民航飛機固體化學氧氣發生器發展現狀

張 毅 周興明 王夢蕾 徐 濤

（1. 湖北航天化學技術研究所；2. 應急救生與安全防護湖北省重點實驗室）

民航飛機固體化學氧氣發生器發展現狀

張 毅1,2周興明1,2王夢蕾1,2徐 濤1,2

（1. 湖北航天化學技術研究所；2. 應急救生與安全防護湖北省重點實驗室）

民用航空客機的巡航高度通常在8400m～12000m，空氣稀薄的高空更適合飛機飛行，但也會危及飛機乘員的生命安全。目前，全增壓機艙已經成為幾乎所有飛行器的通用設計。如果飛機在飛行過程中出現增壓系統故障或結構受損，并導致座艙釋壓，飛機將無法維持座艙內部與外界環境之間的壓力差，座艙壓力可能會達到飛行高度壓力，這時，空氣中的氧氣就不足以維持機上人員的生存需求。當人體長時間處于高空缺氧的環境中時，就會引起頭痛、記憶力及判斷力減退、運動不協調等情況，嚴重缺氧還會導致驚厥、昏迷甚至死亡，直接威脅機上人員的生命安全。

《美國聯邦航空條例》和大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則CCAR-121-R2規定：任何飛行高度在4500m以上的飛機都必須為每位乘客提供可持續使用10min的氧氣，而這10min的時間足夠確保飛機從巡航高度緊急下降至3000m左右的高度，從而確保乘客的生命安全[1]。

民航飛機客艙氧氣系統介紹

民航客機氧氣系統主要作為一種安全保障措施，在座艙增壓失效的情況下，向機上人員提供氧氣。目前，民航客機的氧氣源有兩種：一種是用高壓氧氣瓶儲存氧氣，簡稱“氣氧”；另一種是使用固體化學氧氣發生器，簡稱“固氧”。

圖1 澳大利亞快達航空公司的波音747機載氧氣瓶發生爆炸

氣氧是一種常規供氧裝置，早期機型的駕駛艙和客艙都采用氣氧作為氧源，具有供氧時間長和可間斷使用等優點，但客艙面積較大，氣氧系統結構復雜，管路繁多，檢測維護工作量大，體積和重量也較大，易發生故障。歷史上就曾發生過氣氧泄露和爆炸事故。例如，2008年6月28日晚，美國ABX航空公司的B767-200貨機在地面啟動發動機前，緊接駕駛艙的區域發生了火災，造成飛機嚴重損壞。調查結果顯示，此次起火的原因可能是因為飛機氧氣系統管路設計缺陷，飛機電線與導電的氧氣系統部件之間沒有適當的間隙而造成的。2008年7月25日，澳大利亞快達航空公司一架波音747-400飛機在高空飛行時，機腹部位突然裂開一個寬達3m的“破洞”，造成飛機緊急釋壓。初步調查顯示，該飛機機腹破裂的原因可能是飛機上氧氣瓶內高壓氧氣突然泄漏并發生爆炸而引起的[2]。

為保證飛行員有充足的氧氣供應，目前，大型民航客機的駕駛艙仍采用高壓氧氣瓶供氧。乘務員緊急使用的便攜式氧氣設備也使用氣氧。除此之外，客艙內廣大乘客頭頂上方的旅客服務組件（PSU）、衛生間上方的廁所服務組件（LSU）、乘務員座椅上方的乘務員服務組件（ASU）均采用固體化學氧氣發生器提供氧氣[3]。

民航飛機的應急供氧系統主要由固體化學氧氣發生器、呼吸面罩和控制部件等組成。固氧是一種新型的產氧裝置，由啟動機構、殼體、產氧藥柱、隔熱材料、過濾材料、安全泄壓閥、出氣嘴等組成，具體結構如圖2所示。拔掉啟動機構安全銷和啟動拉索，壓縮狀態的彈簧推動撞針擊發啟動機構中的火帽，受擊火帽釋放能量，點燃產氧藥柱產生氧氣，氧氣經過濾層凈化后供人體使用。

