基于惰化能力分級評價的軍用飛機燃油箱惰化特性分析

【摘要】為滿足貼近使用場景的軍用飛機燃油箱惰化能力的精細化評估需要，本文基于AMESim軟件，以波音747中央翼油箱為研究對象建立一維仿真模型，結合實驗數據完成了模型驗證。其次通過典型應用任務場景識別，獲取了典型空投空降任務剖面下軍用運輸類飛機燃油箱氧濃度的變化規律。最后首次采用惰化能力分級評價的思路，完成了典型剖面下的惰化能力的精細化分析。結果表明：仿真方法與試驗結果吻合度高，惰化分級評價標準能夠合理精細化評估惰化系統的能力。

【關鍵詞】軍用飛機|燃油箱|惰化仿真|惰化能力評價

一、設計背景

航空燃油易燃易爆的特點使得飛機燃油箱的安全設計一直是研究的重點。美國航空推進實驗室的一份報告對1975年至1978年間大多數北約國家軍民用飛機的消防安全事件進行了回顧[1]。報告顯示有1141起涉及火災的事故，其中排在第2位的是“飛行中和墜毀后的油箱爆炸”，排名第7位的是“在加油或維修期間油箱爆炸”。同時報告顯示“戰斗損失和損壞數據顯示，在作戰環境中，飛機執行任務時燃油箱上部氣相空間的著火可能性很大，面臨的著火源威脅中95%是來自7.6mm～23mm炮彈的襲擊。另一份研究報告顯示[2]，東南亞沖突中60%的飛機損失是由爆炸和火災造成的。因此，與民用飛機燃油箱可燃性防護重點針對自身系統故障相比，軍用飛機面臨的任務場景和外部高能點火源（如敵方炮擊等）威脅更為復雜，其燃爆防護需求更為強烈。對此研究人員開展了系統性的實驗室燃油箱燃爆實驗[3-4]，確定了以降低油箱氣相空間氧濃度的方式進行防護。工程上當前主流的民用和軍用機型均通過機載油箱惰化系統（OBIGGS）進行燃油箱的燃爆防護。其工作原理為，發動機引氣經機載燃油箱惰化系統后分流成富氮氣體（NEA）和富氧氣體，富氮氣體充入油箱上部氣相空間，降低混氣中氧氣含量。因此近年來對于燃油箱惰化能力評估的研究主要集中在以下幾個方面，首先是燃油箱氣相空間氧濃度仿真特性分析，例如劉衛華等人[5]采用工程計算方法對典型燃油箱惰化過程進行了研究，顯示該方法能滿足對惰化特性的預測要求。其次是在惰化能力與惰化指標及標準方面，例如，周鵬鶴等人[6]對油箱惰化中氧濃度控制指標分析后，指出現有標準中“氣相空間氧濃度不超過9%”的值得商榷，它將帶來因過度防護而產生的代償損失。呂旭飛等人[7]從系統性總結分析提出了飛機燃油箱惰化降級評價的思路和對應的指標要求，具有較強的工程應用價值。

為滿足貼近使用場景的軍用飛機燃油箱惰化能力的精細化評估需要，本文采用一維仿真仿真手段，針對典型的運輸機多隔艙燃油箱惰化過程進行了仿真驗證。同時針對典型應用任務場景識別，獲取了典型任務剖面下燃油箱氧濃度的變化規律。首次采用惰化能力分級評價的思路，完成了全剖面的惰化能力的精細化分析，并給出了設計更改和使用建議。

二、惰化系統仿真建模分析

（一）仿真模型

以波音747中央翼油箱為研究對象，參照文獻[8]建立油箱三維模型。油箱為典型的多隔艙結構，通過內部設置隔板分為6個隔艙，（見圖1a）。其中1、2號艙與機身寬度，其余4個隔艙由位于油箱中部的隔板分割而成。各隔艙間通過隔板間的底部和頂部的孔相連，富氮氣體進氣口位于3號艙，通氣管設置于1號艙和6號艙與外界大氣相連。

