姜 亮，劉春陽(yáng)，姚永杰，熊 秀

（1.中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；2.中國(guó)民用航空上海航空器適航審定中心，上海 200335； 3.西安愛(ài)邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

0 引言

飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)是飛機(jī)燃油箱防爆安全設(shè)計(jì)驗(yàn)證的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，也是適航審查的重點(diǎn)。該試驗(yàn)可以表明飛機(jī)遭遇閃電時(shí)會(huì)否在燃油箱內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)火源，進(jìn)而引發(fā)燃油蒸氣點(diǎn)燃爆炸[1-2]。由于真實(shí)的燃油蒸氣成分復(fù)雜且難以制備[3-4]，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)一般都建議采用混合的可燃?xì)怏w來(lái)模擬替代真實(shí)的燃油蒸氣，并要求混合的可燃?xì)怏w可被200 μJ 能量的電火花點(diǎn)燃[5-12]。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)中大多采用氫氣（H2）、氧氣（O2）和氬氣（Ar）混合制成可燃?xì)怏w的方法。文獻(xiàn)[13]通過(guò)試驗(yàn)研究提出了采用點(diǎn)燃能量更小的敏感氣體氫氣作為點(diǎn)火源的探測(cè)氣體，以提高點(diǎn)燃概率。文獻(xiàn)[3，14-15]對(duì)點(diǎn)燃可燃?xì)怏w的標(biāo)準(zhǔn)電火花源進(jìn)行了研究，給出了電極間隙等關(guān)鍵影響因素，并提出了用于計(jì)算理論能量的方法。文獻(xiàn)[16]對(duì)氫氣點(diǎn)燃的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行記錄，并對(duì)點(diǎn)燃后的壓力進(jìn)行了測(cè)量。文獻(xiàn)[17-18]結(jié)合試驗(yàn)研究，給出了采用混合可燃?xì)怏w檢測(cè)點(diǎn)火源的具體應(yīng)用。

由于氫氣的點(diǎn)燃能量小，點(diǎn)燃后釋放的壓力小、溫度低，且易于同其他氣體混合，最新版試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A、DO-160G等均推薦優(yōu)先采用氫氣、氧氣和氬氣這3 種氣體混合制成可燃?xì)怏w的方法，并要求可燃?xì)怏w配比要滿足在200 μJ 電火花能量下的點(diǎn)燃概率不小于90%。

上述標(biāo)準(zhǔn)中推薦的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)范圍為5%～7%，化學(xué)當(dāng)量為1.2[6，10]。但試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用普通精度的浮子流量計(jì)、試驗(yàn)腔體內(nèi)氣體置換不均勻、氣體密封泄露等因素，都會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w中氫氣配比體積分?jǐn)?shù)的輕微變化，引起混合氣體點(diǎn)燃所需的最小點(diǎn)燃能量出現(xiàn)較大的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)欠考核或過(guò)嚴(yán)考核，從而影響試驗(yàn)驗(yàn)證的有效性；此外，氫氣體積分?jǐn)?shù)的大小影響可燃?xì)怏w燃爆沖擊能量的大小，對(duì)試驗(yàn)人員及試驗(yàn)件的安全有一定的影響[19]。

為此，本文針對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)中采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃?xì)怏w配比開(kāi)展研究，對(duì)可燃?xì)怏w不同配比下的最小點(diǎn)燃能量以及相關(guān)的點(diǎn)燃影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)驗(yàn)證及防護(hù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。

