康飛　姚莉君

【摘 要】飛機燃油箱爆炸直接威脅到航空飛行安全。安裝于機身內(nèi)部的中央油箱，其上部無油空間容易析出燃油蒸汽，該空間的燃油蒸汽和氧氣的濃度比是否在抑爆的安全值之內(nèi)是至關(guān)重要的。為了提高飛機燃油箱安全性，國際權(quán)威適航管理部門均制定了強制性的適航法規(guī)，要求降低燃油箱可燃性。分析了導(dǎo)致油箱燃燒的三大要素，提出了現(xiàn)役飛機上的油箱惰化方法，側(cè)重于機載制氮系統(tǒng)的原理與纖維膜式空氣分離技術(shù)。對我國掌握機載制氮核心技術(shù)，提高飛機設(shè)計的安全性水平的迫切性給與了說明。

【關(guān)鍵詞】燃油蒸汽；油箱爆炸；機載制氮系統(tǒng)；空氣分離

0 背景

通常情況下，民用飛機燃油箱劃分為左右機翼油箱和中央油箱。左右機翼油箱在飛機飛行過程中一直與翼面流動的空氣有熱交換，同時在機翼末端下部配有油箱通風(fēng)口，所以機翼油箱內(nèi)燃油溫度基本能與環(huán)境溫度一致。中央油箱位于機身中段下部、主起落架艙前，油箱處于機身內(nèi)，因此不能與外界環(huán)境發(fā)生熱交換。此外，由于飛機滑跑起飛后主起落架收起時，液壓系統(tǒng)對主起落架進行剎車，剎車轂產(chǎn)生高溫，給中央油箱產(chǎn)生附加熱源。還有其它因素，諸如發(fā)動機的熱輻射，靜電積累等，都容易導(dǎo)致油箱燃燒[1]。FAA對中央油箱的研究表明，中央油箱位于中段機身內(nèi)，具有很大的潛在危險性[2]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明中央油箱更加容易爆炸，且已經(jīng)證明了在民用飛機上應(yīng)用燃油箱惰化是技術(shù)可行的[5]。為滿足適航安全性要求，現(xiàn)代民航飛機在設(shè)計時，都要求加裝燃油箱惰化系統(tǒng)，為中央翼油箱注入惰性氣體。氣體可按不同的流量模式充入燃油箱，對油箱上部無油空間進行洗滌或沖洗，以降低該空間燃油蒸汽中的氧氣濃度，使其保持在適航要求規(guī)定的安全值之內(nèi)，抑制燃油箱發(fā)生爆炸。

1 致燃因素分析

1.1 油箱無油空間蒸汽

飛機燃油由不同種類的烴類成分組成，隨著油箱溫度的不同，各種烴類易次第揮發(fā)形成燃油蒸汽。燃油箱內(nèi)上部無油空間的燃油蒸汽濃度由燃油箱內(nèi)的蒸汽壓力決定，影響蒸汽壓力變化的直接因素就是燃油溫度。當無油空間的油汽和空氣濃度比處于一個區(qū)間值時，該混合氣體容易被點燃。對于航空煤油，該區(qū)間為[0.03，0.2] [1]，在該范圍內(nèi)，對出現(xiàn)的任何足夠能量的熱源或火源都會點燃該油汽混合物。

1.2 油箱可燃性

美國航空委員會的燃油可燃性實驗人員進行了燃油箱可燃性分析研究，基于熱值模型和蒙特卡洛分析程序，評估燃油箱可燃性。該方法給定飛行任務(wù)分布和執(zhí)飛過程中不同外界環(huán)境溫度下的燃油箱熱特性，以此計算大部分飛機燃油箱每分鐘內(nèi)溫度變化。把該計算值和油箱滿載情況下的最低和最高溫度進行比對，由此確定油箱溫度處于可燃溫度范圍的時間區(qū)間和執(zhí)飛時間的關(guān)系，進一步確定油箱的燃爆特性。分析結(jié)果表明，暴露在熱源附件的中央油箱產(chǎn)生近乎30%的燃爆幾率，而未加熱的左右機翼油箱僅有5%的燃爆幾率。