固氧利用富含氧的氯酸鹽發生熱分解化學反應產生氧氣，其產氧過程類似于蠟燭燃燒，亦稱“氧燭”。固氧的產氧物質主要是氯酸鹽或高氯酸鹽，產氧物質發生化學反應所放出的熱量不能維持自身連續反應，需要向產氧物質中加入提供熱量的金屬粉和降低反應溫度的催化劑，同時加入的物質還包括用于抑制和吸收有毒有害氣體的添加劑、反應穩定劑等，固氧產生的氣體經過濾純化后供人體使用。固氧產氧時主要發生如下反應：

2MClO3→2MCl+3O2↑

固氧儲存物是氯酸鹽或高氯酸鹽、金屬粉等固體物質，其含氧密度接近于液氧；同高壓氣氧相比，除具有體積小、重量輕、攜帶方便、使用簡單、保質期長等優點外，其還具有如下顯著優勢：

（1）安全可靠。固氧儲存、運輸和使用均較氣態氧和液態氧安全。固氧不像氣氧那樣需要高壓容器儲藏，也不像液氧那樣要求低溫，而且不存在由于管路安裝而帶來的泄漏等問題。目前，固體氧氣發生器的可靠性已經達到了很高的水平。

（2）維護簡單。固氧基本不需要維護，僅需很少工作量的定期檢查和到期更換即可。

（3）固氧的安裝和使用非常簡單，無需復雜管路系統，啟動供氧裝置，就可以立即按設計要求供氧，無需其它調節操作。

固氧非常適合作為應急供氧裝置使用。早在20世紀20年代，德國就已將固氧產品應用于礦業救援工作中；二戰期間，德國和日本開展了航空固氧研制，為戰斗機駕駛員高空飛行提供氧氣，但因供氧純度不達標而未能得到廣泛應用；二戰后期，英國、美國等國家先后研制了潛艇用固氧，取得了成功，如今，歐美國家常規潛艇日常供氧和核潛艇應急供氧裝置均大量使用固氧。1967年后，固氧研究重點轉移到軍用和民用飛機的應急供氧系統，相關關鍵技術不斷突破，并研制出了民航固氧產品，克服了氣氧體積大、質量重、控制復雜、檢修困難、存在安全隱患等缺點，并迅速在民航應急供氧系統中得到了廣泛應用。

國外企業及其固氧產品介紹

民航固氧是民航旅客應急救生系統的關鍵部件，目前僅有美國AVOX系統公司和B/E宇航公司等兩家公司生產。我國現役民航飛機和國產飛機所需的民航固氧完全依賴進口。

圖3 AVOX系統公司固氧系列產品

圖2 固氧結構示意圖

AVOX系統公司是民用和軍用航空市場上設計、制造和維修呼吸防護設備的全球領導者。AVOX系統公司是Zodiac（卓達）宇航集團旗下公司，而Zodiac宇航集團是全球十大商用飛機制造商之一。AVOX系統公司的產品包括化學氧和氣態氧供給設備、乘客和船員口罩，以及通用航空配件等。通過加入Zodiac宇航集團，AVOX系統公司已成為一家產業鏈完整的航空氧氣系統供應商。AVOX系統公司的產品廣泛供應給歐洲空中客車集團、美國波音公司、加拿大龐巴迪公司、巴西航空公司、法國達索集團、美國豪客比奇公司、美國賽斯納飛行器公司、美國洛克希德·馬丁公司、日本本田公司、日本三菱集團等知名飛機制造企業，已累計生產民航固氧產品100多萬發。

B/E宇航公司的主要業務是為軍用和民用飛機提供內部系統工程設計和加工、整體安裝、認證服務等產品或服務，如機內餐飲設備、廚房設施、旅客服務系統、盥洗室、隔墻、衣櫥、空氣控制閥、照明系統與各種設備開關等，飛機座椅、內飾系統和環境控制系統是該公司的傳統業務，已擁有為軍用和民用飛機提供氧氣輸送系統等氧氣產品100多年的歷史。在收購德爾格公司后，B/E宇航公司的民航固氧產品的市場份額進一步擴大，累計生產民航固氧產品30多萬發，累計飛行時間超過30億個小時。B/E宇航公司是化學制氧設備的全球領導者，在民航固氧產品輕量化設計和成本降低方面擁有專利技術，通過了最新的血氧飽和度認證，其供氧系統具有質輕、安全、可靠、靈活度高等特點，已廣泛應用于美國波音公司和歐洲空客集團等公司的飛機上。圖5是B/E宇航公司生產的3P-15min民航固氧產品，可為3名旅客提供15min氧氣，已在波音、空客等多型民航飛機上得到了廣泛應用。

