飛機燃油系統閃電試驗可燃氣體配比研究

姜 亮，劉春陽，姚永杰，熊 秀

（1.中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210；2.中國民用航空上海航空器適航審定中心，上海 200335； 3.西安愛邦電磁技術有限責任公司，陜西 西安 710077）

0 引言

飛機燃油系統閃電試驗是飛機燃油箱防爆安全設計驗證的一項重要試驗，也是適航審查的重點。該試驗可以表明飛機遭遇閃電時會否在燃油箱內產生點火源，進而引發燃油蒸氣點燃爆炸[1-2]。由于真實的燃油蒸氣成分復雜且難以制備[3-4]，國內外現行標準一般都建議采用混合的可燃氣體來模擬替代真實的燃油蒸氣，并要求混合的可燃氣體可被200 μJ 能量的電火花點燃[5-12]。

目前，國內外開展的燃油系統閃電試驗中大多采用氫氣（H2）、氧氣（O2）和氬氣（Ar）混合制成可燃氣體的方法。文獻[13]通過試驗研究提出了采用點燃能量更小的敏感氣體氫氣作為點火源的探測氣體，以提高點燃概率。文獻[3，14-15]對點燃可燃氣體的標準電火花源進行了研究，給出了電極間隙等關鍵影響因素，并提出了用于計算理論能量的方法。文獻[16]對氫氣點燃的動態過程進行記錄，并對點燃后的壓力進行了測量。文獻[17-18]結合試驗研究，給出了采用混合可燃氣體檢測點火源的具體應用。

由于氫氣的點燃能量小，點燃后釋放的壓力小、溫度低，且易于同其他氣體混合，最新版試驗標準SAE ARP5416A、DO-160G等均推薦優先采用氫氣、氧氣和氬氣這3 種氣體混合制成可燃氣體的方法，并要求可燃氣體配比要滿足在200 μJ 電火花能量下的點燃概率不小于90%。

上述標準中推薦的氫氣配比體積分數調節范圍為5%～7%，化學當量為1.2[6，10]。但試驗研究發現，采用普通精度的浮子流量計、試驗腔體內氣體置換不均勻、氣體密封泄露等因素，都會導致可燃氣體中氫氣配比體積分數的輕微變化，引起混合氣體點燃所需的最小點燃能量出現較大的波動，進而導致燃油系統閃電試驗欠考核或過嚴考核，從而影響試驗驗證的有效性；此外，氫氣體積分數的大小影響可燃氣體燃爆沖擊能量的大小，對試驗人員及試驗件的安全有一定的影響[19]。

為此，本文針對飛機燃油系統閃電試驗中采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃氣體配比開展研究，對可燃氣體不同配比下的最小點燃能量以及相關的點燃影響因素進行試驗研究，以期為燃油系統閃電試驗驗證及防護設計提供數據參考和依據。

1 研究內容

本文對飛機燃油系統閃電試驗采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃氣體配比開展的研究，主要包括兩方面。1） 研究不同可燃氣體配比體積分數下，氣體點燃所需的最小電火花點燃能量。其中，氫氣的體積分數分別選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%。初始氫氣體積分數為3.5%，化學當量為1.2。調制好可燃氣體配比體積分數，通過逐步調節電火花的點燃能量值，直至氣體被點燃，以獲取不同配比體積分數下的最小點燃能量。2） 研究200 μJ電火花能量下，滿足90%點燃概率的可燃氣體配比比例及影響因素。將電火花能量調節在200 μJ 以內，通過調節氣體配比體積分數，使200 μJ 能量的電火花能點燃可燃氣體并且滿足90%的點燃概率。通過多次試驗，記錄可燃氣體配比及相應的點燃概率。氣體的點燃為概率事件，為此，針對不同的氣體配比體積分數，需要分別進行多組試驗測量和數據統計分析。

