飞机燃油箱致燃因素与惰化方法创新机制

1、飞机燃油箱致燃因素与惰化方法创新机制【摘 要】飞机燃油箱爆炸直接威胁到航空飞行安全。安装于机身内部的中央油箱，其上部无油空间容易析出燃油蒸汽，该空间的燃油蒸汽和氧气的浓度比是否在抑爆的安全值之内是至关重要的。为了提高飞机燃油箱安全性，国际权威适航管理部门均制定了强制性的适航法规，要求降低燃油箱可燃性。分析了导致油箱燃烧的三大要素，提出了现役飞机上的油箱惰化方法，侧重于机载制氮系统的原理与纤维膜式空气分离技术。对我国掌握机载制氮核心技术，提高飞机设计的安全性水平的迫切性给与了说明。【关键词】燃油蒸汽；油箱爆炸；机载制氮系统；空气分离0 背景通常情况下，民用飞机燃油箱划分为左右机翼油箱和中央油箱。

2、左右机翼油箱在飞机飞行过程中一直与翼面流动的空气有热交换，同时在机翼末端下部配有油箱通风口，所以机翼油箱内燃油温度基本能与环境温度一致。中央油箱位于机身中段下部、主起落架舱前，油箱处于机身内，因此不能与外界环境发生热交换。此外，由于飞机滑跑起飞后主起落架收起时，液压系统对主起落架进行刹车，刹车毂产生高温，给中央油箱产生附加热源。还有其它因素，诸如发动机的热辐射，静电积累等，都容易导致油箱燃烧【1】。FAA对中央油箱的研究表明，中央油箱位于中段机身内，具有很大的潜在危险性【2】。数据统计表明中央油箱更加容易爆炸，且已经证明了在民用飞机上应用燃油箱惰化是技术可行的【5】。为满足适航安全性要求，现代

3、民航飞机在设计时，都要求加装燃油箱惰化系统，为中央翼油箱注入惰性气体。气体可按不同的流量模式充入燃油箱，对油箱上部无油空间进行洗涤或冲洗，以降低该空间燃油蒸汽中的氧气浓度，使其保持在适航要求规定的安全值之内，抑制燃油箱发生爆炸。1 致燃因素分析1.1 油箱无油空间蒸汽飞机燃油由不同种类的烃类成分组成，随着油箱温度的不同，各种烃类易次第挥发形成燃油蒸汽。燃油箱内上部无油空间的燃油蒸汽浓度由燃油箱内的蒸汽压力决定，影响蒸汽压力变化的直接因素就是燃油温度。当无油空间的油汽和空气浓度比处于一个区间值时，该混合气体容易被点燃。对于航空煤油，该区间为 【1】，在该范围内，对出现的任何足够能量的热源或火源都

4、会点燃该油汽混合物。1.2 油箱可燃性美国航空委员会的燃油可燃性实验人员进行了燃油箱可燃性分析研究，基于热值模型和蒙特卡洛分析程序，评估燃油箱可燃性。该方法给定飞行任务分布和执飞过程中不同外界环境温度下的燃油箱热特性，以此计算大部分飞机燃油箱每分钟内温度变化。把该计算值和油箱满载情况下的最低和最高温度进行比对，由此确定油箱温度处于可燃温度范围的时间区间和执飞时间的关系，进一步确定油箱的燃爆特性。分析结果表明，暴露在热源附件的中央油箱产生近乎30%的燃爆几率，而未加热的左右机翼油箱仅有5%的燃爆几率。1.3 潜在火源与热源油箱内存在多种潜在的火源或热源，这些因素极易成为引燃油箱的驱动因子。（1）

5、电弧：与燃油泵连接的电气部件，与油量传感器连接的测量线缆，由于长时间接触燃油，绝缘层遭到腐蚀，在其接线端子处容易产生电弧放电。（2）静电：与燃油泵连接的供输油管路、阀门、卡箍等附件，在供输油过程中或机动飞行时与燃油发生接触摩擦产生静电。当电荷累积到一定程度，形成静电放电极易引燃油箱。（3）热辐射：飞机中央油箱安装于中段机身下部，主起落架舱前，在飞行过程中不能与外界环境接触并产生热交换。另外，左右发动机运转会对油箱产生热辐射；飞机滑跑起飞后主起落架收起，主起落架轮毂刹车也会对油箱产生热辐射。这几部分热量对中央油箱产生的热辐射，加速了油箱内燃油蒸汽的析出速率。（4）雷击：飞机执飞的时候，有时会遇上

6、雷雨天气，飞机遭受雷击瞬间，机体会有强电流通过，这极易引燃飞机油箱，造成严重后果。2 燃油箱惰化方法常温常压下，燃油蒸汽的安全氧气浓度为12%。若考虑油箱点火源强度及温度和压力等实时变化，很多研究已验证，当油箱内氧浓度为9%或更低，任何严酷条件下，燃烧几乎不会发生。飞机燃油箱惰化条件被定义为：如果油箱每个舱室内的平均氧气浓度在海平面到3048m之间不超过12%；从3048m到12192m之间，该浓度值从12%线性外推增加到14.5%；高于12192m时，氧气浓度值小或等于其线性外推值，则该油箱被认为是惰性的【2】。飞机燃油系统的抑爆能力，直接关系到飞机生存力，也关系到飞机的利用率以及人员安全。

