侯亞東 李麗 李牛棟

摘 要：實時準確的滅火劑濃度測試數(shù)據直接影響到飛機防火系統(tǒng)的評估。針對滅火劑濃度機載測試系統(tǒng)測試過程中各采樣管通道測試數(shù)據之間存在時間延遲的問題，本文從測試原理出發(fā)，識別影響各采樣管通道時間延遲的關鍵因素，開展各影響因素的時間同步性試驗；得到了采樣管長度、采樣管材質、采樣管彎曲度等因素對各采樣管通道測試數(shù)據時間同步性的影響規(guī)律。試驗結果表明，采樣管長度、采樣管材質、采樣管彎曲度等因素均會對測試系統(tǒng)的時間同步性產生較大影響，飛行試驗數(shù)據處理過程中不能忽略。在此基礎上開展了互換性試驗和模擬裝機條件下的時間同步性試驗，并提出了飛行試驗數(shù)據處理方法，為后續(xù)滅火劑濃度測試試驗和機載滅火劑濃度測試設備小型化研發(fā)提供技術支撐。

關鍵詞：時間同步性試驗； 采樣管長度； 采樣管材質； 采樣管彎曲度； 飛行試驗數(shù)據處理方法

中圖分類號：V244.1 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.07.006

在飛機設計中首要考慮的是飛行安全性，其中火災是威脅飛行安全的重要因素[1-2]。美國聯(lián)邦航空局（FAA）根據研究結果在咨詢通告AC 120-80A[3]中做出說明：不受控制的火災可以在20min內摧毀一架飛機，充滿煙霧的機艙會在6～10min內被大火吞噬。性能可靠的發(fā)動機艙滅火系統(tǒng)對于飛機安全至關重要。目前，我國軍用和民用飛機的動力艙（包括發(fā)動機艙和輔助動力裝置（APU）艙）使用的都是Halon 1301滅火系統(tǒng)，其滅火劑的填充量、噴嘴配置、保護區(qū)內的障礙物等因素都會影響到滅火劑噴射后在艙內的空間分布，只有當滅火劑濃度達到一定值后才能保證及時撲滅火災[4-9]。因此，滅火劑在艙內空間的濃度分布成為評估滅火有效性及滅火系統(tǒng)設計合理性的重要指標。根據FAA發(fā)布的咨詢通告AC 20-100[10]以及美國軍方規(guī)范MIL-E-22285[11]，飛機發(fā)動機艙Halon 1301滅火系統(tǒng)在滅火劑噴射后，保護區(qū)域內Halon 1301的體積濃度應達到6%并至少維持500ms。

由于艙內滅火劑濃度分布合格判據為“12個測點同時到達6%的時間不低于500ms”，時間精度要求較高，但12個采樣管測點分布在艙內的不同位置，再經約30m長采樣管引入滅火劑濃度測試設備，同時測試設備本身12路通道內部結構并非完全相同，導致滅火劑濃度測試設備測得的12個通道濃度數(shù)據之間存在時間延遲，會嚴重影響后續(xù)時間數(shù)據的判讀，無法給出真實可信的艙內滅火劑濃度時間歷程數(shù)據，無法準確評估艙內滅火劑濃度是否滿足設計要求。

目前，國內外已經對滅火劑濃度測試技術開展了大量研究，美國KAD公司生產的Halonyer-Ⅱ型和GA型氣體分析儀早已研發(fā)成功并被FAA認可，法國Lhotellie公司研發(fā)的滅火劑濃度測試設備已被歐洲航空安全局（EASA）認可。由于國外供應商的技術封鎖，從公開的文獻資料中無法找到國外滅火劑濃度測試設備的時間同步性能。國內諸如試飛院、中科大、602研究所等單位也根據不同測試原理研發(fā)出滅火劑濃度測試設備，但均由于測試精度、時間同步性能、機載測試環(huán)境等尚未獲得局方認可，無法直接在民用飛機上應用。

本文針對滅火劑濃度測試試驗過程中各通道濃度數(shù)據存在時間延遲的問題，利用試飛院自主研制的國產滅火劑濃度測試設備，開展時間同步性試驗，探索滅火劑濃度數(shù)據處理方法，為獲得真實可信的滅火劑濃度測試數(shù)據提供支撐。