2 研究方法

通過試驗，對飛機燃油系統閃電試驗采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃氣體配比進行研究。

2.1 試驗裝置

試驗設備及布置，如圖1所示。

圖1 可燃氣體點燃試驗布置Fig.1 Setup for flammable gas ignition test

主要試驗裝置及作用說明如下。

1） 動態氣體配比系統：用于產生試驗所需的可燃氣體；氫氣、氧氣和氬氣氣瓶內的壓縮氣體經減壓閥輸出至流量計，并經過氣體混合腔均勻混合后再通過充氣管路輸送進入試驗腔體；氣體配比體積分數可以通過計算機管理的高精度質量流量計進行動態調節和精確控制。

2） 標準電火花源：用于產生0～300 μJ能量可調節的電火花，是試驗中的關鍵設備，其工作原理如圖2所示，充電電容和放電電極并聯，可調的直流高壓電源對充電電容進行充電，當電容的充電電壓達到氣體擊穿電壓時，電極兩端產生電火花放電[20-21]。

圖2 電火花源原理圖Fig.2 Schematic diagram of spark source

圖3 試驗使用的相機Fig.3 Camera used in the test

電火花能量的計算公式如下：

式（1）中：E為電火花能量；C為充電電容值；V為電極放電的擊穿電壓值。

根據式（1），通過對充電電容和放電電壓的調節可以實現對電火花能量的控制。其中：充電電容的大小可通過可調電容的旋鈕進行調節；放電電壓主要受放電電極的距離、形狀，以及氣體環境的影響。電極間隙距離越大，所需的擊穿電壓值越大，試驗中，電極的間隙控制在1.6 mm左右。

3） 試驗腔體：用于試驗中可燃氣體的存儲。該腔體選用透明有機玻璃材料，以便從外部觀察腔體內電極的放電現象；腔體上表面及兩側表面設有3 個泄壓口，試驗中當腔體內可燃氣體燃爆時，泄壓口薄板將被吹起打開，以泄放氣體燃爆產生的沖擊壓力[22]。

在試驗腔體斜對角位置設有2 個管路連接口，用于充氣管路和排氣管路的連接。試驗腔體內的可燃氣體環境通過氣體體積置換的方式獲得。試驗研究表明，對腔體進行5倍體積的氣體置換，可以使腔體內的混合氣體體積分數達到99%以上[3]。

4） 相機：用于試驗現象的觀察和過程記錄。由于電火花的放電能量較小，難以用肉眼準確觀察。同時，考慮到可燃氣體燃爆對試驗人員的安全影響，試驗中，采用加裝長焦鏡頭的相機對試驗腔體內電極之間的電火花產生情況進行觀測和記錄。

2.2 試驗條件

試驗在常溫常壓大氣環境下進行，試驗區域應保持良好的通風，氣體配比系統、試驗腔體、排氣管路出口位置應禁止有明火及高溫源，周圍配置滅火器及氫氣體積分數檢測儀，確保氣體的使用安全。

試驗時，試驗腔體內的濕度應盡可能小（建議一般小于60%）。氣體點燃后，應對試驗腔體內的水蒸汽進行烘干處理，確保試驗腔體干燥。

試驗前，應檢查標準電火花源的電極，確保電極表面無臟污、燒蝕。

2.3 試驗步驟

電火花點燃氣體試驗的步驟如下。

1） 根據圖1 所示的試驗布置，連接放置好氣體配比系統、標準電火花源、試驗腔體、充氣管路、排氣管路和相機等設備。

2） 采用密封膠帶對試驗腔體的泄壓口薄板進行密封，確保充氣時腔體內的氣體不會發生泄漏。

3） 根據氣體配比體積分數，計算氣體配比系統的流速和充氣時間，并進行參數設置，向試驗腔體內充入可燃氣體。試驗腔體的體積為44 L，充入的可燃氣體的總體積應不小于220 L。將混合氣體的總流速設置為60 L/min，充氣時間設置為240 s，可確保腔體不小于5倍體積的換氣。