1.3 潛在火源與熱源

油箱內(nèi)存在多種潛在的火源或熱源，這些因素極易成為引燃油箱的驅(qū)動因子。（1）電?。号c燃油泵連接的電氣部件，與油量傳感器連接的測量線纜，由于長時間接觸燃油，絕緣層遭到腐蝕，在其接線端子處容易產(chǎn)生電弧放電。（2）靜電：與燃油泵連接的供輸油管路、閥門、卡箍等附件，在供輸油過程中或機動飛行時與燃油發(fā)生接觸摩擦產(chǎn)生靜電。當電荷累積到一定程度，形成靜電放電極易引燃油箱。（3）熱輻射：飛機中央油箱安裝于中段機身下部，主起落架艙前，在飛行過程中不能與外界環(huán)境接觸并產(chǎn)生熱交換。另外，左右發(fā)動機運轉(zhuǎn)會對油箱產(chǎn)生熱輻射；飛機滑跑起飛后主起落架收起，主起落架輪轂剎車也會對油箱產(chǎn)生熱輻射。這幾部分熱量對中央油箱產(chǎn)生的熱輻射，加速了油箱內(nèi)燃油蒸汽的析出速率。（4）雷擊：飛機執(zhí)飛的時候，有時會遇上雷雨天氣，飛機遭受雷擊瞬間，機體會有強電流通過，這極易引燃飛機油箱，造成嚴重后果。

2 燃油箱惰化方法

常溫常壓下，燃油蒸汽的安全氧氣濃度為12%。若考慮油箱點火源強度及溫度和壓力等實時變化，很多研究已驗證，當油箱內(nèi)氧濃度為9%或更低，任何嚴酷條件下，燃燒幾乎不會發(fā)生。飛機燃油箱惰化條件被定義為：如果油箱每個艙室內(nèi)的平均氧氣濃度在海平面到3048m之間不超過12%；從3048m到12192m之間，該濃度值從12%線性外推增加到14.5%；高于12192m時，氧氣濃度值小或等于其線性外推值，則該油箱被認為是惰性的[2]。

飛機燃油系統(tǒng)的抑爆能力，直接關(guān)系到飛機生存力，也關(guān)系到飛機的利用率以及人員安全。解決該問題的設(shè)計思路之一就是控制油箱無油空間內(nèi)氧氣濃度低于引燃值區(qū)間，此外還可以引入耐高熱性質(zhì)的氣體或填充泡沫以增加油箱蓄熱能力，使?jié)撛诨鹪椿驘嵩串a(chǎn)生的能量達不到燃油閃點。本文側(cè)重于前一種思路，采用機載液氮或機載制氮系統(tǒng)在飛機停留或執(zhí)飛階段給中央油箱沖入氮氣，以沖洗或洗滌的方式來稀釋油箱上部無油空間的氧氣濃度。

2.1 機載液氮系統(tǒng)

執(zhí)飛前，航務(wù)人員從地面液氮灌向飛機上的液氮存儲系統(tǒng)充氮。飛機油箱需要惰化時，飛行員開啟液氮開關(guān)，經(jīng)過一系列壓力和溫度調(diào)節(jié)之后，生成的適溫適壓氮氣被注入燃油箱，以達到油箱惰化的目的。 這是一種成熟的惰化方法，但囿于機載液氮設(shè)備重量較大，而且對機場后勤保障系統(tǒng)要求較高[3-4]。文獻[5]中介紹了一種采用機載低溫空氣分餾技術(shù)制取液氮，并進行裝罐存儲，然后再進行后續(xù)的狀態(tài)調(diào)節(jié)并應(yīng)用。

2.2 機載制氮系統(tǒng)

2.2.1 機載制氮系統(tǒng)原理

機載制氮系統(tǒng)的引氣來自發(fā)動機或環(huán)控系統(tǒng)，引氣經(jīng)熱交換器與機腹NACA進氣口進入的沖壓空氣進行熱交換之后，再進一步經(jīng)過溫度調(diào)節(jié)，水汽過濾，進入空氣分離器，空氣分離器將空氣分解為氮氣和氧氣。氧氣排出機外，氮氣送往下游，經(jīng)流量控制閥后充進中央油箱上部，以達到降低中央油箱無油空間氧氣濃度，惰化油箱的目的[2]。機載制氮系統(tǒng)的重量相對較輕，惰化效率高，能長時間保證執(zhí)飛期間不同飛行階段對油箱增壓和惰化的需求。基于計算機控制的機載制氮系統(tǒng)可以結(jié)合飛行管理計算機的給定輸入信號，對充入中央油箱的氮氣流量控制，滿足飛機在爬升、巡航、降落等不同飛行狀態(tài)下油箱氣壓變化導(dǎo)致的不同流量氮氣的需求量，以保證油箱內(nèi)外壓力平衡。機載制氮惰化系統(tǒng)原理見下圖1所示。