1 滅火劑濃度機載測試系統(tǒng)

1.1 基本原理

滅火劑濃度測試設備是基于FAA發(fā)布的咨詢通告《測量動力裝置艙內滅火劑濃度通用指南》推薦的測量原理，采用測量微壓差方法，間接測量氣體的體積濃度。

滅火劑濃度測試過程為：氣體取樣真空泵通過采樣管將動力裝置艙內被測Halon 1301氣體抽出來，通過溫度控制器使流過節(jié)流裝置的氣流溫度穩(wěn)定在設定溫度；通過限流裝置實現(xiàn)氣體恒流流動，將氣體流經層流裝置產生的壓降以電壓信號輸出，經過數(shù)據處理得到滅火劑濃度值。

1.2 測試系統(tǒng)組成

滅火劑濃度測試系統(tǒng)由氣體處理測量單元、溫度控制器、電源轉換器、數(shù)據處理計算機、氣體取樣真空泵5部分組成，各系統(tǒng)交聯(lián)如圖1所示。測試過程中，被測氣體從氣體處理測量單元的1～12號通道進入其內部，經氣體處理測量單元測量后從其內部匯合點處流出，再經氣體取樣真空泵排出至外界；滅火劑濃度測試結果由氣體處理測量單元傳輸至數(shù)據處理計算機。

滅火劑濃度測試系統(tǒng)各組成部分功能如下：

（1）氣體處理測量單元

通過對被測氣體加溫、流量控制等，測量層流裝置的壓差，轉化成電壓信號輸出。

（2）真空泵

給被測氣體提供動力，使被測氣體從濃度檢測點快速到達、流過氣體處理測量單元。

（3）溫度控制器

控制被測量氣體的溫度在恒定的設計值。

（4）數(shù)據處理計算機

對氣體處理測量單元各測量通道傳輸來的電壓信號進行處理，并轉化成與之對應的氣體濃度信號，同時完成氣體濃度信號顯示、存儲、回放等。

（5）電源轉換器

將三相115V/400Hz交流電源轉換成滅火劑濃度測試系統(tǒng)各組件所需的電源。

2 時間同步性試驗

2.1 試驗方法

圖2所示為時間同步性試驗過程示意圖。時間同步性試驗的試驗方法如下：試驗前，將經中國計量院標定過的哈龍1301氣體、氧氣、氮氣的混合標氣瓶通過減壓閥、一根長度約為1m的軟管連接至分流器的進口；分流器12路出口通過外徑為6mm、內徑為4mm的銅采樣管連接至氣體處理測量單位的12路通道接口；試驗時，首先打開標氣瓶閥門，迅速調節(jié)減壓閥，使得分流器處壓力略高于外界大氣壓，標氣瓶中的氣體經過減壓閥流入分流器（見圖3）中，分流器將標氣均分為12路氣體分別進入氣體處理測量單元對應的12路通道，每個通道氣流在氣體處理測量單元內部均進過壓力傳感器、溫度傳感器、氣流溫度控制器、溫度傳感器、層流節(jié)流裝置、恒流控制器、壓力傳感器等部件，后匯聚于一處，經真空泵排出。

需要注意的是，分流器上設置有壓力傳感器和排氣孔，壓力傳感器通過數(shù)字電表將壓力值轉化為更為精確的電壓值，以此來精準控制分流器處壓力，而排氣孔則是為了在實際操作氣瓶閥門時保持分流器處的壓力與外界大氣壓有一個恒定的正值。

2.2 關鍵影響因素分析

滅火劑濃度測試設備是利用氣體流經層流裝置產生的壓降轉化為電壓信號的形式，進而經數(shù)據處理得到真實的滅火劑濃度值。因此，每路測得的壓降直接影響該路測得的滅火劑濃度值。

