飛機惰化系統燒膜故障的分析

□ 何予東

航空工業新鄉航空工業(集團)有限公司 河南新鄉 453049

1 飛機惰化系統概述

飛機燃油系統燃燒或爆炸是造成飛機失事的主要原因之一。1996年7月環球航空TWA800次航班發生飛行事故后,燃油箱的安全性受到高度重視。

燃燒或爆炸指可燃物與氧氣發生激烈的氧化反應,反應中伴隨放熱和發光效應。具體而言,發生燃燒或爆炸必須具備三個條件,一是要有足夠的氧化劑,二是要有足夠的可燃物質,三是要有一定能量的點火源。按照燃燒反應過程的控制因素,燃燒分為擴散燃燒和動力燃燒。飛機燃油箱內的燃燒實際上是燃油箱內燃油蒸氣與空氣預混氣的燃燒,屬于動力燃燒范疇。飛機燃油箱內燃燒或爆炸的形成過程如圖1所示。

圖1 飛機燃油箱內燃燒或爆炸形成過程

依據燃燒或爆炸必須具備的三個條件,可以從三個方面防止飛機燃油箱燃燒或爆炸,一是切斷可燃物,二是杜絕點火源,三是阻斷氧化劑或降低氧化劑濃度。

為降低燃油箱上部氣相空間的氧氣濃度,工程實踐中常采用換氣方式,通過向燃油箱上部氣相空間注入一定量的氮氣,來稀釋氧氣的濃度。傳統的做法是工程師在飛機上安裝大型液氮瓶,飛行前將液氮注入液氮瓶中,在氧氣濃度高時或戰斗狀態下,打開液氮瓶將氮氣注入燃油箱中,進行惰性氣體保護,進而避免燃油箱燃燒或爆炸。

目前,通常采用飛機惰化系統。飛機惰化系統的核心部件是空氣分離裝置,根據不同的空氣分離方法,空氣分離裝置可以分為分子篩空氣分離裝置和滲透膜空氣分離裝置。分子篩空氣分離裝置基于變壓吸附技術,利用分子篩中吸附劑對空氣中氮氣和氧氣的不同吸附速度,通過循環改變分子篩吸附和解吸壓力,實現氮氣和氧氣的分離。滲透膜空氣分離裝置基于中空纖維膜空氣分離技術,在壓差作用下,通過中空纖維膜對空氣中的氮氣和氧氣實現選擇性透過,將空氣分離為富氮氣體和富氧氣體。

發生故障的飛機惰化系統主要由空氣調節組件、滲透膜空氣分離裝置、空氣分配組件組成,原理如圖1所示。從環控引氣總管引入一定流量的空氣,經過空氣散熱器總成將溫度調節至所需溫度,利用滲透膜空氣分離裝置將空氣中的氧氣分離出來,排出機外,剩余的氣體即為富氮氣體。通過空氣分配組件將富氮氣體填充至燃油箱上部氣相空間,降低氣相空間中的氧氣濃度,進而達到燃油箱惰化的作用。

圖2 飛機惰化系統原理

2 故障現象

2021年7月10日,某部隊在地面檢查時,發現飛機惰化系統無法啟動,并伴隨超溫報警。查看飛機參數,發現飛機惰化系統出口溫度超過120 ℃,并且持續上升,最高達到187 ℃,持續時間為32 min。氧氣濃度高達18%,遠遠超過12%的氧氣濃度上限要求值。飛機惰化系統關閉后,下游余壓高達300 kPa,遠遠高于101 kPa的正常要求值。對滲透膜空氣分離裝置進行檢查,發現滲透膜空氣分離裝置的流阻異常變大,并且內部中空纖維膜已被高溫灼傷,收縮變形,局部碳化,有燒糊味。 滲透膜空氣分離裝置經歷的異常高溫已經遠遠超過130 ℃的最高耐受溫度,判定為飛機惰化系統燒膜故障。

依據滲透膜空氣分離裝置中空纖維膜受損情況,初步分析飛機惰化系統燒膜故障的觸發條件有兩個。一個條件是飛機惰化系統出口引氣超溫,另一個條件是飛機惰化系統出口引氣超溫時未及時關閉高溫引氣。

3 故障排查

針對飛機惰化系統燒膜故障的兩個觸發條件,對飛機惰化系統出口引氣超溫和出口引氣超溫后未及時關閉高溫引氣的原因開展隔離排查。使用萬用表歐姆擋,測量電磁閥開線圈組件之間的電阻為10.11 Ω,滿足10±1 Ω的要求值,說明開線圈組件工作正常。測量電磁閥關線圈組件之間的電阻為無窮大,不滿足10±1 Ω的要求值,說明關線圈組件內部線路斷路。

