飛機(jī)燃油油箱氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)研究

王國(guó)法

(山東太古飛機(jī)工程有限公司，山東 濟(jì)南250107)

0 引言

在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)(NGS)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)自檢代碼為47-30029(FILTER BLOCKED 過(guò)濾器阻塞)的故障，造成藍(lán)色性能衰退燈亮。出現(xiàn)此故障信息需滿足下列三個(gè)條件：過(guò)濾壓差電門感受到高壓信號(hào)、氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)正在工作、飛機(jī)處在爬升狀態(tài)。一般維修人員懷疑是過(guò)濾壓差電門、過(guò)濾器或線路的原因；但在排故后往往發(fā)現(xiàn)是空氣分離組件(ASM)故障。更換空氣分離組件后，故障排除。

這是因?yàn)榭諝夥蛛x組件作為氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的核心部件，它將空氣進(jìn)行分離，氧氣排出機(jī)外，氮?dú)馑腿胫醒胗拖?。但如果由于空氣雜質(zhì)污染引起空氣分離組件內(nèi)部纖維膜損壞，內(nèi)部纖維膜會(huì)變得像帶有許多洞孔的吸管一樣而流過(guò)過(guò)多的氣流量，超過(guò)熱交換器的冷卻能力，而引起過(guò)濾器兩側(cè)壓差值超出范圍，造成藍(lán)色性能衰退燈亮。所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)上述故障時(shí)，維修人員可以考慮更換空氣分離組件來(lái)排故。

基于此，本文決定對(duì)氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的由來(lái)、油箱惰化原理、組成、工作原理、及維護(hù)進(jìn)行介紹和分析。

1 氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的由來(lái)

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)是在多次航空空難的背景下產(chǎn)生的，特別是著名的TWA800 空難，直接促使美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)和波音公司采用此系統(tǒng)。1996 年7 月17 日，美國(guó)環(huán)球航空800 號(hào)班機(jī)(TWA800)從紐約肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛，飛往巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)；當(dāng)時(shí)該架波音747-100 型飛機(jī)搭載了212 名乘客及18 名機(jī)組人員。飛機(jī)在起飛后僅12 分鐘就于紐約長(zhǎng)島附近的大西洋上空爆炸解體，造成機(jī)上全部人員罹難(飛機(jī)事故殘骸見(jiàn)圖1)。

圖1 TWA800 飛機(jī)殘骸

TWA800 空難發(fā)生后，美國(guó)聯(lián)邦航空局和波音公司進(jìn)行了大量的調(diào)查研究。調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故原因是飛機(jī)在爬升時(shí)中央油箱的可燃蒸汽被點(diǎn)燃而發(fā)生爆炸。美國(guó)聯(lián)邦航空局先后頒布了很多條例和規(guī)章要求消除油箱中潛在的點(diǎn)火源，同時(shí)要求消除或顯著減少油箱的可燃性。美國(guó)聯(lián)邦航空局和波音公司據(jù)此引入了燃油油箱氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)。

美國(guó)聯(lián)邦航空局于2005 年下發(fā)適航條例，要求2014 年1 月1 日以后出廠的所有100 座以上的民用飛機(jī)，必須在出廠前安裝氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)；對(duì)于未安裝該系統(tǒng)的現(xiàn)役飛機(jī)，必須在2017 年前加裝氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)。波音公司根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空局的要求下發(fā)了加裝氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的服務(wù)通告。

2 氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的油箱惰化原理

燃油蒸汽、氧氣、火源被稱為油箱“起火三因素”。在飛行中，飛機(jī)燃油油箱內(nèi)因雷電、靜電火花、摩擦火花等特殊風(fēng)險(xiǎn)或失效狀態(tài)，極易引燃起火三因素而發(fā)生災(zāi)難性爆炸，造成生命和財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重后果。

