朱德軒 葛 銳 卞 剛 周 偉∕ZHU Dexuan GE Rui BIAN Gang ZHOU Wei

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

民用飛機(jī)機(jī)身燃油管路適墜性適航要求和驗(yàn)證方法研究

朱德軒 葛 銳 卞 剛 周 偉∕ZHU Dexuan GE Rui BIAN Gang ZHOU Wei

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

民用運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)身內(nèi)燃油管路系統(tǒng)的適墜性設(shè)計(jì)是提供飛機(jī)在墜撞情況下的安全性和乘員生還率的重要技術(shù)。通過(guò)對(duì)相關(guān)適航規(guī)章立法背景的研究以及行業(yè)實(shí)踐，總結(jié)分析了條款的適航要求，形成了機(jī)身燃油管路的適墜性設(shè)計(jì)指南和符合性驗(yàn)證方法。

民用飛機(jī)；燃油系統(tǒng)；燃油管路；適墜性

0 引言

隨著民用航空技術(shù)的不斷發(fā)展，以及民航客機(jī)運(yùn)營(yíng)體系的不斷完善，民用飛機(jī)的安全性水平日益提高。根據(jù)國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)2015年的分析報(bào)告，近年來(lái)噴氣類民航客機(jī)發(fā)生事故造成乘員死亡的概率大約穩(wěn)定在五百萬(wàn)分之一，即每運(yùn)輸五百萬(wàn)人次乘客發(fā)生一次乘員死亡[1]。

盡管如此，每一次空難仍然牽動(dòng)全球億萬(wàn)人的神經(jīng)，引發(fā)全社會(huì)輿論對(duì)航空安全的高度關(guān)注。NASA曾開展了一項(xiàng)對(duì)美國(guó)民用飛機(jī)重大事故的統(tǒng)計(jì)分析[2]，結(jié)果表明雖然在全部重大事故中，只有22%的事故最終發(fā)生了火災(zāi)，但這些事故造成的死亡人數(shù)卻占到了總遇難人數(shù)的75%。而且，這22%的事故中有近一半是發(fā)生在飛機(jī)著陸階段。如何避免應(yīng)急著陸后失火是提高整機(jī)適墜性，增加乘員生還率的重要手段。

相對(duì)于燃油箱，布置于機(jī)身內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)(APU)供油管路的適墜性設(shè)計(jì)更需要引起重視。這些燃油管路通常布置在客艙下部的臨近區(qū)域，如在墜撞過(guò)程中受到?jīng)_擊破裂，泄漏燃油很可能起火。火災(zāi)本身可能在短時(shí)間內(nèi)威脅客艙乘員的安全，且其引發(fā)的濃煙也會(huì)給緊急撤離增加難度甚至直接造成乘員窒息死亡。

國(guó)際上，自上世紀(jì)60年代適墜性問(wèn)題引發(fā)關(guān)注以來(lái)，工業(yè)方和審查方開展了大量的部段試驗(yàn)?zāi)酥寥珯C(jī)飛行墜撞試驗(yàn)研究，分析機(jī)身結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)部件和管路在墜撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和相互作用規(guī)律，以期掌握包括燃油管路的適墜性設(shè)計(jì)指南[3-4]。這一系列研究結(jié)果表明，由于大型民用客機(jī)的巨大尺寸導(dǎo)致機(jī)身各處在復(fù)雜墜撞情況下的響應(yīng)極不一致，無(wú)論是通過(guò)試驗(yàn)還是計(jì)算，都無(wú)法準(zhǔn)確地定義飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞級(jí)別和飛機(jī)墜撞工況之間的關(guān)系，也無(wú)法準(zhǔn)確定義燃油管路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和破壞情況。

在國(guó)內(nèi)，民用大型飛機(jī)機(jī)身燃油管路適墜性設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證更是處在探索階段，本文擬通過(guò)對(duì)相關(guān)適航規(guī)章立法背景的梳理和研究，明確條款的適航要求，總結(jié)形成一套較為普適的機(jī)身燃油導(dǎo)管的適墜性設(shè)計(jì)指南和符合性驗(yàn)證方法。

1 條款要求分析

美國(guó)運(yùn)輸類飛機(jī)適航規(guī)章14CFR 25中，機(jī)身燃油導(dǎo)管適墜性要求相關(guān)條款有25.993(f)和25.994條款[5-6]。