2.2.2 空氣分離機制

機載制氮系統(tǒng)的空氣分離器根據(jù)工作原理不同分為纖維膜式空氣分離和吸附床式分子篩選分離。纖維膜空氣分離基于半透膜技術(shù)，纖維膜由成千上萬纖維孔組成，是一種中空的高分子聚合物膜，每個纖維孔徑和頭發(fā)尺寸相當。氣體分子在聚合物基質(zhì)中會發(fā)生溶解和擴散，由于空氣中各種氣體分子在膜中的溶解度和擴散數(shù)的差異導(dǎo)致了不同氣體在膜中的滲透速率不同。在纖維膜兩側(cè)壓差作用下，氧氣等通過纖維膜壁的速率比氮氣要快，從而從纖維膜壁釋放出去。氮氣等滲透速率慢的氣體被滯留在纖維膜壁內(nèi)，從而被富集，產(chǎn)生高純度的氮氣，纖維膜式空氣分離器產(chǎn)生的氮氣濃度通?？蛇_99%以上。常用以提高纖維膜分離效率的因素有：（1）增加進氣壓力，提高單位時間內(nèi)的制氮效率；（2）降低外界壓力，提高氧氣的析出速率和氮氣的濃度；（3）適當提高進氣溫度，但溫度超過82℃會影響纖維膜活性。纖維膜空氣分離器內(nèi)部工作機制如圖2所示[6]。

基于分子篩分離技術(shù)的壓力轉(zhuǎn)換吸附裝置，工作吸收介質(zhì)為硅藻土，工作原理如下圖3示。在一次工作周期中，該裝置在高壓下首先吸附空氣中的氧氣，而將氮氣排出，當吸附床壓力減至常壓時，吸附的氧氣被釋放，完成一次氮氧分離。重復(fù)該過程，達到連續(xù)氮氧分離的目的，輸出氮氣純度可達95%～99%。

以上兩種空氣分離機制相比較，纖維膜式空氣分離器可提供純度更高的氮氣，這更能滿足飛機從巡航狀態(tài)急速下降時給中央油箱充入更多的增壓惰性氣體的需求；纖維膜式空氣分離器體積相對也比較小，重量輕，這適用于減重設(shè)計需求；纖維膜空氣分離器一般工作壽命在兩萬小時，相比分子篩選式分離器有更好的長期穩(wěn)定性。纖維膜式空氣分離器的這些優(yōu)勢決定了當今先進的波音和空客等大型民機都選用它作為機載惰化系統(tǒng)的核心部件[7]。我國在機載燃油箱抑爆和機載制氮技術(shù)方面的研究仍然需要加緊步伐，在新時期無論是軍機還是民機，對于該項核心技術(shù)的掌握程度將直接決定我國飛機設(shè)計的安全性能否達到世界先進水平。

3 結(jié)語

從飛機中央油箱防爆抑爆的必要性出發(fā)，分析了導(dǎo)致中央油箱燃油溫度升高的潛在熱源，燃油箱靜電釋放導(dǎo)致起火的因素和燃油箱自身隨外界環(huán)境變化的熱特性。給出了導(dǎo)致燃油箱燃爆的油箱上部無油空間空氣和燃油蒸汽濃度比區(qū)間?；谝陨戏治?，給出兩種飛機燃油箱惰化的方法。重點介紹了機載制氮惰化系統(tǒng)的工作原理，分析了其核心部件——兩種空氣分離器的工作機制。作以對比，為當前世界上的先進民機選用空氣分離器的依據(jù)作了可靠的說明。

【參考文獻】

[1]張鵬飛.飛機燃油箱氮氣惰化性能研究[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2010.

[2]Anderson， C.L.， “Volume III—On-Board Inert Gas Generation System （OBIGGS） Studies， Part1_OBIGGS Ground Performance Tests ”Aero Propulsion Laboratory Report AFWAL-TR-85-2060， January 1986[Z].

[3]Aviation Rulemaking Advisory Committee. Fuel Tank Inerting Harmonization Working Group， final Report June 2001[J].

[4]肖再華.飛機燃油箱惰化[J].航空科學(xué)技術(shù)，2005，1：31-32.

[5]William M.C.. The Effect of Fuel on an Inert Ullage in a Commercial Transport Airplane Fuel Tank[J]. DOT/FAA/AR-05/25 2005.

[6]溫文才.民用飛機燃油箱惰化技術(shù)研究[J].科技信息，2012，345-346.

[7]劉小芳，劉衛(wèi)華.飛機供氧和燃油箱惰化技術(shù)概況[J].華北航天工業(yè)學(xué)院院報，2008，18（3）：4-7.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]