7、解决该问题的设计思路之一就是控制油箱无油空间内氧气浓度低于引燃值区间，此外还可以引入耐高热性质的气体或填充泡沫以增加油箱蓄热能力，使潜在火源或热源产生的能量达不到燃油闪点。本文侧重于前一种思路，采用机载液氮或机载制氮系统在飞机停留或执飞阶段给中央油箱冲入氮气，以冲洗或洗涤的方式来稀释油箱上部无油空间的氧气浓度。2.1 机载液氮系统执飞前，航务人员从地面液氮灌向飞机上的液氮存储系统充氮。飞机油箱需要惰化时，飞行员开启液氮开关，经过一系列压力和温度调节之后，生成的适温适压氮气被注入燃油箱，以达到油箱惰化的目的。 这是一种成熟的惰化方法，但囿于机载液氮设备重量较大，而且对机场后勤保障系统要求较高。文

8、献【5】中介绍了一种采用机载低温空气分馏技术制取液氮，并进行装罐存储，然后再进行后续的状态调节并应用。2.2 机载制氮系统2.2.1 机载制氮系统原理机载制氮系统的引气来自发动机或环控系统，引气经热交换器与机腹NACA进气口进入的冲压空气进行热交换之后，再进一步经过温度调节，水汽过滤，进入空气分离器，空气分离器将空气分解为氮气和氧气。氧气排出机外，氮气送往下游，经流量控制阀后充进中央油箱上部，以达到降低中央油箱无油空间氧气浓度，惰化油箱的目的【2】。机载制氮系统的重量相对较轻，惰化效率高，能长时间保证执飞期间不同飞行阶段对油箱增压和惰化的需求。基于计算机控制的机载制氮系统可以结合飞行管理计算机

9、的给定输入信号，对充入中央油箱的氮气流量控制，满足飞机在爬升、巡航、降落等不同飞行状态下油箱气压变化导致的不同流量氮气的需求量，以保证油箱内外压力平衡。机载制氮惰化系统原理见下图1所示。2.2.2 空气分离机制机载制氮系统的空气分离器根据工作原理不同分为纤维膜式空气分离和吸附床式分子筛选分离。纤维膜空气分离基于半透膜技术，纤维膜由成千上万纤维孔组成，是一种中空的高分子聚合物膜，每个纤维孔径和头发尺寸相当。气体分子在聚合物基质中会发生溶解和扩散，由于空气中各种气体分子在膜中的溶解度和扩散数的差异导致了不同气体在膜中的渗透速率不同。在纤维膜两侧压差作用下，氧气等通过纤维膜壁的速率比氮气要快，从而从

10、纤维膜壁释放出去。氮气等渗透速率慢的气体被滞留在纤维膜壁内，从而被富集，产生高纯度的氮气，纤维膜式空气分离器产生的氮气浓度通常可达99%以上。常用以提高纤维膜分离效率的因素有：（1）增加进气压力，提高单位时间内的制氮效率；（2）降低外界压力，提高氧气的析出速率和氮气的浓度；（3）适当提高进气温度，但温度超过82会影响纤维膜活性。纤维膜空气分离器内部工作机制如图2所示【6】。基于分子筛分离技术的压力转换吸附装置，工作吸收介质为硅藻土，工作原理如下图3示。在一次工作周期中，该装置在高压下首先吸附空气中的氧气，而将氮气排出，当吸附床压力减至常压时，吸附的氧气被释放，完成一次氮氧分离。重复该过程，达到

11、连续氮氧分离的目的，输出氮气纯度可达95%99%。以上两种空气分离机制相比较，纤维膜式空气分离器可提供纯度更高的氮气，这更能满足飞机从巡航状态急速下降时给中央油箱充入更多的增压惰性气体的需求；纤维膜式空气分离器体积相对也比较小，重量轻，这适用于减重设计需求；纤维膜空气分离器一般工作寿命在两万小时，相比分子筛选式分离器有更好的长期稳定性。纤维膜式空气分离器的这些优势决定了当今先进的波音和空客等大型民机都选用它作为机载惰化系统的核心部件【7】。我国在机载燃油箱抑爆和机载制氮技术方面的研究仍然需要加紧步伐，在新时期无论是军机还是民机，对于该项核心技术的掌握程度将直接决定我国飞机设计的安全性能否达到世

12、界先进水平。3 结语从飞机中央油箱防爆抑爆的必要性出发，分析了导致中央油箱燃油温度升高的潜在热源，燃油箱静电释放导致起火的因素和燃油箱自身随外界环境变化的热特性。给出了导致燃油箱燃爆的油箱上部无油空间空气和燃油蒸汽浓度比区间。基于以上分析，给出两种飞机燃油箱惰化的方法。重点介绍了机载制氮惰化系统的工作原理，分析了其核心部件两种空气分离器的工作机制。作以对比，为当前世界上的先进民机选用空气分离器的依据作了可靠的说明。【参考文献】【1】张鹏飞.飞机燃油箱氮气惰化性能研究.沈阳航空工业学院，2010.【2】Anderson， C.L.， Volume IIIOn-Board Inert Gas Generation System （OBIGGS） Studies， Part1_OBIGGS Ground Performance Tests ;Aero Propulsion Laboratory Report AFWAL-TR-85-2060， January 1986.【3】Aviation Rulemaking Advisory Committee. Fuel Tank Inerting Harmonization Working Group， final Report June 2001.【4】肖再华.飞机燃油箱惰化.航空科学技术，2005，1：31-32.【5】Willi