4） 充氣完成后，斷開充氣管口連接，并對充氣管口進行密封；同時去掉泄壓口薄板的3邊密封膠帶，僅保留1邊固定。

5） 設置標準電火花源，點燃可燃氣體。①針對不同氣體配比下的最小電火花點燃能量試驗。在試驗前，將標準電火花源的輸出電壓值調至1 個較小的值（2 kV 左右），確保放電電極不會擊穿，充電電容值調節至最小值（5 pF 左右）；打開標準電火花電源，緩慢調節放電電極的電壓輸出值，同時，通過相機鏡頭觀察放電電極，直至有電火花產生。若有電火花產生但氣體未點燃，則表明電火花能量太小，不能點燃氣體。關閉電源，緩慢增加充電電容值，使電火花的能量增加，并重新打開標準電火花源，直至有電火花產生且氣體能被點燃，則該能量值為電火花點燃的最小能量值。②針對200 μJ 電火花能量下的氣體配比驗證試驗。試驗前，將放電電容值設置為1 個固定值（26 pF左右），調節標準電火花源的電壓值，確保放電電極不會擊穿。打開標準電火花電源，緩慢調節放電電極的電壓輸出值，同時，通過相機鏡頭觀察放電電極，直至有電火花產生，觀察試驗腔體內的可燃氣體是否能被點燃。

6） 使用相機記錄氣體點燃過程。

7） 測量記錄標準電火花源的充電電容值、電火花擊穿電壓值，計算電火花的能量值。

按照規定的試驗內容和次數完成試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

可燃氣體點燃試驗結果如下：

1） 氫氣配比體積分數分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%時（對應數據組序號依次為1～7），可燃氣體最小點燃能量的試驗結果統計如表1 所示。每種氣體比例下的試驗次數為5次。

表1 不同氫氣體積分數下可燃氣體點燃試驗的數據結果Tab.1 Test results of flammable gas ignition test with different proportions of H2

2） 200 μJ 電火花能量下，將氫氣配比體積分數調整為4.5%、5.0%，研究在該氣體配比下的點燃能量及點燃概率，試驗結果如表2 和表3 所示。每種氣體比例下的試驗次數為10次（對應序號1～10）。

表2 4.5%氫氣體積分數的點燃試驗數據Tab.2 Test results when H2 proportion is 4.5%

表3 5.0%氫氣體積分數的點燃試驗數據Tab.3 Test results when H2 proportion is 5.0%

3.2 試驗結果分析

1） 對表1 統計的試驗數據進行分析：數據組1 顯示，當氫氣體積分數為3.5%時，即使電火花能量大于200 μJ，也無法使混合氣體被點燃；數據組2 顯示，在氫氣體積分數為4.0%時，5 次試驗中氣體均被點燃，但平均最小點燃能量值為218.6 μJ，大于國內外民航管理局可接受的燃油蒸氣最小電火花點燃能量值200 μJ[12]；數據組7 顯示，在6.5%氫氣體積分數的5 次試驗中，氣體均可被點燃，但試驗中觀察到氣體被點燃時，試驗腔體上泄壓口薄板的打開動作非常劇烈，如圖4所示，試驗腔體頂部的泄壓口薄板被掀翻180°，表明該氫氣體積分數下的氣體燃爆壓力顯著增加；閃電試驗如采用6.5%氫氣體積分數的氣體將會導致試驗燃爆沖擊壓力過大，會增加試驗的安全風險。

圖4 氣體點燃后試驗腔體照片Fig.4 Photo of test chamber when gas was ignited

因此，3.5%和4.0%的氫氣配比體積分數不能用于燃油系統閃電試驗；同時，6.5%的氫氣配比體積分數不推薦用于燃油系統閃電試驗。

2） 標準SAE ARP5416A 要求可燃氣體被200 μJ電火花（燃油蒸氣的最小點燃能量）點燃的概率不得小于90%。對表2 中的10 次試驗數據進行分析；在4.5%的氫氣配比體積分數下，10 次試驗中出現了1 次氣體點燃能量大于200 μJ 的情況，氣體可被200 μJ 能量點燃的概率為90%，剛好處于標準SAE ARP5416A試驗要求的臨界值。