飛機(jī)在地面時(shí)，燃油油箱中液面以上氣相空間的氧氣濃度為21%。飛機(jī)在爬升過(guò)程中，由于壓力的降低而使溶解在燃油中的氧氣被析出，此時(shí)的氧氣濃度大于21%。當(dāng)氧氣和燃油的揮發(fā)蒸汽混合，在有點(diǎn)火源的情況下，可能就會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。控制飛機(jī)燃油油箱內(nèi)部的氧氣濃度在一定安全值范圍內(nèi)，從而在油箱內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)不易燃的環(huán)境，可以防止因點(diǎn)火源出現(xiàn)而引發(fā)燃油油箱的爆炸。

根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空局發(fā)布的修正案25-125，當(dāng)燃油油箱每個(gè)隔間的平均氧氣濃度值在海平面到10000 英尺高度區(qū)間內(nèi)小于或等于12%時(shí)，或在10000 英尺到40000 英尺高度區(qū)間內(nèi)小于或等于12%到14.5%的線性遞推值時(shí)，或在高于40000 英尺高度時(shí)小于或等于其線性外推值時(shí)，燃油油箱即可被認(rèn)為是惰化狀態(tài)，即不易燃狀態(tài)。

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)通過(guò)控制向中央油箱提供富含氮?dú)獾脑鰤簹怏w，使整個(gè)飛行過(guò)程中的中央油箱氧氣含量處于不足以支持燃燒的水平，實(shí)現(xiàn)了燃油油箱的惰化。

3 氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的組成和工作原理

3.1 氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)組成和分析

圖2 氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)系統(tǒng)圖

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)使用飛機(jī)左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣系統(tǒng)的引氣，關(guān)斷活門控制來(lái)自氣源總管的引氣量，控制器使用系統(tǒng)壓力和電壓去控制關(guān)斷活門。控制器通過(guò)接收來(lái)自引氣導(dǎo)管上的傳感器的壓力信號(hào)去調(diào)節(jié)關(guān)斷活門的開(kāi)度，控制進(jìn)入系統(tǒng)的氣體壓力。引氣經(jīng)過(guò)臭氧轉(zhuǎn)換器時(shí)，空氣中的臭氧被轉(zhuǎn)換為氧氣，因?yàn)槌粞鯐?huì)降低空氣分離組件的機(jī)械性能。熱交換器使用沖壓空氣降低引氣溫度到160°F±10°F，沖壓空氣活門調(diào)節(jié)進(jìn)入熱交換器的冷空氣量。控制器接收來(lái)自溫度傳感器的溫度信號(hào)去調(diào)節(jié)沖壓空氣活門。過(guò)濾器過(guò)濾進(jìn)入空氣分離組件的空氣污染雜質(zhì)，壓差電門監(jiān)控此過(guò)濾器的工作?？諝夥蛛x組件將富氧氣體排出機(jī)外，降低氣體中的含氧量。富氮?dú)怏w經(jīng)過(guò)高流量活門進(jìn)入中央油箱，高流量活門控制進(jìn)入中央油箱的富氮?dú)怏w量?？刂破魍ㄟ^(guò)接收高度傳感器、壓差傳感器的信號(hào)去控制打開(kāi)或關(guān)閉高流量活門。富氮?dú)怏w分配系統(tǒng)將氮?dú)馔ㄟ^(guò)油箱左部的爬升通氣口的噴嘴送入中央油箱，油箱右部的浮子活門確保氮?dú)獾臐舛仁呛愣ǖ?。交輸通氣單向活門確保外界大氣在飛機(jī)下降過(guò)程中不會(huì)稀釋氮?dú)獾臐舛??？刂破鬟€監(jiān)控和控制系統(tǒng)的操作溫度和壓力。系統(tǒng)組成和工作示意圖如圖2 所示。

3.2 空氣分離組件原理

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的核心裝置是空氣分離組件，其采用滲透膜型惰性氣體產(chǎn)生系統(tǒng)?？諝夥蛛x組件的工作原理是當(dāng)兩種或兩種以上的氣體混合物通過(guò)纖維高分子膜時(shí)，各種氣體在膜中溶解度和擴(kuò)散系數(shù)有差異，導(dǎo)致不同氣體在膜中擁有不同的相對(duì)滲透速率。在膜兩側(cè)壓力差的作用下，滲透速率相對(duì)快的氣體如氧氣、水、二氧化碳等迅速透過(guò)中空纖維壁而被放掉；滲透速率較慢的氮?dú)獗粶粼谥锌绽w維內(nèi)而被富集，從而在纖維的出口端得到較高純度的氮?dú)狻?/p>