根據典型多艙燃油箱幾何模型及惰化氣體的通流方式，利用AMESim軟件在Sketch mode中從Aircraft Fuel System模型庫、Gas Mixture模型庫、Signal，Control模型庫和Aero Marine模型庫等選擇元件模型搭建多艙油箱沖洗惰化模型，（如圖1b）所示。

（二）仿真方法驗證

圖3以1號、2號、5號隔艙為例，給出了油箱地面惰化過程中各個隔艙的氧濃度仿真結果與實驗結果對比。可以看出，仿真結果與文獻實驗結果規律相同，1、5號隔艙內氧濃度變化規律與實驗結果吻合度較高，2號隔艙的仿真結果與實驗結果略有差異。總體上看仿真結果在數值上與實驗結果誤差較小，滿足分析多隔艙油箱的惰化過程的要求。

（三）典型任務場景下的燃油箱惰化特性分析

參照國外某型軍用運輸機飛行空投空降任務剖面，對飛行過程中惰化過程進行研究。任務剖面設置如下：飛機地面運行20min后起飛爬升至Hp=10000m改平，巡航30min后正常下降至Hp=2000m平飛15min。爬升到Hp=10000m平飛20min；然后應急下降至到Hp=2000m，平飛10min后返場著陸。

圖3為飛行過程中各個隔艙氧濃度的變化。可以看出，油箱氧濃度在爬升、巡航階段逐漸降低，在下降（含正常下降和應急下降）過程中各油箱艙均有不同程度的升高。其原因有二：其一是由于下降過程中外界大氣壓力逐漸高于油箱氣壓，為平衡油箱內外壓差，外界大氣從通氣口涌入；其二是為改善下降過程中（尤其是應急下降）的油箱氧濃度升高的情況，機載制氮系統通常會進入大流量模式（惰化氣體流量增大、氧濃度小幅升高）。因此正常下降過程中，所有隔艙的氧濃度均未超過8%，而應急下降過程中，1號隔艙氧濃度最大達到11.6%，6號隔艙氧濃度最大達到15.4%，其余隔艙氧濃度未超過8%。相比正常下降，應急下降過程中與通氣口相連的1號隔艙和6號隔艙氧濃度升高的幅度更大，因此對于1號隔艙和6號隔艙來說，外界大氣涌入是油箱氧濃度升高的主要影響因素，其余油箱艙未直接與外界大氣相連，機載制氮裝置產生的富氮氣體含氧量升高是主要影響因素。

（四）典型任務場景下油箱惰化能力分級評價的應用分析

根據文獻[7]所述，根據軍用飛機的使用場景特點及面臨的點燃威脅，燃油箱的惰化能力可以依據混氣中的氧濃度大致劃分為4個等級。總體上，“能力1區”能夠抵御大多數高能和低能點火源，“能力2區”可抵御由于自身系統故障-失效產生的點火源，“能力3區”可抵御部分點火能量較小的威脅，“能力4區”即處于惰化失效狀態。

由于2號、3號、4號、5號油箱艙在除了出航爬升階段存在氧濃度8%以上的情況，基本滿足現行國軍標要求和惰化能力分級評價標準的“能力1區”。因此本部分主要針對惰化條件相對惡劣的1號隔艙進行惰化能力分析。

如圖4所示，初始狀態油箱氣相空間氧濃度為21%，處于惰化狀態“能力4區”，飛機地面工作20min起飛，起飛后5min爬升至Hp=2.4km附近時，惰化狀態進入“能力3區”。當起飛后8min爬升至Hp=5.9km附近時，惰化狀態進入“能力2區”。當起飛后17min爬升至Hp=7.9km時惰化狀態進入“能力1區”，并在此后的應急下滑前的飛行階段惰化狀態均處于“能力1區”。出航階段處于任務區域以外，可以不考慮敵方高能燃爆源的威脅，僅考慮飛機自身故障引發的點火威脅。對于該飛行場景，可以通過適當延長地面工作時間以縮短出航階段惰化能力處于“能力1區”情形。