綜合上述檢測,判斷電磁閥關線圈組件內部線路的斷路是由于上次飛行結束后電磁閥未能關閉,導致本次飛行時,在飛機惰化系統沒有啟動的情況下,電磁閥一直處于打開狀態。當開啟發動機引氣時,高溫引氣未經冷卻,直接流過飛機惰化系統的空氣調節組件,到達滲透膜空氣分離裝置,導致滲透膜空氣分離裝置長時間處于高溫環境下炙烤。啟動飛機惰化系統的瞬間,溫度傳感器立即將檢測到的溫度值傳遞至惰化控制盒。惰化控制盒判斷超溫后立即關閉飛機惰化系統,造成飛機惰化系統無法啟動的假象。也就是說,實際上飛機惰化系統已經正常啟動了,啟動后因超溫立即關閉,但由于電磁閥故障,無法關斷高溫引氣,引起燒膜故障。

4 原因分析

4.1 電磁鐵分解

分解電磁閥內的電磁鐵,檢查內部線路中的插針、導線、焊點,均連接牢靠,外觀完好。測量焊點電阻為0.01 Ω,滿足技術要求。電磁鐵內部線路檢查如圖3所示。

圖3 電磁鐵內部線路檢查

分解線圈組件,發現關線圈外圍填充的環方混合膠膠體已被高溫烤焦,并已脆化,拆解過程中自然碎裂。測量關線圈引出線兩端,電阻值為無窮大,并且關線圈組件中的漆包線局部已被燒斷。線圈組件分解如圖4所示。

圖4 線圈組件分解

4.2 關線圈熱源分析

為查找關線圈高溫熔斷的原因,制訂方案進行故障復現。對驗證件進行常規性能試驗、頻繁開關試驗、長時間通斷電試驗。常規性能試驗時,對驗證件進行電阻測試,以及絕緣電阻、抗電強度試驗,測試和試驗合格,滿足要求。頻繁開關試驗時,對驗證件進行通斷電,連續通斷電共200次,然后復測線圈電阻及絕緣電阻,結果合格。頻繁開關試驗如圖5所示。長時間通電試驗時,模擬飛機上環境溫度25 ℃,對驗證件進行通電,通電時間為30 min,達到電流穩定后,測量線圈溫度為220.5 ℃左右;模擬飛機上環境溫度85 ℃,對驗證件進行通電,通電時間為30 min,達到電流穩定后,測量線圈溫度為228.5 ℃左右;對試驗件在高溫下連續通電,60 h后出現斷路,故障復現。長時間通電試驗如圖6所示。

圖5 頻繁開關試驗

圖6 長時間通電試驗

4.3 機理分析

在環境溫度85 ℃下通電30 min,關線圈組件內部溫度已達到228.5 ℃,而漆包線的最高使用溫度為220 ℃,關線圈組件內部溫度已超過漆包線的使用極限。關線圈組件在228.5 ℃下長時間使用,線圈局部出現點式燒蝕,漆包線相鄰的兩處破損處會發生拉弧短路,短路處溫度再次升高,使相鄰部位的漆包線絕緣漆層發生軟化后脫落。漆包線裸線接觸后短路,溫度急劇升高,使線圈熔斷,即關線圈產生斷路。

5 改進措施

為減小電磁鐵內線圈組件長時間通電產生的溫升,對電磁鐵進行結構改進,增大線圈電阻,由10±1 Ω增大至47±3 Ω,由此避免長時間通電造成的線圈溫升過高。為進一步提升電磁閥的可靠性,避免電磁鐵內的線圈組件出現故障導致電磁閥無法關閉,將自鎖式電磁鐵更改為常閉式電磁鐵,保證電磁閥在異常情況下可以依靠內部的復位彈簧關閉電磁閥。改進后電磁鐵結構如圖7所示。

結構改進后,電磁鐵由線圈控制,銜鐵帶動頂桿及壓片,控制微動開關動作。當線圈通電后,銜鐵克服彈簧力、摩擦力,帶動頂桿、壓片向下動作,壓片壓緊微動開關按鈕,對外輸出接通信號,頂控板燈熄滅,線圈斷路。當線圈斷電時,彈簧復位,銜鐵在彈簧力的作用下帶動頂桿、壓片向上動作,微動開關按鈕彈開。

圖7 改進后電磁鐵結構

為了驗證常閉式電磁鐵能否長時間通電,裝配十個線圈盒,抽取其中兩個,對應電阻分別為最大和最小,進行長時間通電試驗。試驗中,線圈工作正常,線圈內部漆包線溫度為115 ℃,遠低于漆包線最高使用溫度。試驗后檢查線圈內部漆包線,未發現破損、燒蝕,外觀良好,線圈也沒有異常。試驗數據表明常閉式電磁鐵長時間通電情況下可靠性較高。兩個線圈的長時間通電試驗結果見表1、表2。

表1 線圈1長時間通電試驗結果

6 結束語

筆者針對飛機惰化系統燒膜故障進行分析,確認了故障原因,并實施了改進措施。針對本起故障,在進行系統架構設計時,建議考慮設置備份機構。產品無論可靠性多高,都會存在發生故障的概率,若故障發生后產生的危害性很大,那么設置備份機構是可靠和有效的措施。后續使用飛機惰化系統,除在入口處設置引氣關斷閥外,建議在出口處設置引氣超溫關斷閥,這樣可以進一步提高系統的安全性與可靠性。

表2 線圈2長時間通電試驗結果