1.1 條款要求

25.993(f)：機(jī)身內(nèi)每根燃油導(dǎo)管的設(shè)計(jì)和安裝，必須允許有合理程度的變形和拉伸而不漏油。

25.994：必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)或機(jī)身內(nèi)的燃油系統(tǒng)部件進(jìn)行保護(hù)，以防止在有鋪面的跑道上以25.721(b)條款所規(guī)定的各種工況進(jìn)行機(jī)輪收起著陸時(shí)，發(fā)生燃油噴濺足以造成起火的損壞。

1.2 立法背景和演變過(guò)程

適航規(guī)章中對(duì)于機(jī)身燃油導(dǎo)管的適墜性要求源于1965年的鹽湖城事故。1965年11月11日，一架波音727飛機(jī)，由于飛行員操作失誤在鹽湖城機(jī)場(chǎng)著陸過(guò)程中墜毀起火。飛機(jī)觸地后，右主起落架超載向上刺穿機(jī)身燃油管路，造成燃油泄漏引發(fā)客艙起火，以致機(jī)上91名乘員中43名喪生。美國(guó)國(guó)家交通運(yùn)輸安全委員會(huì)對(duì)事故進(jìn)行了調(diào)查，指出這是一次可生還的事故，即死亡的絕大部分乘員在墜撞沖擊過(guò)程中并沒(méi)有受到致命傷害，而是死于墜撞之后的火災(zāi)[7]。

鹽湖城空難后，F(xiàn)AA在1967年同時(shí)增加25.993(f)和25.721(d)，從機(jī)身燃油導(dǎo)管的適墜性設(shè)計(jì)和起落架系統(tǒng)的破損安全設(shè)計(jì)兩個(gè)方面來(lái)提高整機(jī)的適墜性設(shè)計(jì)水平。

1970年，F(xiàn)AA再次發(fā)出修正案對(duì)25.721條款進(jìn)行了調(diào)整，并增加25.994條款，進(jìn)一步明確輕微墜撞著陸時(shí)對(duì)燃油系統(tǒng)部件和管路的適墜性設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)需避免危險(xiǎn)量燃油泄漏造成著火的危害。

2014年，在航空立法咨詢委員會(huì)ARAC連續(xù)多年的協(xié)調(diào)下，F(xiàn)AA最終明確了25.994條款中考慮的輕微墜撞著陸工況與25.721保持一致，其飛機(jī)垂直下降率為5ft/s。

從立法過(guò)程可以看出，燃油導(dǎo)管適墜性條款的演變和起落架系統(tǒng)的25.721條款關(guān)系異常緊密。三個(gè)條款的歷史演變過(guò)程如圖1所示。

圖1 條款演變歷程

1.3 25.993(f)條款要求分析

通過(guò)對(duì)立法背景的分析可以明確，25.993(f)條款關(guān)注的是機(jī)身燃油導(dǎo)管的適墜性，要求機(jī)身燃油導(dǎo)管本身具有合理程度的柔性和變形能力，來(lái)防止在飛機(jī)墜撞過(guò)程中發(fā)生燃油泄漏而引發(fā)火災(zāi)。在飛機(jī)墜撞情況下，位于機(jī)身內(nèi)的燃油導(dǎo)管可能承受的變形和拉伸主要包括：如鹽湖城事件中起落架超載后對(duì)導(dǎo)管的沖擊作用，導(dǎo)管附近結(jié)構(gòu)變形對(duì)導(dǎo)管的剪切作用，機(jī)身結(jié)構(gòu)大變形對(duì)導(dǎo)管的拉伸作用等。

識(shí)別條款要求的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：

1)機(jī)身內(nèi)的定義

根據(jù)FAA的15號(hào)修正案和AMC 25.963(d)[8]，“機(jī)身內(nèi)”的定義不僅僅包括客艙、貨艙等增壓區(qū)，也包括所有那些無(wú)法與載人艙通過(guò)耐火屏蔽層進(jìn)行物理隔絕的區(qū)域。因?yàn)閺倪m墜性防范火災(zāi)的角度，所有這些區(qū)域內(nèi)管路發(fā)生破裂漏油都會(huì)直接威脅乘員生命。

2)燃油導(dǎo)管的定義

業(yè)界實(shí)踐中，機(jī)身燃油導(dǎo)管通常采用雙層套管設(shè)計(jì)。其內(nèi)管為實(shí)際輸運(yùn)燃油的供油管，如內(nèi)管發(fā)生破裂漏油，泄漏液體會(huì)包容在外套管中，并通過(guò)一定的排液措施排放至機(jī)體外。在15號(hào)修正案中，也明確了外套管是防護(hù)漏油影響的設(shè)備，而不是防止漏油的設(shè)備。套管的設(shè)計(jì)要求應(yīng)按照25.863可燃液體防火來(lái)確定，而不屬于本款的適用范圍。