因此，閃電試驗中，如氫氣配比體積分數按4.5%進行配置，則仍存在200 μJ 電火花能量下點燃概率不能滿足試驗標準要求（點燃概率不小于90%）的較大風險，故4.5%的氫氣配比體積分數不推薦優先用于燃油系統閃電試驗。

3） 對表3 中的10 次試驗數據進行分析，在5.0%氫氣配比體積分數下，10 次試驗的氣體全部被點燃，點燃概率為100%。其中，最小的點燃能量為154 μJ，最大的點燃能量為184 μJ。

根據試驗結果，10 次試驗中電火花能量值均小于200 μJ。因此，閃電試驗中氣體采用5.0%氫氣配比體積分數可將200 μJ 及以上能量的全部點火源都檢測出來。10 次試驗中的最小點燃能量為154 μJ，該點燃能量值距離200 μJ 能量值的差距并不大，因而不會導致試驗被過度考核。

4） 對不同氫氣體積分數下的最小點燃能量值進行繪圖統計，如圖5所示。曲線整體趨勢顯示，隨著氫氣體積分數的增大，點燃氣體所需的最小點燃能量逐漸降低。

圖5 最小點燃能量值統計Fig.5 Statistics of minimum ignition energy

因此，氫氣配比體積分數為5.5%和6.0%時的氣體點燃能量將比氫氣配比體積分數為5.0%時的氣體點燃能量更低，也因此會導致閃電試驗被嚴重的過度考核。氫氣配比體積分數越高，試驗過嚴考核的程度就越大。

5） 對不同氫氣體積分數下的放電電極擊穿電壓值進行統計，如圖6所示。數據曲線顯示，隨著氫氣體積分數的增大，放電電極的平均擊穿電壓整體呈增大趨勢。但擊穿電壓值的分散性較大，這是因為除了氣體特性外，擊穿電壓值還與電極間隙、電極的燒蝕、電極表面的清潔程度等相關。空氣中的擊穿電壓遠遠大于可燃氣體中的擊穿電壓，因此，在閃電試驗中應盡可能保持放電電極的狀態不變，電極上的輸出電壓值應略大于放電間隙的擊穿電壓值。若試驗中放電電極狀態發生變化，則需要采用可燃氣體重新進行點燃能量的驗證。

圖6 放電電極擊穿電壓值Fig.6 Breakdown voltage of discharge electrode

4 結論

本文對飛機燃油系統閃電試驗中可燃氣體配比進行了試驗研究和分析，并得出以下結論：1） 推薦燃油系統閃電試驗，優先采用5.0%的氫氣配比體積分數，可確保200 μJ 及以上能量的全部點火源被試驗檢出，同時也避免了閃電試驗被嚴重的過度考核；2） 隨著氫氣配比體積分數的增大，可燃氣體被點燃所需的點燃能量逐漸降低，氫氣配比體積分數越高，燃油系統閃電試驗被過嚴考核的程度就越大，故5.5%和6.0%的氫氣配比體積分數不推薦被優先采用；3） 考慮氣體燃爆沖擊影響，燃油系統閃電試驗中，不推薦采用6.5%及以上氫氣配比體積分數的可燃氣體，如采用，必須充分評估氣體燃爆沖擊壓力對試驗腔體及試驗件的安全影響；4） 電火花點燃可燃氣體的擊穿電壓值呈現一定的分散性，因此，閃電試驗操作中應盡可能地確保放電電極的間隙、表面清潔度等狀態的穩定。本文試驗數據及研究結論可為飛機燃油系統閃電防護設計及閃電試驗提供指導和重要參考。