1 研究?jī)?nèi)容

本文對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃?xì)怏w配比開(kāi)展的研究，主要包括兩方面。1） 研究不同可燃?xì)怏w配比體積分?jǐn)?shù)下，氣體點(diǎn)燃所需的最小電火花點(diǎn)燃能量。其中，氫氣的體積分?jǐn)?shù)分別選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%。初始?xì)錃怏w積分?jǐn)?shù)為3.5%，化學(xué)當(dāng)量為1.2。調(diào)制好可燃?xì)怏w配比體積分?jǐn)?shù)，通過(guò)逐步調(diào)節(jié)電火花的點(diǎn)燃能量值，直至氣體被點(diǎn)燃，以獲取不同配比體積分?jǐn)?shù)下的最小點(diǎn)燃能量。2） 研究200 μJ電火花能量下，滿足90%點(diǎn)燃概率的可燃?xì)怏w配比比例及影響因素。將電火花能量調(diào)節(jié)在200 μJ 以內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體配比體積分?jǐn)?shù)，使200 μJ 能量的電火花能點(diǎn)燃可燃?xì)怏w并且滿足90%的點(diǎn)燃概率。通過(guò)多次試驗(yàn)，記錄可燃?xì)怏w配比及相應(yīng)的點(diǎn)燃概率。氣體的點(diǎn)燃為概率事件，為此，針對(duì)不同的氣體配比體積分?jǐn)?shù)，需要分別進(jìn)行多組試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 研究方法

通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃?xì)怏w配比進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備及布置，如圖1所示。

圖1 可燃?xì)怏w點(diǎn)燃試驗(yàn)布置Fig.1 Setup for flammable gas ignition test

主要試驗(yàn)裝置及作用說(shuō)明如下。

1） 動(dòng)態(tài)氣體配比系統(tǒng)：用于產(chǎn)生試驗(yàn)所需的可燃?xì)怏w；氫氣、氧氣和氬氣氣瓶?jī)?nèi)的壓縮氣體經(jīng)減壓閥輸出至流量計(jì)，并經(jīng)過(guò)氣體混合腔均勻混合后再通過(guò)充氣管路輸送進(jìn)入試驗(yàn)腔體；氣體配比體積分?jǐn)?shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)管理的高精度質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和精確控制。

2） 標(biāo)準(zhǔn)電火花源：用于產(chǎn)生0～300 μJ能量可調(diào)節(jié)的電火花，是試驗(yàn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理如圖2所示，充電電容和放電電極并聯(lián)，可調(diào)的直流高壓電源對(duì)充電電容進(jìn)行充電，當(dāng)電容的充電電壓達(dá)到氣體擊穿電壓時(shí)，電極兩端產(chǎn)生電火花放電[20-21]。

圖2 電火花源原理圖Fig.2 Schematic diagram of spark source

圖3 試驗(yàn)使用的相機(jī)Fig.3 Camera used in the test

電火花能量的計(jì)算公式如下：

式（1）中：E為電火花能量；C為充電電容值；V為電極放電的擊穿電壓值。

根據(jù)式（1），通過(guò)對(duì)充電電容和放電電壓的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花能量的控制。其中：充電電容的大小可通過(guò)可調(diào)電容的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)；放電電壓主要受放電電極的距離、形狀，以及氣體環(huán)境的影響。電極間隙距離越大，所需的擊穿電壓值越大，試驗(yàn)中，電極的間隙控制在1.6 mm左右。

3） 試驗(yàn)腔體：用于試驗(yàn)中可燃?xì)怏w的存儲(chǔ)。該腔體選用透明有機(jī)玻璃材料，以便從外部觀察腔體內(nèi)電極的放電現(xiàn)象；腔體上表面及兩側(cè)表面設(shè)有3 個(gè)泄壓口，試驗(yàn)中當(dāng)腔體內(nèi)可燃?xì)怏w燃爆時(shí)，泄壓口薄板將被吹起打開(kāi)，以泄放氣體燃爆產(chǎn)生的沖擊壓力[22]。

在試驗(yàn)腔體斜對(duì)角位置設(shè)有2 個(gè)管路連接口，用于充氣管路和排氣管路的連接。試驗(yàn)腔體內(nèi)的可燃?xì)怏w環(huán)境通過(guò)氣體體積置換的方式獲得。試驗(yàn)研究表明，對(duì)腔體進(jìn)行5倍體積的氣體置換，可以使腔體內(nèi)的混合氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99%以上[3]。