3)合理程度的定義

條款及其相關(guān)解釋材料沒(méi)有給出“合理程度”的定量指標(biāo)。

條款中“合理程度”的要求可解讀為在一種可生存墜撞工況下燃油導(dǎo)管應(yīng)滿足的變形能力。這種墜撞過(guò)程中大部分乘員沒(méi)有因?yàn)閴嬜矝_擊力死亡。AC25-8《輔助燃油系統(tǒng)的安裝》指出可生存墜撞工況應(yīng)比輕微墜撞工況更嚴(yán)酷：早期25.561條款中曾規(guī)定飛機(jī)應(yīng)急著陸工況的垂直下降速率為5 ft/s[9]，但是對(duì)實(shí)際飛機(jī)事故研究發(fā)現(xiàn)，大量事故中飛機(jī)垂直下降速率超過(guò)5 ft/s，但仍有乘員幸存。

20世紀(jì)80年代，洛克希德公司和FAA聯(lián)合完成的一項(xiàng)對(duì)大型民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)適墜性的研發(fā)研究表明：在基于沒(méi)有地面障礙物/突出物的墜撞假設(shè)下，垂直下沉速率22ft/s，0°俯仰角的墜撞很有可能引起機(jī)身外殼破裂，可視為超出適墜性范圍[10]。盡管如此，也有研究方對(duì)上述參數(shù)建議提出異議：對(duì)民航運(yùn)營(yíng)事故的分析顯示生還率和垂直下沉速率并沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。在真實(shí)的墜撞事故中，下降率僅是影響生還率眾多復(fù)雜因素之一。

因此，目前業(yè)界對(duì)于可生存墜撞仍沒(méi)有明確的指標(biāo)定義，具體每個(gè)機(jī)型適用的可生存墜撞條件仍需個(gè)案定義。

對(duì)“合理程度”的另一個(gè)解讀思路是借鑒25.1703條款立法過(guò)程中的要求。25.1703要求“從機(jī)身主電源電纜(包括發(fā)電機(jī)電纜)的設(shè)計(jì)和安裝必須允許合理程度的變形和拉伸而不會(huì)失效。”FAA在立法過(guò)程中給出解釋：制定該條款的原因與25.993(f)款相同。即燃油管路或電源電纜未徹底斷開的情況下，存在機(jī)身結(jié)構(gòu)可能發(fā)生部分分離或破壞的情況。允許一定量的拉伸將有助于將機(jī)身內(nèi)燃油引起的火警概率降至最低，25.1703條款建議將“合理程度的變形拉伸”定義為電纜長(zhǎng)度的10%左右。因此，對(duì)于機(jī)身燃油導(dǎo)管變形能力的要求也可參考25.1703條款。

1.4 25.994條款要求分析

現(xiàn)行的25.994條款明確地給出了需考慮的工況為25.721(b)條款中定義的輕微墜撞工況。這種工況下飛機(jī)操作可控，機(jī)輪全部收起，在有鋪面的跑道上著陸，垂直下降率控制在5 ft/s之內(nèi)。在這種情況下，要求對(duì)位于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙或機(jī)身內(nèi)的燃油系統(tǒng)部件(包括管路在內(nèi))進(jìn)行保護(hù)，以免噴濺足量的燃油從而構(gòu)發(fā)起火的危險(xiǎn)。

從立法目的上來(lái)說(shuō)，25.994條款更側(cè)重于機(jī)身結(jié)構(gòu)的燃油系統(tǒng)部件和管路的保護(hù)。即燃油系統(tǒng)部件和管理應(yīng)避免布置在飛機(jī)墜撞損毀區(qū)，而應(yīng)該布置與機(jī)身主結(jié)構(gòu)附近以受到足夠保護(hù)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)成盡可能減少可能的燃油泄漏量，并對(duì)泄漏燃油和點(diǎn)火源/潛在點(diǎn)火源進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，降低起火風(fēng)險(xiǎn)[11]。

