繆圣亮

某輕型飛機(jī)燃油系統(tǒng)地面模擬試驗方法

繆圣亮

為了能夠保證在飛機(jī)首飛前對燃油系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計方案進(jìn)行全方位的驗證，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并優(yōu)化設(shè)計方案，縮短研制周期，降低研制技術(shù)風(fēng)險。本文詳述了某輕型飛機(jī)燃油系統(tǒng)地面模擬試驗設(shè)計方法，該試驗?zāi)鼙M可能地模擬飛機(jī)的實際工作條件，如發(fā)動機(jī)的燃油消耗率，爬升、下降時的姿態(tài)角，隨飛行高度變化而產(chǎn)生的大氣壓力變化等，并進(jìn)行了短程飛行包線試驗研究，試驗結(jié)果表明該方法模擬飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可靠性高，簡單易用，使用成本低廉，能檢查并驗證飛機(jī)燃油系統(tǒng)在各種狀態(tài)下飛行包線范圍內(nèi)的工作狀況，反映系統(tǒng)的工作性能，將在相當(dāng)長一段時間內(nèi)成為主流。

隨著國家航空事業(yè)的發(fā)展，特別是在輕型飛機(jī)研制方面日新月異。為驗證燃油系統(tǒng)各參數(shù)是否符合CCAR-23-R3《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》、HB/Z146-89《飛機(jī)燃油系統(tǒng)通用設(shè)計規(guī)范》相關(guān)條款；驗證飛機(jī)在各種飛行狀態(tài)下飛機(jī)的供油和輸油功能，并檢查成品附件的工作性能；檢查各分系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性、安全性、操縱性、耐久性、可維修性等綜合性能。

在燃油系統(tǒng)研制過程中，通常需要開展系統(tǒng)的地面模擬試驗，以初步確認(rèn)和驗證系統(tǒng)的功能和性能。一般燃油系統(tǒng)研發(fā)過程中通過在實驗室搭建試驗臺架，應(yīng)用1：1裝機(jī)燃油系統(tǒng)開展地面模擬試驗，發(fā)現(xiàn)潛在設(shè)計問題的同時，提出解決方案同時驗證系統(tǒng)的功能和性能。

試驗方法

試驗對象簡介

試驗對象為某輕型飛機(jī)燃油系統(tǒng)，由左右機(jī)翼油箱，輸油、供油、通氣系統(tǒng)和成品組成。左右機(jī)翼為整體式油箱，每個油箱設(shè)有重力加油口和放油閥。兩個油箱肋板上均布有U型通氣管路。機(jī)翼油箱向發(fā)動機(jī)供油采用泵壓供油，發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)從左右機(jī)翼最低處引出后，經(jīng)燃油選擇閥后分成兩路，兩個支路上設(shè)置獨立的電動燃油泵和單向活門，單向活門后兩支路匯合點處設(shè)置壓力信號器監(jiān)測燃油泵的工作狀態(tài)，然后再通過切斷閥，在出現(xiàn)發(fā)動機(jī)失火等緊急情況時，由飛行員控制切斷燃油供應(yīng)。切斷閥后過渡到發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)，包括壓力傳感器、燃油濾、流量計，并最終進(jìn)入到發(fā)動機(jī)。左右機(jī)翼油箱設(shè)置了油量傳感器、溫度傳感器和低油面?zhèn)鞲衅?，這些信號顯示在駕駛艙內(nèi)綜合顯示系統(tǒng)上，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。全套試驗件系統(tǒng)和試驗件制造符合性檢查滿足管控要求。試驗室按照試驗任務(wù)書要求完成試驗設(shè)備系統(tǒng)的搭建和開展試驗。試驗?zāi)M參數(shù)有（按試驗任務(wù)書提供參數(shù)計算所得）：模擬環(huán)境高度0～7.26 km（對應(yīng)環(huán)境壓力范圍：0kPa～-64kPa）范圍內(nèi)環(huán)境壓力值，模擬油面過載產(chǎn)生油面角度值（俯仰方向油面角：-10°～+25.4°，傾側(cè)方向油面角：-60°～+60°）和模擬發(fā)動機(jī)耗油量（耗量范圍0kg/h～287kg/h），通過試驗檢查并驗證飛機(jī)燃油系統(tǒng)的在各種狀態(tài)下飛行包線范圍內(nèi)工作狀況，反映系統(tǒng)的工作性能。

試驗設(shè)備簡介

按照某輕型飛機(jī)燃油系統(tǒng)地面模擬試驗需求，試驗室依據(jù)試驗任務(wù)書，燃油系統(tǒng)三維布置圖，燃油系統(tǒng)原理圖等技術(shù)資料，開展試驗設(shè)備的搭建，試驗設(shè)備由試驗臺架、測控系統(tǒng)及地面輔助裝置等組成。試驗臺架是為此次試驗專門設(shè)計制造的試驗平臺，該平臺為兩自由度轉(zhuǎn)動臺架，可以承擔(dān)某輕型飛機(jī)燃油系統(tǒng)全尺寸的安裝。平臺可以按控制指令作傾斜運(yùn)動（俯仰-13°～+28°、傾側(cè)：-63°～+63°）從而模擬飛機(jī)的油面角。試驗臺上裝有環(huán)境箱，通過調(diào)節(jié)環(huán)境箱氣壓值可模擬飛機(jī)在不同高度的當(dāng)?shù)卮髿庵?。為了使環(huán)境箱在氣流量突變時壓力影響不致過大，在地面還設(shè)有真空穩(wěn)壓罐和低壓穩(wěn)壓罐。測控系統(tǒng)可以承擔(dān)現(xiàn)場各種測試參數(shù)（壓力、供油流量、油溫以及臺架的轉(zhuǎn)動角度等）的轉(zhuǎn)換、采集和處理。在進(jìn)行熱氣候條件下供油試驗時，由專門的熱交換系統(tǒng)來實現(xiàn)燃油所需的溫度。