4） 相機(jī)：用于試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和過(guò)程記錄。由于電火花的放電能量較小，難以用肉眼準(zhǔn)確觀察。同時(shí)，考慮到可燃?xì)怏w燃爆對(duì)試驗(yàn)人員的安全影響，試驗(yàn)中，采用加裝長(zhǎng)焦鏡頭的相機(jī)對(duì)試驗(yàn)腔體內(nèi)電極之間的電火花產(chǎn)生情況進(jìn)行觀測(cè)和記錄。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在常溫常壓大氣環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)域應(yīng)保持良好的通風(fēng)，氣體配比系統(tǒng)、試驗(yàn)腔體、排氣管路出口位置應(yīng)禁止有明火及高溫源，周圍配置滅火器及氫氣體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)儀，確保氣體的使用安全。

試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)腔體內(nèi)的濕度應(yīng)盡可能小（建議一般小于60%）。氣體點(diǎn)燃后，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)腔體內(nèi)的水蒸汽進(jìn)行烘干處理，確保試驗(yàn)腔體干燥。

試驗(yàn)前，應(yīng)檢查標(biāo)準(zhǔn)電火花源的電極，確保電極表面無(wú)臟污、燒蝕。

2.3 試驗(yàn)步驟

電火花點(diǎn)燃?xì)怏w試驗(yàn)的步驟如下。

1） 根據(jù)圖1 所示的試驗(yàn)布置，連接放置好氣體配比系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)電火花源、試驗(yàn)腔體、充氣管路、排氣管路和相機(jī)等設(shè)備。

2） 采用密封膠帶對(duì)試驗(yàn)腔體的泄壓口薄板進(jìn)行密封，確保充氣時(shí)腔體內(nèi)的氣體不會(huì)發(fā)生泄漏。

3） 根據(jù)氣體配比體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算氣體配比系統(tǒng)的流速和充氣時(shí)間，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，向試驗(yàn)腔體內(nèi)充入可燃?xì)怏w。試驗(yàn)腔體的體積為44 L，充入的可燃?xì)怏w的總體積應(yīng)不小于220 L。將混合氣體的總流速設(shè)置為60 L/min，充氣時(shí)間設(shè)置為240 s，可確保腔體不小于5倍體積的換氣。

4） 充氣完成后，斷開(kāi)充氣管口連接，并對(duì)充氣管口進(jìn)行密封；同時(shí)去掉泄壓口薄板的3邊密封膠帶，僅保留1邊固定。

5） 設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電火花源，點(diǎn)燃可燃?xì)怏w。①針對(duì)不同氣體配比下的最小電火花點(diǎn)燃能量試驗(yàn)。在試驗(yàn)前，將標(biāo)準(zhǔn)電火花源的輸出電壓值調(diào)至1 個(gè)較小的值（2 kV 左右），確保放電電極不會(huì)擊穿，充電電容值調(diào)節(jié)至最小值（5 pF 左右）；打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)電火花電源，緩慢調(diào)節(jié)放電電極的電壓輸出值，同時(shí)，通過(guò)相機(jī)鏡頭觀察放電電極，直至有電火花產(chǎn)生。若有電火花產(chǎn)生但氣體未點(diǎn)燃，則表明電火花能量太小，不能點(diǎn)燃?xì)怏w。關(guān)閉電源，緩慢增加充電電容值，使電火花的能量增加，并重新打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)電火花源，直至有電火花產(chǎn)生且氣體能被點(diǎn)燃，則該能量值為電火花點(diǎn)燃的最小能量值。②針對(duì)200 μJ 電火花能量下的氣體配比驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將放電電容值設(shè)置為1 個(gè)固定值（26 pF左右），調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電火花源的電壓值，確保放電電極不會(huì)擊穿。打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)電火花電源，緩慢調(diào)節(jié)放電電極的電壓輸出值，同時(shí)，通過(guò)相機(jī)鏡頭觀察放電電極，直至有電火花產(chǎn)生，觀察試驗(yàn)腔體內(nèi)的可燃?xì)怏w是否能被點(diǎn)燃。