應急下滑持續4.5min后下滑至氣壓高度Hp=4km時，惰化狀態進入“能力2區”，此時1號隔艙能夠抵御絕大部分因為油箱內“故障-失效”成為點火源（點火能量不大于20J）從而引起的燃燒；同時，若遭遇30mmHEI（高能燃燒彈）、23mmAPI（穿甲燃燒彈）襲擊，油箱會產生大約60kPa的過壓；油箱表面溫度在400℉～500℉，燃油蒸汽溫度不大于200℉，油箱內產生的過壓不超過40kPa。應急下滑5.76min后（應急下滑末段）下滑至氣壓高度2.3km時，惰化狀態進入“能力3區”并持續2.8min左右，此時混氣能夠抵御油箱內不超過0.001J至1J的點火能量而不引起劇烈反應，但若遭遇30mmHEI、23mmAPI襲擊，油箱會產生大約300kPa的過壓；油箱表面溫度小于533K，燃油混氣溫度小于422K，油箱內就會產生燃燒反應甚至爆炸。此后惰化能力逐漸增強至“能力2區”，并在返場階段惰化能力進入“能力1區”直至著陸。

三、結語

本文通過開展典型多隔艙燃油箱惰化的模型驗證、典型任務剖面油箱氧濃度的特性分析和油箱惰化能力分級評價的應用分析，得到以下結論：

其一，實現了典型隔艙油箱惰化系統的仿真方法驗證和全剖面仿真。基于AMESim建模的仿真結果與實驗結果對比誤差較小，可以用于分析多隔艙油箱惰化過程；

其二，對典型任務場景下油箱惰化能力分級評價的應用分析。能力分級評價標準能夠對燃油箱惰化能力進行合理精細化評價，有助于從油箱防爆角度準確理解軍用飛機生存能力。中國軍轉民

參考文獻

[1]L.A. Desmaris and F.F. Tolle， \"Integrated Aircraft Fuel Tank Inertingand Compartment Fire Supression System，\" AFWAL-TR-83-2021， VoTume II， Aero Propulsion Lab， Wright Patterson Air Force Base， Ohio 45433， April 1983， pp 105-129.

[2]Kenneth W. Bailey， \"Onboard Nitrogen Generation for Fuel System Inerting，\" Aircraft Survivability Newsletter， Volume VII， Number 1， JTOG/AS， NAVAIR SYSCOM AIR 5164 J， Washington， D.C. 20361， January 1983， pp 5-7.

[3]FERRENBERG A J，OTT E E. Incendiary gunfire simulation techniques for fuel tank explosion protection testing [R].Air Force Aviation Propulsion Laboratory， AFAPLTR-73-50.1973.

[4]HILL R， JOHNSON G R. Investigation of aircraft fuel tank explosions and nitrogen inerting requirements during ground fires[R].Federal Aviation Administration， FAA Report RD 75 119，1975.

[5]馮晨曦，劉衛華，鹿世化，等.氣體分配方式對多隔倉燃油箱地面惰化的影響[J].航空動力學報，2011，26（11）：6.

[6]周鵬鶴，劉文怡，劉衛華.飛機燃油箱惰化中氧體積分數控制指標分析[J].航空動力學報，2020，35（9）：1856-1865.

[7]呂旭飛，姚尚宏，杜明杰.飛機燃油箱惰化能力降級指標分析[J].航空動力學報，2023，38（5）：1067-1074

[8]Cavage， William M， Kils， et al. Inerting a B-747SP Center Wing Tank Scale Model with Nitrogen Enriched Air[R].FAA Report DOT/FAA/AR-02/51， May， 2002.

（作者單位：中國飛行試驗研究院發動機所）