根據流體力學原理，管路沿程壓降是沿程阻力損失與局部阻力損失之和。沿程阻力損失與管路長度、定性管徑、沿程摩擦阻力系數(shù)、定性流速和介質密度有關，由式（4）計算所得，其與沿程摩擦阻力系數(shù)、流動速度平方成正比；每個通道的管路長度、直徑、沿程摩擦流阻系數(shù)均會影響沿程阻力損失。局部阻力損失與局部阻力系數(shù)、定性管徑、定性流速和介質密度有關，由式（5）計算所得，其與局部阻力系數(shù)、流動速度平方成正比；每個通道局部管路的彎度、形狀等均會影響該通道各個位置處的局部阻力損失。從整個管路通道來看，每個通道流阻系數(shù)越大，流動速度越小，從采樣點至受感部位置處時間滯后性越大；12個通道的流阻系數(shù)差異性越小，則流動速度差異性越小，流量差異性越小，12個通道時間延遲越小

在時間同步性試驗中，12個通道從分流器到匯合點的壓降是相同的，因此，從影響沿程阻力損失和局部阻力損失的因素入手，認為分流器接口位置、采樣管長度、采樣管材質、采樣管彎曲度以及測試設備內部管路等因素是影響測試設備各通道時間同步性的關鍵因素。

2.3 數(shù)據處理

機載滅火劑濃度測試設備時間同步性概念為首次提出，國內尚無明確統(tǒng)一的標準和評價指標，由于咨詢通告AC 20-100中，艙內滅火劑濃度合格指標是6%及以上濃度的Halon 1301氣體，因此時間同步性試驗關注的重點就是12個通道到達6%濃度的最長時間與最短時間之差，記為6%-ΔT，即瞬態(tài)特性。以某次時間同步性試驗舉例說明：圖4是某次時間同步性試驗過程中各通道的滅火劑濃度時間歷程曲線數(shù)據，橫坐標代表絕對時刻，縱坐標代表各通道的滅火劑濃度。試驗前12路通道滅火劑濃度為0，試驗開始后，12路通道滅火劑濃度數(shù)值迅速上升，最終達到標氣瓶滅火劑濃度數(shù)值10%，本次試驗的時間同步性延遲記為6%-ΔT=0.395s。

3 時間同步性影響因素

根據2.2節(jié)關鍵影響因素分析，從采樣管長度、采樣管材質、采樣管彎曲度等因素進行實驗室試驗，研究其對時間同步性的影響。

3.1 采樣管長度

針對采樣管長度，分別選取了長度為2m和10m的兩種采樣管進行時間同步性試驗，具體試驗結果見表1。分別選取下面兩組試驗結果進行對比，第一組是10%標氣條件下2m和10m平直塑料采樣管（序號1～6）；第二組是10%標氣條件下2m和10m平直紫銅采樣管（序號7～14）。

試驗結果如下：第一組，2m和10m條件下6%-ΔT時間分別為0.285s、0.710s；第二組，2m和10m條件下，6%-ΔT時間分別為0.180s、0.409s。

由試驗結果可以看到，采樣管長度顯著影響各通道測試數(shù)據時間同步性；相同材質采樣管和彎曲度，采樣管長度越長，時間同步性越差，時間延遲越大。這是由于采樣管長度越長，管路沿程阻力損失越大，進而導致各個采樣管管路之間流動差異性越大，時間延遲也就越大，即采樣管的長度放大了各個采樣管之間的時間延遲。

3.2 采樣管材質

選取了塑料管和紫銅管兩種采樣管材質進行時間同步性試驗，具體試驗結果見表1。分別選取表1中兩組試驗結果進行對比，第一組：10%標氣條件下2m長的平直塑料采樣管和紫銅采樣管（序號1～3和序號7～10）；第二組：10%標氣條件下10m長的平直塑料采樣管和紫銅采樣管（序號4～6和序號11～14）。

試驗結果如下：第一組，塑料采樣管和紫銅采樣管對應的6%-ΔT分別為0.285s、0.180s；第二組，塑料采樣管和紫銅采樣管對應的6%-ΔT分別為0.710s、0.409s。

由試驗結果可以看到，采樣管材質顯著影響各通道測試數(shù)據時間同步性；相同采樣管長度、相同彎曲度下，紫銅管的時間同步性較塑料管短。這主要是由采樣管內混合氣體與采樣管內壁面之間黏性不同導致的。