2 機(jī)身燃油導(dǎo)管適墜性設(shè)計(jì)指南

在初期應(yīng)充分考慮飛機(jī)機(jī)身燃油管路的適墜性設(shè)計(jì)，包括全機(jī)布局、管路安裝布置、管路材料選用等。

2.1 全機(jī)設(shè)計(jì)保證的考慮

1)管路布置區(qū)域

從飛機(jī)全機(jī)角度，在應(yīng)急著陸狀態(tài)下，位于飛機(jī)機(jī)腹的龍骨梁結(jié)構(gòu)可吸收著陸沖擊力，并減少飛機(jī)刮蹭過(guò)程對(duì)包括燃油系統(tǒng)在內(nèi)的飛機(jī)各系統(tǒng)的破壞。因此，機(jī)身腹部區(qū)域的結(jié)構(gòu)可能因巨大沖擊能量而變形破壞，通常認(rèn)為位于機(jī)腹最底部為高風(fēng)險(xiǎn)的墜撞損毀區(qū)，其典型的變形形式如圖2所示[10]。在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)初期，應(yīng)對(duì)墜撞損毀區(qū)進(jìn)行定義，燃油管路的布置應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離這些區(qū)域，以避免結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致管路嚴(yán)重受損甚至破裂。

圖2 墜撞條件下典型機(jī)身段下部變形

2)起落架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

起落架系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有應(yīng)急斷離銷設(shè)計(jì)，在飛機(jī)大速度著陸起落架超載的情況下，確保起落架結(jié)構(gòu)和機(jī)身脫離，避免沖擊燃油管路。

3)燃油切斷措施

應(yīng)在燃油管路出油箱口附近設(shè)置切斷閥以按需切斷燃油供應(yīng)，避免燃油管路破裂后持續(xù)不斷燃油泄漏的危險(xiǎn)。對(duì)于機(jī)身內(nèi)存在發(fā)動(dòng)機(jī)供油管的情況，應(yīng)在相關(guān)手冊(cè)中要求飛行員在應(yīng)急著陸后及時(shí)切斷燃油供應(yīng)。對(duì)于APU供油管路和轉(zhuǎn)輸油管路，則應(yīng)盡可能避免在著陸階段使用這些管路，以使切斷閥始終保持在關(guān)位。

2.2 管路安裝布置的考慮

1)管路布置的保護(hù)

燃油管路應(yīng)盡可能布置在飛機(jī)主結(jié)構(gòu)附近，如貨艙三角區(qū)等，以避免受結(jié)構(gòu)大變形的影響。行業(yè)實(shí)踐中，燃油管路也通常布置于客艙地板夾層，但應(yīng)特別注意在管路穿過(guò)地板梁減輕孔時(shí)需提供足夠的間隙防止應(yīng)急著陸中地板變形對(duì)管路造成破壞。

2)管路布置余度

燃油管路應(yīng)避免完全布置成直線狀，應(yīng)適當(dāng)增加彎管設(shè)計(jì)。彎管可為管路提供相當(dāng)程度的延展變形能力。尤其在一些潛在的機(jī)身斷裂點(diǎn)或預(yù)計(jì)發(fā)生大變形區(qū)域的附近，應(yīng)布置彎管或采用其它柔性設(shè)計(jì)，并配合弱連接支架等允許管路發(fā)生局部大變形[12]。

3)管路接頭

管路接頭在管路拉伸變形時(shí)是薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)盡可能少使用接頭以提高管路整體變形能力。尤其應(yīng)避免使用帶90°彎的連接接頭，其承受變形能力最弱，如圖3所示。對(duì)于金屬管，應(yīng)采用柔性接頭，以允許兩側(cè)管路有一定程度的軸向或角度變形。

圖3 90°彎連接接頭

4)管路安裝的其它通用標(biāo)準(zhǔn)

管路的安裝還應(yīng)依照通用的燃油系統(tǒng)管路安裝標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。所有的管路應(yīng)具有支撐；管路應(yīng)與附近操縱鋼索、機(jī)身結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線具有足夠間隙，避免相互摩擦；避免將燃油管路布置在高溫?zé)嵩椿螂娎|附近，確實(shí)無(wú)法避開電纜時(shí)，也應(yīng)合理布置使可能泄漏的燃油不會(huì)滴落在導(dǎo)線上。

2.3 管路材料選用的考慮

管路建議使用具有鋼絲編織加強(qiáng)層的軟管或者具有一定厚度的不銹鋼管。具有鋼絲編織加強(qiáng)層的軟管具有較強(qiáng)的抗沖擊能力和拉伸性能。若采用不銹鋼管，則燃油導(dǎo)管的布置設(shè)計(jì)以及連接件的選用應(yīng)考慮隨結(jié)構(gòu)變形可適當(dāng)伸長(zhǎng)移動(dòng)，從而防止在強(qiáng)烈拉伸或剪切載荷下發(fā)生失效。不建議使用鋁合金導(dǎo)管，相對(duì)于不銹鋼管和軟管，鋁合金管路更易被拉伸破壞，抗沖擊能力也較弱。

