直升機油箱內燃油蒸氣點燃防護研究

袁斐 鞠月嬋

摘 要：該文對直升機油箱內影響燃油蒸氣濃度的因素進行了分析，給出燃油蒸氣點燃的邊界條件。針對可能存在的點火源從電火花、細絲加熱、摩擦火花以及熱表面點燃等方面進行分析，并針對點燃源從設計、試驗以及安全性分析方面提出油箱系統研制時所采取的措施，以減少燃油蒸氣點燃的可能性。最后通過對某型直升機油箱內電氣設備的點燃防護分析，給出點燃防護的分析方法。

關鍵詞：燃油蒸氣；點燃源；安全性分析

中圖分類號：V231 文獻標志碼：A

0 前言

隨著軍、民用直升機的大量普及以及相關技術逐漸成熟，航空技術發達的國家在直升機研制過程中，對于FAR29.963油箱內設備的溫度要求已不足以保證直升機的安全，已將燃油箱點燃防護要求作為設計要求予以貫徹。而我國還未對直升機燃油箱的點燃防護進行過研究，相關設備的研制廠家也未對設備的安全進行分析，該文對直升機燃油箱內蒸氣點燃的防護技術進行分析、研究，對直升機燃油系統的研制具有一定的指導意義。

1 影響可燃蒸氣濃度因素

油箱內的可燃蒸氣一直充滿油箱上部的無油空間，影響可燃蒸氣濃度的因素主要有燃油閃點、溫度、油液晃動以及在加油時可能出現的霧化。燃油的閃點越低，可燃蒸氣就能在越低的燃油溫度下形成。燃油的晃動、濺潑或霧化能夠導致燃油箱內液面上方空間燃油分子濃度增加，從而顯著增大可燃性蒸氣的暴露時間，燃油溫度升高能顯著增加燃油箱內的可燃蒸氣。在進行加油時，大量氣泡破滅，促使油箱上部可燃蒸氣濃度增加。

2 可燃蒸氣點燃條件

油箱中的可燃蒸氣能夠點燃的條件如圖1所示，圖中曲線是采用JetA噴氣燃料測得的數據，國內RP3噴氣燃料與之類似。在易燃區域兩側的限制條件分別是上邊界和下邊界。上邊界為富油條件，油氣濃度較大不能點燃；下邊界為貧油條件，油氣濃度較小而不能點燃。在海平面高度，下邊界溫度為低于燃油閃點10 ℉，上邊界溫度為高于燃油閃點62.5 ℉。上述邊界條件也可采用油氣比確定，在海平面高度下邊界條件的油氣比為0.032，在60 000 ft時線性增加到0.043；在海平面上邊界條件的油氣比為0.24，在60 000 ft時線性降低到0.142。由上下邊界圍成的區域為易燃區域，從海平面高度直到60 000 ft，點燃所需能量逐漸增加，在海平面高度附近，所需能量為0.17 mJ～0.2 mJ，在60 000 ft附近所需能量接近25 000 mJ。

3 燃油蒸氣點燃源分析

3.1 可能存在的點燃源

在油箱內可能存在的點燃源包括：未包容的電火花/電弧；細絲加熱；摩擦火花；熱表面點燃或自燃。

3.1.1 未包容的電火花/電弧

由于電氣系統故障、閃電或其他電氣問題，使2個彼此絕緣的元器件之間出現電壓差，產生電火花。當2個導電元器件彼此接觸時可能會發生電弧或熱熔火花。

電氣絕緣的零部件由于燃油撞擊、晃動，或者燃油在管路中流動等會產生電荷積聚。如果不添加防靜電劑，國內燃油的電導率為0.1 pS/m～10 pS/m，燃油電傳導率太低，燃油表面將積聚大量靜電荷，一旦產生的電壓超過燃油上部空間油氣混合物擊穿電壓時，可能會產生火花。存在電荷積聚的零部件和附近的油箱接地點之間產生的放電也可能產生足夠的能量來點燃燃油蒸氣。

3.1.2 細絲加熱

當安裝在油箱中的設備如油箱測量系統的電流超過25 mA RMS時，導線發熱可能會成為點火源。

3.1.3 摩擦火花

燃油泵的入口單向閥、螺母、螺釘、卡箍以及一些結構上的碎片可能會被吸入泵內，與葉輪發生摩擦，從而產生火花。

3.1.4 熱表面

如果設備表面溫度可能會達到燃油自燃溫度，則該設備就是一個點火源。燃油自燃溫度隨燃油類型以及壓力變化而變化。對于JETA燃油，在一個大氣壓下為450 ℉。

3.2 點燃防護措施

安裝在油箱內的電氣設備通常包括燃油泵、油量傳感器、液面信號器、溫度傳感器以及燃油閥等，這些設備都可能成為潛在的點火源，同時還包括靜電以及閃電。針對上述點火源，需從設計保證、試驗驗證以及安全性分析等方面予以防護。

3.2.1 設計保證

電源線布置在機外，一旦出現故障不會在油箱內部產生熱源或電弧。

燃油系統電源線與其他設備線路隔離，并進行屏蔽，同時可安裝抑制器以防止誘導大電流進入油箱導線中。

燃油泵入口在整個工作期間始終淹沒在燃油中。對于儲油箱，采用引射泵進行輸油，以避免電動燃油泵干轉而超溫。

與機體結構進行良好地搭接，搭接通道采取冗余設計。

安裝在油箱中的系統設計電流不超過25 mA RMS。故障條件下電流限制到50 mA RMS，閃電瞬間感應的尖峰電流為125 mA。

油箱周圍不能布置任何易產生高溫的管路、設備，以防止油箱內燃油溫度升高。

合理布置油箱進油口和管路，以降低燃油霧化和噴濺程度。壓力加油口應設置在油箱較低的部位。

3.2.2 試驗驗證

安裝在軍機油箱中的所有部件則需按照GJB150A或MIL-STD-810E進行防爆試驗，在民機上按RTCA DO160D進行試驗驗證，以表明在燃油蒸氣中的防爆性能。燃油泵需要進行干運轉試驗，以表明其溫度升高不會超過燃油自燃溫度，并保留約50 ℉的安全裕度。安裝在燃油箱鄰近的可燃液體泄漏區域內的電氣設備，同樣應滿足防爆安全要求。

3.2.3 安全性分析

對油箱系統進行故障模式及影響分析，并對其進行安全性評估：不管其發生的概率有多小，任一單點故障都需要考慮；任一單點故障與任一未表明其發生概率為極不可能的潛在故障組合；所有未表明其發生概率為極不可能的故障組合。

4 點燃防護符合性分析

為了降低各點燃源點燃油箱內部燃油蒸氣的概率，在系統研制過程中，需要對油箱內部各電氣設備進行點燃防護分析，以便及早采取措施，完善設計。分析時需要考慮所有的影響因素，并針對影響因素進行符合性分析，從而表明油箱系統研制滿足油箱蒸氣點燃防護要求。表1為某型直升機油箱內電氣設備的點燃防護分析，針對各影響因素給出了具體的解決措施。

5 結論

油箱內始終會存在燃油蒸氣，完全消除點燃源是不可能的。但可以通過對可燃源的辨識，進而從設計、試驗以及安全性分析等方面采取措施來降低油箱內燃油蒸氣被點燃的概率，從而提升直升機的安全性。

參考文獻

[1]CCAR-29-R1.運輸類旋翼航空器適航規定[S].中國民用航空局，2002.

[2]CCAR-25-R4.運輸類飛機適航標準[S].中國民用航空局，2011.