3.3 采樣管彎曲度

選取了4種彎曲度的采樣管進行時間同步性試驗，其彎曲程度見表2。均采用10%標氣10m長紫銅采樣管進行試驗，每種彎曲程序均進行了多次試驗，對6%-ΔT取平均值，具體試驗結果見表3，具體如下：A形紫銅管的6%-ΔT平均值為0.409s；B形紫銅管的6%-ΔT為0.465s；C形紫銅管的6%-ΔT平均值為0.471s；D形紫銅管的6%-ΔT平均值為0.475s。

試驗結果表明，采樣管彎曲度顯著影響各通道測試數(shù)據時間同步性；平直態(tài)紫銅管的時間同步性較彎曲狀紫銅管短；彎曲度越復雜，得到的時間同步性越差，時間延遲越大。這是由于采樣管彎曲度越復雜，局部阻力損失越大，進而導致各個采樣管管路之間流動差異性越大，時間延遲也就越大，即采樣管的彎曲度放大了各個采樣管之間的時間延遲。

3.4 測試設備內部管路和分流器接口位置

從上述時間同步性試驗中可以看到，即使采樣管長度為2m情況下仍然存在時間同步性延遲；這主要由氣體處理測量單位內部12路通道管路不完全一致導致，屬于測試設備自身固有屬性，無法消除且不可忽略。

同時，時間同步性試驗中需要使用分流器裝置，該裝置主要作用是將1路標準氣體均勻分流成12路連接采樣管，進而進入測試設備?；诜至髌髟O計、制造等原因，分流器內部氣流分布不均勻，無法保證分流器12路出口處壓力完全一致，且分流盤設計有排氣管路，上述原因均導致下游各采樣管測得的試驗數(shù)據有明顯延遲，無法消除且不可忽略。

上述對關鍵影響因素進行了大量時間同步性試驗，得出以下結論：

（1）采樣管長度、材質、彎曲度均會對時間同步性產生較大影響，無法消除且不可忽略，進行飛行試驗數(shù)據處理時必須考慮其影響。

（2）測試設備內部管路不一致導致的時間同步性延遲屬于設備自身固有屬性，無法消除且不可忽略，進行飛行試驗數(shù)據處理時必須考慮其影響。

（3）由于飛行試驗過程中不使用分流器裝置，因此，針對分流器接口位置不同導致的時間延遲在后續(xù)進行飛行試驗數(shù)據處理時必須消除其影響。

3.5 解決措施

針對上述時間同步性得到的結論，提出以下方法予以解決：（1）針對采樣管長度、采樣管材質、采樣管彎曲度以及測試設備內部管路不同導致的時間同步性，采用模擬裝機條件下的時間同步性試驗解決，即在地面實驗室中按照實際裝機條件，采用相同的采樣管長度、采樣管材質、采樣管彎曲形式以及測試設備進行時間同步試驗，得到每個通道的時間同步性延遲數(shù)據庫；（2）針對分流器接口位置導致的時間同步性延遲，采用互換性試驗的方法予以消除。

4 試驗數(shù)據處理方法

4.1 互換性試驗

采用長0.2m（盡可能短）的平直紫銅管進行時間同步性試驗，得到最快的分流器接口，然后分別將其余接口與最快的分流器接口進行互換，共開展12次互換性試驗。

針對某一分流器接口位置（以分流器接口位置1為例），互換前后時間延遲差值計算過程如下：互換前（初始狀態(tài)），采樣管1的時間同步性延遲為0.085s；互換后編號為1的采樣管對應的分流器接口位置為1的時間同步性延遲為1.195s。差值即為由分流器接口位置1引起的時間同步性延遲，即1.11s。試驗后，得到的分流器接口位置時間同步性數(shù)據見表4。

4.2 模擬裝機條件下的時間同步性試驗

模擬裝機條件下的時間同步性試驗，即按照真實飛行試驗時所采用的采樣管材質、采樣管長度、采樣管彎曲走向在地面實驗室進行時間同步性試驗。這里以發(fā)動機艙采樣管滅火劑濃度測試設備時間同步性試驗為例進行說明。