3 符合性驗(yàn)證方法

3.1 設(shè)計(jì)說(shuō)明

從布置、安裝、連接等角度對(duì)機(jī)身燃油導(dǎo)管的適墜性設(shè)計(jì)特征進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。進(jìn)一步，可從機(jī)身結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用、燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)及防火設(shè)計(jì)三個(gè)方面出發(fā)，分別按防止燃油泄漏、控制泄漏量、隔離泄漏燃油這三步來(lái)說(shuō)明符合性。

3.2 計(jì)算分析

對(duì)應(yīng)合理程度的兩種解讀模式，計(jì)算分析也存在兩種思路。

1)強(qiáng)度分析法

首先定義可生存墜撞工況，再進(jìn)行可生存墜撞情況下機(jī)身結(jié)構(gòu)變形強(qiáng)度分析得到結(jié)構(gòu)變形情況。對(duì)于金屬燃油導(dǎo)管構(gòu)型，可通過(guò)燃油導(dǎo)管強(qiáng)度應(yīng)力分析以驗(yàn)證燃油導(dǎo)管不會(huì)破裂漏油。

2)工程分析法

通過(guò)工程分析，表明管路全局布置時(shí)已經(jīng)考慮并具有一定程度的布置余量。

3.3 沖擊試驗(yàn)

通常用于軟管的符合性驗(yàn)證。通過(guò)地面沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證在起落架超載沖擊或其它各種墜撞條件下軟管具有足夠變形能力并保持完整。

試驗(yàn)可分兩步。首先開展軟管段試驗(yàn)，選用一典型長(zhǎng)度的軟管開展系列拉伸和沖擊試驗(yàn)，以得到軟管的變形性能。然后，基于軟管段試驗(yàn)結(jié)果和飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性強(qiáng)度分析結(jié)果，開展局部或全長(zhǎng)軟管管路的沖擊試驗(yàn)，應(yīng)輔以一定的計(jì)算分析表明該試驗(yàn)段和試驗(yàn)條件的選擇可覆蓋最嚴(yán)酷工況。

試驗(yàn)驗(yàn)證可采用地面沖擊試驗(yàn)的形式，具體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可按照飛機(jī)具體情況制定。試驗(yàn)中軟管應(yīng)采用機(jī)上典型的安裝形式進(jìn)行固定，必須對(duì)軟管進(jìn)行增壓以模擬真實(shí)的飛機(jī)使用情況。試驗(yàn)中燃油管路應(yīng)滿足預(yù)設(shè)變形條件且不發(fā)生燃油泄漏。

3.4 相似性分析和服役經(jīng)驗(yàn)分析

與前續(xù)機(jī)型的相似性設(shè)計(jì)說(shuō)明，前續(xù)機(jī)型的服役經(jīng)驗(yàn)也可作為表明符合性的重要證據(jù)。

4 結(jié)論

飛機(jī)適墜性設(shè)計(jì)的目的是提高飛機(jī)在墜撞條件下乘員的生還率。機(jī)身燃油導(dǎo)管的適墜性設(shè)計(jì)是全機(jī)適墜性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

本文討論并分析了相關(guān)適航條款的要求，目前，適航要求中明確了燃油導(dǎo)管適墜性設(shè)計(jì)的最低要求：導(dǎo)管設(shè)計(jì)需要考慮飛機(jī)輕微墜撞條件。同時(shí)，基于飛機(jī)的具體特征，申請(qǐng)人也需要和審查方共同確定更嚴(yán)酷的可生存墜撞條件，并表明導(dǎo)管的適墜性。

本文同時(shí)總結(jié)形成了機(jī)身燃油管路設(shè)計(jì)指南和適航驗(yàn)證方法，供民用運(yùn)輸類飛機(jī)燃油系統(tǒng)研制參考使用。

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Research on the Crashworthiness Airworthiness Requirement and Compliance Method for Civil Airplane Fuselage Fuel Line

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

The crashworthiness design of fuselage fuel line system for civil transport airplane is critical to enhance the airplane safety and increase passenger survivability during crash condition. By analyzing the legislation history for related regulations and industry practice, this paper summarizes the airworthiness requirement, and forms the crashworthiness design guideline and compliance method for fuselage fuel line.

civil aircraft; fuel system; fuel line; crashworthiness

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.014

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