6） 使用相機(jī)記錄氣體點(diǎn)燃過(guò)程。

7） 測(cè)量記錄標(biāo)準(zhǔn)電火花源的充電電容值、電火花擊穿電壓值，計(jì)算電火花的能量值。

按照規(guī)定的試驗(yàn)內(nèi)容和次數(shù)完成試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

可燃?xì)怏w點(diǎn)燃試驗(yàn)結(jié)果如下：

1） 氫氣配比體積分?jǐn)?shù)分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%時(shí)（對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)組序號(hào)依次為1～7），可燃?xì)怏w最小點(diǎn)燃能量的試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1 所示。每種氣體比例下的試驗(yàn)次數(shù)為5次。

表1 不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下可燃?xì)怏w點(diǎn)燃試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Test results of flammable gas ignition test with different proportions of H2

2） 200 μJ 電火花能量下，將氫氣配比體積分?jǐn)?shù)調(diào)整為4.5%、5.0%，研究在該氣體配比下的點(diǎn)燃能量及點(diǎn)燃概率，試驗(yàn)結(jié)果如表2 和表3 所示。每種氣體比例下的試驗(yàn)次數(shù)為10次（對(duì)應(yīng)序號(hào)1～10）。

表2 4.5%氫氣體積分?jǐn)?shù)的點(diǎn)燃試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test results when H2 proportion is 4.5%

表3 5.0%氫氣體積分?jǐn)?shù)的點(diǎn)燃試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Test results when H2 proportion is 5.0%

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1） 對(duì)表1 統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：數(shù)據(jù)組1 顯示，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)，即使電火花能量大于200 μJ，也無(wú)法使混合氣體被點(diǎn)燃；數(shù)據(jù)組2 顯示，在氫氣體積分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，5 次試驗(yàn)中氣體均被點(diǎn)燃，但平均最小點(diǎn)燃能量值為218.6 μJ，大于國(guó)內(nèi)外民航管理局可接受的燃油蒸氣最小電火花點(diǎn)燃能量值200 μJ[12]；數(shù)據(jù)組7 顯示，在6.5%氫氣體積分?jǐn)?shù)的5 次試驗(yàn)中，氣體均可被點(diǎn)燃，但試驗(yàn)中觀察到氣體被點(diǎn)燃時(shí)，試驗(yàn)腔體上泄壓口薄板的打開(kāi)動(dòng)作非常劇烈，如圖4所示，試驗(yàn)腔體頂部的泄壓口薄板被掀翻180°，表明該氫氣體積分?jǐn)?shù)下的氣體燃爆壓力顯著增加；閃電試驗(yàn)如采用6.5%氫氣體積分?jǐn)?shù)的氣體將會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)燃爆沖擊壓力過(guò)大，會(huì)增加試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 氣體點(diǎn)燃后試驗(yàn)腔體照片F(xiàn)ig.4 Photo of test chamber when gas was ignited

因此，3.5%和4.0%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不能用于燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)；同時(shí)，6.5%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不推薦用于燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)。

2） 標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A 要求可燃?xì)怏w被200 μJ電火花（燃油蒸氣的最小點(diǎn)燃能量）點(diǎn)燃的概率不得小于90%。對(duì)表2 中的10 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；在4.5%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)下，10 次試驗(yàn)中出現(xiàn)了1 次氣體點(diǎn)燃能量大于200 μJ 的情況，氣體可被200 μJ 能量點(diǎn)燃的概率為90%，剛好處于標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A試驗(yàn)要求的臨界值。

因此，閃電試驗(yàn)中，如氫氣配比體積分?jǐn)?shù)按4.5%進(jìn)行配置，則仍存在200 μJ 電火花能量下點(diǎn)燃概率不能滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求（點(diǎn)燃概率不小于90%）的較大風(fēng)險(xiǎn)，故4.5%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不推薦優(yōu)先用于燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)。

