關(guān)于閃電試驗標(biāo)準(zhǔn)中可燃?xì)怏w混合物的研究

摘要：飛機(jī)燃油箱遭受雷擊時，可能產(chǎn)生引燃源發(fā)生燃油蒸汽的燃爆，對飛機(jī)飛行安全構(gòu)成威脅。為了評估燃油系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計的合理性，采用可燃?xì)怏w法引燃源檢測是常用的試驗手段，以檢測燃油箱遭受雷擊時燃油箱內(nèi)部可能產(chǎn)生的點(diǎn)火源。可燃?xì)怏w對于燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗顯得尤為重要，試驗標(biāo)準(zhǔn)對可燃?xì)怏w的選擇進(jìn)行了推薦和介紹，目前氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w是最常用的，但由于含氫混合可燃?xì)怏w存在一些局限性，對試驗實(shí)施產(chǎn)生了一些不便。因此隨著試驗技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，新的引燃源檢測的可燃?xì)怏w如乙烯-空氣混合可燃?xì)怏w，將被研究并推薦出來使用。

關(guān)鍵字：可燃?xì)怏w法、雷擊試驗、氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w、乙烯-空氣混合可燃?xì)怏w

前言

由于航空燃油具有揮發(fā)性，以及燃油箱的晃動、震動、噴濺等會在液態(tài)燃油區(qū)上方存在著燃油蒸汽。燃油蒸汽和油箱上方的空氣混合形成燃油蒸汽/空氣混和物，在一定的濃度下，燃油蒸汽/空氣混和物在點(diǎn)火源的作用下發(fā)生點(diǎn)燃爆炸。燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗，適用于雷擊區(qū)域的油箱結(jié)構(gòu)及部件，以驗證因雷電附著或雷電傳導(dǎo)而產(chǎn)生的直接效應(yīng)及潛在的燃油蒸氣引燃源。燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗，是在對燃油系統(tǒng)油箱及部件施加最高峰值200kA、最大電荷傳遞量200C的同時，結(jié)合可燃?xì)怏w法引燃源檢測方法，來檢測油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)大于等于200μJ的點(diǎn)火源。可燃?xì)怏w法引燃源檢測需要有嚴(yán)格的配比氣體和標(biāo)準(zhǔn)電火花源，對潛在的點(diǎn)火源能量比對精確，對潛在點(diǎn)火源的覆蓋范圍更廣，因此被工程廣泛認(rèn)可。

試驗標(biāo)準(zhǔn)對可燃?xì)怏w法的介紹

實(shí)驗室在進(jìn)行燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗時，可參考以下幾個標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。GJB3567-99《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗方法》由于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行時間較早，只是簡單說可用丙烷和空氣混合氣或者燃油空氣混合氣，沒有具體的操作指導(dǎo)，可操作性不強(qiáng)。而HB6167.25-2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》、RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗程序》以及SAE ARP5416A《飛機(jī)雷電試驗方法》，均明確了選用氫/氧/氬的混合氣體，同時限定了氫/氧/氬的濃度和可調(diào)范圍，對于點(diǎn)火源的設(shè)計也有明確的原理圖解，試驗實(shí)施過程也有典型的示例指導(dǎo)，因此氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w法引燃源檢測，具有更可觀的可操作性和更好的置信度。

可燃?xì)怏w的應(yīng)用情況

燃油箱閃電試驗及可燃?xì)怏w法引燃源檢測的實(shí)施過程，簡單概括起來如下：在燃油箱內(nèi)部充入可燃?xì)怏w，在油箱外部施加閃電電流，閃電電流如果造成燃油箱內(nèi)部打火等現(xiàn)象，引發(fā)可燃?xì)怏w燃爆，則證明該雷電防護(hù)設(shè)計不合理。可燃?xì)怏w法推薦使用氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w（5%-7%的氫氣），此種混合氣體有幾個局限性：混合氣體的擊穿特性、氫氣的爆炸特性以及電火花源對環(huán)境的敏感性。

相比于空氣，氬氣環(huán)境中的擊穿電壓更低，其主要機(jī)理是：氬氣為惰性氣體，平均自由行程短，無電子附著，不能有效減緩自由電子。研究發(fā)現(xiàn)，氬氣被認(rèn)為是在具有高雜散電容的火花系統(tǒng)中，在1.5-2.0 mm的間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)200μJ能量的電壓電弧所需的擊穿電壓較低的一種氣體。電火花源200μJ的能量指的是在混合氣體環(huán)境中產(chǎn)生的電壓火花能量，混合氣體含有氫氣，如果直接在混合氣體中調(diào)試電壓火花能量，勢必有燃爆的危險，導(dǎo)致調(diào)試工作很難開展。所以，電火花源能量的調(diào)試往往只能在空氣中進(jìn)行，然后在根據(jù)空氣中調(diào)試的情況，再根據(jù)燃爆當(dāng)量的情況適當(dāng)調(diào)整，對混合氣體進(jìn)行調(diào)試。在空氣中，電火花源的電極間隙在2mm時，擊穿電壓大概在7.95kV±5%，在這個電壓下，大約6pF的電容需，可以產(chǎn)生200μJ +0/-10%能量的火花。以此推斷，在混合氣體中電火花源電極間隙的擊穿電壓會小很多。實(shí)際情況下，在氫/氧/氬的混合氣體中，2mm的間隙電火花電壓約為4kV，此時再根據(jù)擊穿電壓調(diào)整電容值，獲得200μJ +0/-10%的能量。值得注意的是，影響電火花源電極間隙能否擊穿放電的因素，除了所處在的氣體環(huán)境、電極間的電壓電勢外，還有電極的表面清潔度，因此試驗中需要清潔和拋光電極頭，保證電極有好的清潔度。