圖4 B/E宇航公司的固氧系列產品

國內相關機構固體化學氧氣發生器研究進展

目前，國內從事固體化學氧氣發生器研發生產的單位主要有湖北航天化學技術研究所、惠州大亞灣太極鮮氧實業有限公司、中國兵器工業衛生研究所、北京科技大學等。各單位雖然都生產固體化學氧氣發生器產品，但產品應用領域卻各有側重，例如，惠州太極公司主要服務于礦業生存急救和個體保健兩大領域，兵器衛生所研制的固體化學氧氣發生器主要用于高原缺氧防護方面，北京科技大學研制的固體化學氧氣發生器主要用于礦用救生艙及避難硐室等。

圖5 B/E宇航公司的3P-15min民航固氧外觀

湖北航天化學技術研究所是我國固體火箭發動機推進劑研究機構，在化學產氣領域積累了深厚的技術基礎，利用相關技術研制出了固體化學氧氣發生器，現已在高空跳傘缺氧防護和高原缺氧救生領域得到了廣泛的應用。

1989年，湖北航天化學技術研究所了解到，國內航線飛機上配備的固體氧氣發生器全部依賴進口，價格昂貴。為了打破這一局面，該研究所充分利用其軍工專業技術優勢，組織人員開展了固體化學氧氣發生器的研制開發工作，僅用一年多時間就研發出了民航用固體氧氣發生器的樣機，經檢測，產品各項技術性能指標均達到美國道格拉斯飛機公司標準，符合衛生規范要求，可供人體呼吸使用，填補了國內空白。該項目于1991年4月通過了原航天部組織的技術鑒定。但該項目最終被擱置。之后，該研究所又開展了其它系列產品如傘兵用固體氧氣發生器和煤礦井下工人救生用啟動器等產品的研制工作。20世紀90年代初期，我國空軍急需高空跳傘供氧裝置，要求該研究所研制單兵可隨身攜帶的固體化學氧氣發生器。該研究所解決了固體化學氧氣發生器啟動、穩定產氧和氣體凈化等技術難題。1994年，該研究所研制的傘兵用固體氧氣發生器成功通過了空軍裝備部的產品定型鑒定，研制的高空跳傘固體化學氧氣發生器產品已列裝部隊，提高了空降兵的作戰范圍和作戰能力。隨后，該研究所研制開發了預警機駕駛員高原救生固體化學產氧器。目前，該研究所研發的固體化學氧氣發生器已實現批量供應，成為軍工技術轉民用又服務軍工的典范[4]。

湖北航天化學技術研究所利用固體火箭推進劑軍工技術為民航固體化學氧氣發生器產品的設計和藥柱配方的研究提供技術支持。自20世紀80年代開始開展固體化學氧氣發生器技術和生產工藝研究至今，該研究所先后攻克了固體化學氧氣發生器啟動技術、低溫穩定燃燒產氧技術、降低環境溫度對固體化學氧氣發生器燃燒產氧影響技術、穩定產氧技術、氣體凈化技術等難關，擁有固體氧氣發生器配方和工藝核心技術，是國內首家開展民航固體化學氧氣發生器研制的單位。借鑒國外最新民航固體化學氧氣發生器產品的設計理念，充分利用自有技術，該研究所開展了3人15min民航固體化學氧氣發生器產品的研制工作，研制出的民航固體化學氧氣發生器樣品如圖6所示。

經過20多年的發展，湖北航天化學技術研究所逐漸掌握了固體氧氣發生器設計、配方和工藝等核心技術，培育了一支成熟的固體氧氣發生器供氧裝置產業化隊伍，建成了年產萬套供氧裝備的生產線，具備了一定的民航固體化學氧氣發生器產業化基礎。同時，在國內競爭對手方面，目前，暫未有國內其他單位發布關于民航固體化學氧氣發生器的相關研究報道。