試驗用采樣管與機上試驗采樣管材質、長度和內外徑均相同，均為外徑6.35mm、壁厚0.762mm的英制紫銅管，彎曲度與飛行試驗中等效。發(fā)動機艙采樣管包括艙內部分和艙外部分，艙外部分指的是從吊掛經機翼至滅火劑濃度測試設備接口部分，艙內部分指的是12個測點至吊艙/發(fā)動機分離面部分；對于12根采樣管，艙外部分采樣管走向均一致，艙內部分由于測點位置不同均不相同，艙外艙內采樣管彎曲走向等效方案示例見表5、表6，為保證等效結果的可信度，將等效時的管路彎折方式與實際飛行試驗裝機數(shù)模保持一致，表中直管段只填寫長度項，彎管段只填寫彎曲半徑和彎曲角度項。表5為飛行試驗與實驗室試驗用發(fā)動機艙艙外采樣管等效方案，12根采樣管走向均一致，故只需保持統(tǒng)一即可，其中管路共分為45段，兩者等效彎折方式基本保持一致，表5所示只給出部分分段數(shù)據，其余分段同理；表6為飛行試驗與實驗室試驗用發(fā)動機艙艙內部分采樣管等效方案（以11號采樣管為例，管路共分為11段，同理此表也只給出部分分段數(shù)據）。

按照事先設計的等效方案，將等長的采樣管按照表5、表6的要求進行彎曲，采樣管一端接分流器，另一端接滅火劑濃度測試設備12個通道接口，采用10%標準氣體進行時間同步性試驗，得到了模擬裝機條件下的時間同步性延遲。該時間同步性延遲數(shù)據包括了由分流器接口位置不同、采樣管彎曲差異不同、測試設備內部管路不同導致的延遲總和，因此，為了使得到的各通道采樣管時間延遲數(shù)據能夠修正飛行試驗數(shù)據，需將由分流器接口位置不同導致的時間延遲去除，得到發(fā)動機艙采樣管時間同步性試驗數(shù)據庫。詳細試驗結果和修正后的試驗數(shù)據見表7。

4.3 飛行試驗數(shù)據處理

將滅火劑濃度機載測試系統(tǒng)安裝至飛機客艙中，按照設計好的發(fā)動機艙內測點及采樣管長度、走向進行機上改裝，開展飛行試驗，得到發(fā)動機艙滅火劑濃度測試原始試驗數(shù)據。利用表7中的各采樣管通道時間同步性延遲數(shù)據對各通道數(shù)據進行修正，即各通道試驗數(shù)據按照修正后發(fā)動機艙采樣管時間同步性試驗數(shù)據庫，進行時間軸修正，得到真實的滅火劑濃度時間歷程曲線。

5 結論

本文從影響滅火劑濃度測試結果時間同步性的原理出發(fā)，識別其關鍵影響因素，并對每個關鍵影響因素進行時間同步性試驗；得到了各因素影響規(guī)律，提出了一套解決措施；針對飛行試驗數(shù)據，提出一套切實可行的數(shù)據處理方法；解決了滅火劑濃度測試試驗過程中各通道濃度數(shù)據存在時間延遲的問題，為后續(xù)滅火劑濃度測試設備能夠在民用飛機上應用提供技術支撐。

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Experimental Study on Time Synchronization of Airborne Test System for Extinguishing Agent Concentration

Hou Yadong， Li Li， Li Niudong

Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China

Abstract： Real time and accurate testing data of fire extinguishing agent concentration directly affects the evaluation of aircraft fire protection systems. In view of the problem of time delay between the test data of each sample tube channel in the testing process of the current domestic testing system， the key factors affecting the time delay of each sample tube channel were identified from the testing principle， and the time synchronization test of each influencing factor was carried out. The influence on the length of sampling tube， the material of sampling tube， the bending degree of sampling tube and other factors on the time synchronization of each sampling tube channel test data were obtained. The experimental results show that factors such as the length， material， and bending degree of the sampling tube all have a significant impact on the time synchronization of the testing system， and cannot be ignored in the process of flight test data processing. On this basis， the interchangeability test and time synchronization test under simulated installation conditions were carried out， and the processing method of flight test data was proposed， which provided technical support for subsequent fire extinguishing agent concentration test and miniaturization research and development of airborne fire extinguishing agent concentration test equipment.

Key Words： time synchronization test； sampling tube length； sampling tube material； sampling tube curvature； flight test data processing methods