某型民用飛機(jī)使用冷卻方案降低機(jī)身內(nèi)燃油箱可燃性的研究

岳鵬

【摘 要】本文對(duì)民機(jī)降低燃油箱可燃性背景進(jìn)行了介紹，提出了使用換熱器利用沖壓空氣冷卻機(jī)身內(nèi)油箱燃油的冷卻方案，并對(duì)冷卻方案對(duì)機(jī)身內(nèi)油箱油溫冷卻效果進(jìn)行分析，進(jìn)而經(jīng)過(guò)可燃性分析，使用冷卻方案可以有效降低機(jī)身內(nèi)油箱可燃性暴露率，為民機(jī)機(jī)身內(nèi)油箱降低可燃性提供了新的思路。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī);可燃性;研究

中圖分類號(hào)： V228.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）15-0008-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.004

0 背景

燃油箱安全對(duì)民機(jī)飛行安全至關(guān)重要。1960年以來(lái)全球范圍內(nèi)發(fā)生了多起民機(jī)燃油箱爆炸事故，造成了數(shù)百人遇難，損失重大。FAA調(diào)查發(fā)現(xiàn)燃油箱爆炸的主要是油箱內(nèi)點(diǎn)火源點(diǎn)燃燃油蒸氣造成的。FAA頒布了FAR25部第102修正案和第125修正案，對(duì)民機(jī)燃油箱可燃性提出了量化指標(biāo)要求，要求燃油箱的機(jī)隊(duì)平均可燃性暴露不超過(guò)3%或等效的非加熱鋁制機(jī)翼油箱可燃性水平。

1 燃油箱可燃性的評(píng)估方法

適航條款規(guī)定機(jī)隊(duì)平均可燃性暴露率的符合性評(píng)估使用Monte-Carlo分析方法。

Monte Carlo模型方法，是FAA發(fā)展的定量評(píng)估燃油箱可燃性的一種分析方法。Monte-Carlo本身是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)的計(jì)算方法，應(yīng)用到計(jì)算燃油箱的可燃性暴露率中，能夠較好地去對(duì)飛機(jī)飛行的安全性進(jìn)行定量的評(píng)估。Monte Carlo分析的主要內(nèi)容有：

（a）基于仿真計(jì)算軟件搭建燃油箱熱模型;

（b）通過(guò)飛行試驗(yàn)獲得燃油箱溫度數(shù)據(jù)對(duì)燃油箱熱模型進(jìn)行驗(yàn)證，并表明可滿足AC25.981-2A規(guī)定的油溫仿真精度要求;

（c）將燃油箱熱模型輸出的燃油箱熱參數(shù)作為Monte Carlo模型的輸入數(shù)據(jù);按照用戶手冊(cè)要求對(duì)模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行計(jì)算。

2 燃油冷卻方案和原理

燃油冷卻方案的對(duì)象是位于機(jī)身內(nèi)的油箱。鋁質(zhì)機(jī)翼油箱上下壁板與外界大氣直接進(jìn)行熱交換，油箱內(nèi)燃油溫度較低，油箱可燃性暴露率較低。機(jī)身內(nèi)燃油箱燃油溫度較高，飛行過(guò)程中油箱長(zhǎng)時(shí)間處于可燃狀態(tài)，可燃性暴露率高。對(duì)于機(jī)身內(nèi)燃油箱，燃油冷卻方案的原理就是通過(guò)降低其燃油溫度，使燃油箱狀態(tài)處于可燃性區(qū)域的時(shí)間，達(dá)到降低燃油可燃性的目的。不同類型燃油箱可燃性區(qū)域如圖1所示。

3 某民機(jī)燃油冷卻方案及.燃油箱可燃性分析

3.1 燃油冷卻方案

以某型民機(jī)為例研究冷卻方案對(duì)機(jī)身內(nèi)油箱可燃性的影響。某型民機(jī)燃油箱布置如圖2所示。機(jī)翼為全鋁結(jié)構(gòu)機(jī)翼。以翼根處肋板為界，油箱分為機(jī)翼油箱和機(jī)身內(nèi)油箱。機(jī)翼油箱為傳統(tǒng)非加熱鋁制機(jī)翼油箱，外翼部分燃油在飛行過(guò)程可以被外界高速氣流很好的冷卻，可燃性較低。機(jī)身內(nèi)油箱散熱相對(duì)慢，燃油溫度較高，可燃性較高。

對(duì)該型民機(jī)，為了降低其機(jī)身內(nèi)油箱可燃性，進(jìn)行了燃油冷卻方法的方案設(shè)計(jì)。冷卻方案原理如圖3所示，其核心部件為換熱器，使用由NACA通氣口進(jìn)入的沖壓空氣作為冷源，利用燃油泵將機(jī)身內(nèi)油箱泵出，經(jīng)換熱器冷卻后返回機(jī)身內(nèi)油箱。這樣機(jī)身內(nèi)油箱中燃油溫度保持較低水平。

3.2 燃油箱熱模型

使用商用軟件VisSim（v8.0）建立了該型飛機(jī)燃油箱熱模型，熱模型的主要輸入有：初始燃油溫度、初始外界溫度、初始外界壓力、馬赫數(shù)、初始燃油量、飛行包線、燃油特性（密度、比熱容）和熱交換器的輸出溫度、熱交換器流動(dòng)率、開/關(guān)條件等。熱模型中間計(jì)算變量有：壓力、溫度、黏度、當(dāng)?shù)芈曀佟⒘魉佟峤粨Q效率、空氣溫度和絕熱壁溫度Taw等。熱模型主要輸出有燃油溫度包線、Tau值和ΔT值。

使用燃油箱熱模型對(duì)機(jī)身內(nèi)燃油溫度進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者基本一致。機(jī)翼油箱熱天長(zhǎng)航程熱模型分析結(jié)果與飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。結(jié)果顯示熱模型仿真精度滿足AC25.981-2A規(guī)定。

為了研究冷卻系統(tǒng)的降溫效果，將加裝冷卻系統(tǒng)構(gòu)型燃油箱熱模型分析得到的熱天短航程工況機(jī)身內(nèi)燃油箱燃油溫度與原機(jī)試飛試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行對(duì)比，見圖5。飛機(jī)在地面起飛前由于冷卻系統(tǒng)沒有冷源起不到對(duì)油箱降溫的作用，飛機(jī)起飛后在冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)身內(nèi)燃油箱的燃油溫度顯著地降低。

3.3 可燃性分析

燃油箱熱模型輸出的油箱熱特性參數(shù)Tau值和？T值作為蒙特卡洛分析的輸入，使用FAA蒙特卡洛分析模型，分析飛機(jī)機(jī)身內(nèi)油箱可燃性，未使用冷卻方案與使用冷卻方案后機(jī)身內(nèi)油箱可燃性暴露率值如表1。

表1 機(jī)身內(nèi)油箱可燃性暴露率

由可燃性分析結(jié)果可知，使用冷卻方案對(duì)機(jī)身內(nèi)油箱燃油降溫，可以有效地降低某民機(jī)機(jī)身內(nèi)燃油箱可燃性暴露率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]DOT/FAA/AR-05/8.Fuel Tank Flammability Assessment Method Users Manual[S].May 2008.