圖6 湖北航天化學技術研究所民航固體化學氧氣發生器樣品參加2016年珠海航展

民航固體化學氧氣發生器產業發展前景展望

民航固體化學氧氣發生器市場主要包括新飛機首次裝備民航固體化學氧氣發生器和現役飛機民航固體化學氧氣發生器到期更換兩個方面。民航固體化學氧氣發生器有限定的壽命期，自生產日算起一般為10年，到期必須更換。民航固體化學氧氣發生器從出廠到裝機交付用戶，需要一定的時間，會損耗產品的壽命，故實際壽命短于10年。飛機壽命一般為25年～30年，民航固體化學氧氣發生器在飛機壽命期內需要更換2～3次。此外，民航飛機每年都會發生因故障必須向乘客供氧的事件，固體化學氧氣發生器屬一次性使用產品，民航飛機上使用過的固體化學氧氣發生器必須立即補充。據粗略估算，國內外民航固體化學氧氣發生器的市場需求超過7億美元，但目前僅有美國兩家公司壟斷生產，市場空間巨大。

航空產業承擔著實現國家夢想和促進經濟增長的雙重任務，得到了國家的一貫重視和支持。隨著國產C919大型客機總裝下線及成功首飛、首架ARJ21飛機交付用戶，我國已進入國產飛機時代。民航固體化學氧氣發生器作為民航飛機必備的裝備，目前完全依賴進口。為滿足國內對民航固體化學氧氣發生器的迫切需求和支持航空產業發展，開展民航固體化學氧氣發生器國產化研制工作勢在必行。民航固體化學氧氣發生器的國產化研制成功，也必將使國產飛機和國內現有民航飛機擺脫對國外民航固體化學氧氣發生器的依賴，打破我國民航固體化學氧氣發生器完全依賴進口的局面，將有助于推動我國航空產業發展。民航固體化學氧氣發生器產業也必將隨著民航飛機的發展在我國得到持續、長久的發展。

固體化學氧氣發生器因其突出的優點，廣泛適用于民航乘客緊急供氧、空間站備份氧、常規潛艇供氧裝置/核潛艇應急供氧裝置、消防逃生呼吸防護裝置、高空跳傘、戰地醫療急救、礦山救護、保健養生等領域。固體化學氧氣發生器技術改變了應急救生呼吸防護產品的發展方向。民航飛機固體化學氧氣發生器國產化產業項目實施后，將進一步提高固體化學氧氣發生器產品的安全性、可靠性和小型輕量化等產品性能，將促進我國應急救生呼吸防護系統采用更多的固體化學氧氣發生器[5]產品。

結束語

民航飛機旅客固體化學氧氣系統在座艙失壓的情況下，可以為客艙內的乘客和乘務員提供應急呼吸用氧，是保障飛行安全和人員健康的重要系統。目前，美國AVOX系統公司和B/E宇航公司壟斷著世界民航固體化學氧氣發生器市場。湖北航天化學技術研究所利用自有技術研制出了民航固體化學氧氣發生器樣品，且具備了一定的產業化基礎。民航固體化學氧氣發生器的國產化研制成功必將打破國外企業對我國現役民航飛機和國產飛機所需民航固體化學氧氣發生器的壟斷和控制，推動我國航空產業及應急救生產業的發展。

1 施興燦, 雷鳴俊. 民用飛機旅客氧氣系統研究[J]. 科技信息,2011, (22): 429～430

2 李勇, 謝孜楠. 飛機氧氣系統引發著火案例的調查研究[J]. 中國民用航空, 2010, 112(4): 68～70

3 顧錚. 大型民用客機的氧氣系統[J]. 航空知識, 2006, (3): 62～63

4 四院42所. 堅持軍民結合 發揮綜合優勢 推進軍轉民持續發展[J]. 航天技術與民品, 1998, (2):27～29

5 林天更 , 李俊彬 , 關兵峰 , 等 . 湖北航天化學技術研究所應急產業發展思路淺析[J]. 軍民兩用技術與產品, 2014, (8): 49～51

研究項目：國防科工局軍工技術推廣專項“十三五”第二批項目“民航飛機固體化學氧氣發生器產業化研究”。