圖1　燃油系統(tǒng)原理圖

除了試驗項目指定條件外，應(yīng)在常溫、常壓條件下進(jìn)行，室內(nèi)，試驗臺周圍通風(fēng)良好，整齊干凈，試驗中測試所使用的儀器、儀表精度均在1.5級以上。

地面輔助裝置包括有真空泵、液壓車、燃油加油加溫車等。

試驗原理圖：見圖2。

試驗?zāi)繕?biāo)參數(shù)值和計算

圖2飛行起落航線

燃油系統(tǒng)供油管路內(nèi)徑已選定為d=0.43 in（11 mm），最大流量Qmax=633 lbs/h（0.0001 m3/s），則供油管中燃油的流速v=1.05 m/s，燃油在20℃時，運(yùn)動粘度為1.25 mm2/s從而雷諾數(shù)Re=vd/ν=9240，燃油在湍流范圍內(nèi)，因此沿程摩擦阻力系數(shù)λ=0.3164/ Re0.25=0.03229。供油管路長度為l=5.68 m；ρ=775 kg/m3

所以管路沿程摩擦阻力：

供油管路附件局部阻力系數(shù)ζ取值如下：

ζ1=0.5-油箱內(nèi)管路入口；ζ2=2.5-手動關(guān)斷閥

ζ3=2.5-燃油濾；ζ4=2.0-電動供油泵

ζ5=5.5-輸油控制閥；ζ6=0.21×6-90度彎管

ζ7=1.2×2-直角彎管；ζ8=0.05-直角接頭

ζ9=1.2×2-管嘴連接

其他參數(shù)與前一過程相同，計算得到管路附件局部阻力為：

供油箱油面與發(fā)動機(jī)燃油泵的高度差ΔH=0.5m，從而得到系統(tǒng)的位差損失為：

供油系統(tǒng)的總壓力損失為

燃油系統(tǒng)所選用的燃油泵增壓值：12.5PSI— 28PSI。

圖2　燃油系統(tǒng)試驗原理圖

圖3　短程飛行剖面圖

從而發(fā)動機(jī)入口壓力要求為入口壓力相對壓力為9.7PSI（0.067Mpa）至25.2PSI（0.174Mpa）。

試驗步驟

進(jìn)行試驗前的準(zhǔn)備和檢查，采集P1、P2、P3、P7、P9、P11、P12、P13、Q、θ、γ零點值，并判斷采集的零點值是否正確，如不正確則對相關(guān)傳感器進(jìn)行檢查。

按加油程序打開加油閥DF2、DF3分別給左、右油箱加油100kg。

按各設(shè)備工作程序進(jìn)入試驗狀態(tài)，啟動電動供油泵供電電源并調(diào)節(jié)工作電壓為28VDC，打開主電動供油泵和設(shè)備回油路上電磁閥DF5。

根據(jù)試驗條件要求（見表1），控制計算機(jī)按給定曲線自動調(diào)節(jié)環(huán)境箱壓力P11、供油流量Q、臺架俯仰角θ、傾側(cè)角γ，并記錄每次切換時間點的耗油量，數(shù)采計算機(jī)采集各測量點值，并記錄此時的P1、P2、P3、P7、P9、P11、P12、P13、T1、T2、T6、T7、Q、θ、γ。

當(dāng)計算機(jī)給定曲線跟蹤完成后關(guān)閉電動供油泵，關(guān)閉回油電磁閥DF5，停止試驗，環(huán)境箱壓力、臺架角度回零。

試驗記錄

試驗數(shù)據(jù)的記錄見表1。

符合性意見

發(fā)動機(jī)入口壓力值均在67～174kPa（相對壓力）之間，滿足發(fā)動機(jī)入口壓力的要求。

燃油系統(tǒng)工作正常，管路、附件連接可靠、無滲油、漏油現(xiàn)象。

表1　短程飛行任務(wù)試驗繞場一周

結(jié)束語

本研究是針對輕型飛機(jī)燃油系統(tǒng)地面模擬試驗進(jìn)行的，具有一定的通用性，該試驗方法能盡可能地模擬飛機(jī)的實際工作條件，如發(fā)動機(jī)機(jī)的燃油消耗率，爬升、下降時的姿態(tài)角，隨飛行高度變化而產(chǎn)生的大氣壓力變化等，檢查并驗證飛機(jī)燃油系統(tǒng)在各種狀態(tài)下飛行包線范圍內(nèi)的工作狀況，反映系統(tǒng)的工作性能。因此，成熟可靠的燃油系統(tǒng)地面模擬試驗方法還會在飛機(jī)燃油系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域中繼續(xù)得到應(yīng)用，并將在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮較大作用。

繆圣亮

中航通飛研究院有限公司第五研究室

繆圣亮（1989-）男，大學(xué)本科，助理工程師，研究領(lǐng)域為飛機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.005