翼區域仿真模型如圖1所示。

4 閃電仿真結果分析

建立在上述仿真模型的基礎上，通過EMA3D仿真軟件，得出不同情況下機翼燃油箱液壓管路上的電流、電壓分布與變化。

在注入200kA的閃電電流時，在燃油箱內部液壓管路上檢測的最大電流為18.2A，最大電壓為0.3V。根據碳氫化物/空氣混合物最小點火能量E約為200μJ，結合公式1，可知燃油箱內部液壓管路電壓遠小于產生火花的閥值。

其中C為導管與其他組件間電容，V為電壓。

根據第2節機翼區域液壓系統布置特點，液壓導管在進出燃油箱處均采用過框接頭與結構搭接，燃油箱內部液壓導管每隔幾米，均采用過框接頭與結構搭接。

仿真結果顯示，進出機翼燃油箱的液壓管路，位于燃油箱外部部分和內部部分的管路電流差異很大。在閃電電流的流入點和流出點設置為飛機左右翼尖，閃電電流值為200kA的情形下，與21肋附近后梁相連的液壓導管燃油箱外部區域段電流值大約為4.5kA，燃油箱內部管路段電流為1A，約為外部電流的0.02%，如圖2所示。因此，液壓導管在進出燃油箱處采用過框接頭與主結構進行搭接的布置，極大的減少了燃油箱內液壓導管的電流，對燃油箱的防爆有重要作用，因此需采取嚴格的措施保證進出燃油箱處的搭接。

同時，在燃油箱內部每隔一定距離液壓導管采用過框接頭與結構搭接，仿真結果顯示不同的搭接距離對燃油箱內部的管路電流影響不大，搭接距離值越大，燃油箱內部管路電流值越小。在閃電電流為主起落架附著-前機身離開，電流值為200kA的情形下，燃油箱內部搭接距離為2m的液壓導管最大電流為5.7A，如圖3所示，將搭接距離調整為5m時，燃油箱內部液壓導管最大電流為2.5A，如圖4所示。

5 總結

本文建立在飛機仿真數模的基礎上，通過EMA3D軟件，針對機翼燃油箱區域液壓導管的布置特點，開展了一系列的液壓系統閃電防護研究。研究表明，液壓導管進出燃油箱時與主結構的過框搭接極大的降低了燃油箱內部液壓導管的閃電電流，在制造時該部位搭接性能需重點關注；燃油箱內部的液壓導管與主結構的搭接，對液壓導管的電流影響不大，在飛機的搭接設計時，可合理的選用搭接距離。在民用飛機燃油箱閃電防護設計論證時，需結合仿真和實驗共同研究。

【參考文獻】

[1]張斌，岳鵬，薛勇，等.民機燃油箱防爆閃電防護新適航要求研究.分析報道，vol.119，no.4，pp.31-35，2015.

[2]李艷軍.飛機液壓傳動與控制.北京：科學技術出版社，2009.

[3]夏鶴鳴，范平，韓定邦.民用飛機機翼液壓管路設計探討.機械制造與自動化， vol.41，no.2，pp.32-33，2012.

[責任編輯：朱麗娜]