氫氣是一種易燃爆的氣體，所以試驗中會存在燃爆的風(fēng)險。燃爆造成的壓力上升與燃燒室的幾何形狀和容積有關(guān)，試驗表明，在20L的容器中，5%、6%、7%的氫氣混合氣體燃燒后，峰值壓力分別為1.7倍大氣壓、2.2倍大氣壓、3.8倍大氣壓。因此，試驗時需要對可能產(chǎn)生的點(diǎn)火源造成的爆炸壓力進(jìn)行泄放，防止壓力激增以及多次試驗累積造成結(jié)構(gòu)損壞。

燃油箱試驗件進(jìn)行試驗時，需要拆除維修口蓋等口蓋來充當(dāng)泄壓口或者在燃油箱蒙皮上開設(shè)泄壓口。油箱開設(shè)泄壓口會帶來一些問題，如影響雷電流分布。由于雷電流會在試驗件整個表面迅速擴(kuò)散并傳導(dǎo)，無論是拆除維修口蓋作為泄壓口還是在油箱蒙皮上開設(shè)泄壓口，都會對燃油箱表面的電流分布產(chǎn)生一定的影響，造成電流分布失真。泄壓口開設(shè)的越大，對可能劇增的氣體排放效果越好，但同時也會對試驗結(jié)果的影響會越大。

此外，200μJ的電壓火花能量對潮濕的混合可燃?xì)怏w并不敏感，濕度過高往往導(dǎo)致混合氣體不能被200μJ的電壓火花點(diǎn)燃。標(biāo)準(zhǔn)ARP 5416A建議，試驗中應(yīng)選擇干燥的混合氣體。濕度過高時，應(yīng)采取措施如加熱、換氣等，提高試驗腔體或燃油箱內(nèi)部的干燥度，提高200μJ電壓火花點(diǎn)燃混合氣體的成功率，提升氫/氧/氬可燃?xì)怏w法引燃源檢測的置信度。如此，氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w法也存在諸多不便。

新的混合氣體

氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w法應(yīng)用十分廣泛，但需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)ARP 5416A第7.7.2.1節(jié)只是推薦使用氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w，沒有指定必須使用，同時也沒有明確說明允許使用其他混合氣體或者哪種氣體混合物適用。又比如以前的標(biāo)準(zhǔn)，推薦的混合氣體是丙烷-空氣混合物，當(dāng)量比從1.05到1.15到1.2不等，同樣沒有將氣體唯一限定。隨著燃油系統(tǒng)部件的雷電試驗研究不斷加深，替換氫/氧/氬氣體混合可燃?xì)怏w的研究也越來越多，國外學(xué)者提出使用另一種能滿足200μJ最小點(diǎn)火能量目標(biāo)的燃料-空氣混合物，即乙烯-空氣。乙烯很容易得到，而且比氫和乙炔的危害小。相比于其他碳?xì)浠衔铮绕涫钱?dāng)需要200μJ能量的點(diǎn)火閾值時，乙烯的燃燒焓非常適合。

之所以選擇200 μJ作為閾值，是因為以往的研究數(shù)據(jù)表明，燃料中典型烷烴與空氣混合時，其最小點(diǎn)火能僅略高于200μJ。有數(shù)據(jù)研究表明，甲烷-空氣、丙烷-空氣、己烷-空氣這幾類烷烴混合物的最小著火能量均在200μJ以上，而乙烯對200μJ電壓電弧敏感，乙烯-空氣混合氣體可以在200μJ電壓電弧下點(diǎn)火，乙烯-空氣的點(diǎn)火特性更接近于典型噴氣燃料替代品的點(diǎn)火特性。乙烯-空氣混合氣體的最小點(diǎn)火能隨混合氣體濃度的變異性要小于氫/氧/氬混合氣體，容易滿足ARP 5416的10次點(diǎn)燃9次的要求。

結(jié)論

隨著標(biāo)準(zhǔn)ARP 5416A的公開修訂，新的可燃混合氣體可能會反映在下一個版本中。除去氫氧/氬/氣混合氣體，乙烯-空氣是合理的替代混合氣體，值得被推薦，用以評估潛在的點(diǎn)火源靈敏度為200μJ能量的火花，仍然是燃油箱雷擊試驗的關(guān)鍵。其他混合氣體可能也合適，但都應(yīng)基于預(yù)期的點(diǎn)火源形式，適用于可燃?xì)怏w法引燃源檢測的方法。新混合氣體的性能，應(yīng)通過由SAE閃電委員會成員進(jìn)行輪詢，以及實(shí)驗室進(jìn)行多次驗證測試來確定。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GJB3567-99《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗方法》

[2] HB6167.25-2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗方法》

[3] RTCA DO-160G. “Environmental Condition and Test Procedures for Airborne Equipment.” 2010.

[4]SAE Aerospace. Aerospace Recommended Practice ARP 5416/EUROCAE ED-105 Aircraft Lightning Test Methods REV. A. 2013.

[5] 熊秀、駱立峰、范曉宇、謝健，飛機(jī)燃油系統(tǒng)雷電試驗引燃源檢測方法研究

[6]高 志 崇，氫氣爆炸反應(yīng)壓力探討，泰 安 師 專 學(xué) 報，2002年