3） 對(duì)表3 中的10 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在5.0%氫氣配比體積分?jǐn)?shù)下，10 次試驗(yàn)的氣體全部被點(diǎn)燃，點(diǎn)燃概率為100%。其中，最小的點(diǎn)燃能量為154 μJ，最大的點(diǎn)燃能量為184 μJ。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，10 次試驗(yàn)中電火花能量值均小于200 μJ。因此，閃電試驗(yàn)中氣體采用5.0%氫氣配比體積分?jǐn)?shù)可將200 μJ 及以上能量的全部點(diǎn)火源都檢測(cè)出來(lái)。10 次試驗(yàn)中的最小點(diǎn)燃能量為154 μJ，該點(diǎn)燃能量值距離200 μJ 能量值的差距并不大，因而不會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)被過(guò)度考核。

4） 對(duì)不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下的最小點(diǎn)燃能量值進(jìn)行繪圖統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。曲線整體趨勢(shì)顯示，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大，點(diǎn)燃?xì)怏w所需的最小點(diǎn)燃能量逐漸降低。

圖5 最小點(diǎn)燃能量值統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of minimum ignition energy

因此，氫氣配比體積分?jǐn)?shù)為5.5%和6.0%時(shí)的氣體點(diǎn)燃能量將比氫氣配比體積分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)的氣體點(diǎn)燃能量更低，也因此會(huì)導(dǎo)致閃電試驗(yàn)被嚴(yán)重的過(guò)度考核。氫氣配比體積分?jǐn)?shù)越高，試驗(yàn)過(guò)嚴(yán)考核的程度就越大。

5） 對(duì)不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下的放電電極擊穿電壓值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。數(shù)據(jù)曲線顯示，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大，放電電極的平均擊穿電壓整體呈增大趨勢(shì)。但擊穿電壓值的分散性較大，這是因?yàn)槌藲怏w特性外，擊穿電壓值還與電極間隙、電極的燒蝕、電極表面的清潔程度等相關(guān)?？諝庵械膿舸╇妷哼h(yuǎn)遠(yuǎn)大于可燃?xì)怏w中的擊穿電壓，因此，在閃電試驗(yàn)中應(yīng)盡可能保持放電電極的狀態(tài)不變，電極上的輸出電壓值應(yīng)略大于放電間隙的擊穿電壓值。若試驗(yàn)中放電電極狀態(tài)發(fā)生變化，則需要采用可燃?xì)怏w重新進(jìn)行點(diǎn)燃能量的驗(yàn)證。

圖6 放電電極擊穿電壓值Fig.6 Breakdown voltage of discharge electrode

4 結(jié)論

本文對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)中可燃?xì)怏w配比進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，并得出以下結(jié)論：1） 推薦燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)，優(yōu)先采用5.0%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)，可確保200 μJ 及以上能量的全部點(diǎn)火源被試驗(yàn)檢出，同時(shí)也避免了閃電試驗(yàn)被嚴(yán)重的過(guò)度考核；2） 隨著氫氣配比體積分?jǐn)?shù)的增大，可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃所需的點(diǎn)燃能量逐漸降低，氫氣配比體積分?jǐn)?shù)越高，燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)被過(guò)嚴(yán)考核的程度就越大，故5.5%和6.0%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不推薦被優(yōu)先采用；3） 考慮氣體燃爆沖擊影響，燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)中，不推薦采用6.5%及以上氫氣配比體積分?jǐn)?shù)的可燃?xì)怏w，如采用，必須充分評(píng)估氣體燃爆沖擊壓力對(duì)試驗(yàn)腔體及試驗(yàn)件的安全影響；4） 電火花點(diǎn)燃可燃?xì)怏w的擊穿電壓值呈現(xiàn)一定的分散性，因此，閃電試驗(yàn)操作中應(yīng)盡可能地確保放電電極的間隙、表面清潔度等狀態(tài)的穩(wěn)定。本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)及研究結(jié)論可為飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)及閃電試驗(yàn)提供指導(dǎo)和重要參考。