空氣分離組件包含上百萬(wàn)根中空纖維高分子膜，安裝在圓柱管束里。運(yùn)行中，空氣分散到管束，然后進(jìn)入各個(gè)纖維孔。當(dāng)空氣流穿過(guò)纖維膜時(shí)，氧氣優(yōu)先滲透穿過(guò)纖維壁面并收集后排出；而富氮?dú)怏w在纖維管的另一端產(chǎn)生，用于惰化燃油油箱。其原理如圖3 所示。

然而，當(dāng)空氣雜質(zhì)污染造成空氣分離組件內(nèi)部纖維膜損壞時(shí)，內(nèi)部纖維膜會(huì)變得像帶有許多洞孔的吸管一樣而流過(guò)過(guò)多的氣流量，最終導(dǎo)致氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)出現(xiàn)藍(lán)色性能衰退燈亮的故障。

圖3 空氣分離組件

4 氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的維護(hù)

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)有一個(gè)操作指示器(見(jiàn)圖4)，它從控制器獲取信號(hào)，顯示氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)。操作指示器有三個(gè)燈：綠燈-表示系統(tǒng)正常工作；藍(lán)燈-表示系統(tǒng)還工作，但性能退化；琥珀色燈-表示系統(tǒng)不工作，必須人工關(guān)斷和鎖住NGS 關(guān)斷活門。假如所有燈都不亮，說(shuō)明指示器不工作。當(dāng)藍(lán)燈或琥珀色燈亮?xí)r，說(shuō)明氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)有故障。

圖4 操作指示器

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)有一套自檢顯示組件(BDU，見(jiàn)圖5)，維修人員可以利用其進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和排故。當(dāng)系統(tǒng)有故障時(shí)，自檢顯示組件會(huì)顯示故障信息，維修人員可以根據(jù)故障隔離手冊(cè)進(jìn)行排故。常見(jiàn)故障信息如表1 所示。

進(jìn)行排故工作之前，確保飛機(jī)處于下列狀態(tài)：飛機(jī)外部電源接通，液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)停車，氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)中沒(méi)有部件失效。

故障隔離手冊(cè)中有許多排故步驟，包含多個(gè)待排故的項(xiàng)目。為了節(jié)省排故的時(shí)間，維修人員可以忽略認(rèn)為不需要排故的項(xiàng)目步驟；但要注意有些項(xiàng)目中包含影響其他項(xiàng)目工作的步驟，這些步驟不能被忽略。

圖5 自檢顯示組件

表1 常見(jiàn)故障信息

5 結(jié)束語(yǔ)

氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)通過(guò)對(duì)燃油油箱進(jìn)行惰化，可以有效防止油箱燃燒爆炸，提高飛機(jī)的運(yùn)行安全性，保證了人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。但在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于飛行環(huán)境和部件壽命等問(wèn)題，系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些故障。維修人員對(duì)氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)有全面的了解和認(rèn)知，可以快速準(zhǔn)確的判斷故障原因，迅速完成排故工作，保障航空公司的飛機(jī)利用率和航班準(zhǔn)點(diǎn)率。

［1］波音737-600/700/800/900 AMM PART I Chapter 47 REV.28, Dated 15-Oct-2013[S].

［2］波音737-600/700/800/900 FIM REV.52, Dated 15-Oct-2013[S].

［3］美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA Final Rule Docket Number FAA-2005-22997,Dated 21-Jul-2008[S].

［4］美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA Final Rule 25-308-SC REV.0, Dated 05-Dec-2005[S].

［5］波音服務(wù)通告SB-737-47-1002 REV.1, Dated 24-Apr-2012[S].

［6］波音服務(wù)通告SB-737-47-1003 REV.1, Dated 24-Apr-2012[S].

［7］波音Multi-Operator Message (MOM) MOM-MOM-11-0371-01B, Dated 26-May-2011[S].