飛機(jī)燃油箱可燃性適航條款分析

張 宇，王瑩瑩，劉媛媛，劉 超

(中航工業(yè)沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽(yáng) 110000)

民航工程

飛機(jī)燃油箱可燃性適航條款分析

張 宇，王瑩瑩，劉媛媛，劉 超

(中航工業(yè)沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司 工程研發(fā)中心，沈陽(yáng) 110000)

分析燃油箱可燃性適航條款的歷次修改，對(duì)當(dāng)前適航條款進(jìn)行梳理，總結(jié)出符合性驗(yàn)證的思路，同時(shí)對(duì)比了歐美適航當(dāng)局對(duì)該條款要求的異同，有助于把握正確的燃油箱可燃性研究方向，利于項(xiàng)目和型號(hào)設(shè)計(jì)的工作開展。

燃油箱；可燃性；適航條款

燃油箱爆炸嚴(yán)重威脅航空安全，自1960年以來(lái)，全球先后發(fā)生了18起飛機(jī)燃油箱爆炸事故，造成542人遇難，并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。FAA調(diào)查發(fā)現(xiàn)引起燃油箱爆炸的主要原因是由于燃油箱空余空間存在的可燃性蒸氣被點(diǎn)火源點(diǎn)燃,從而引起爆炸。美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)對(duì)此高度重視，提出同時(shí)實(shí)行消除燃油箱點(diǎn)火源的措施和采取降低燃油箱可燃性的措施，并先后頒布多個(gè)修正案對(duì)燃油箱可燃性條款進(jìn)行修改與補(bǔ)充，以期從根本上解決燃油箱安全問(wèn)題。歐洲航空安全局(EASA)也持續(xù)跟進(jìn)，對(duì)其審定規(guī)范(CS)相對(duì)應(yīng)的燃油箱可燃性條款做了相應(yīng)的修改，但由于其設(shè)計(jì)理念和出發(fā)點(diǎn)與FAA有所不同，以至于在具體要求和執(zhí)行方法上存在一定差異。

在國(guó)外適航當(dāng)局不斷修改完善燃油箱可燃性條款的同時(shí)，中國(guó)民用航空局也十分重視燃油箱可燃性問(wèn)題，在對(duì)CCAR-25部進(jìn)行第四次修訂時(shí)，首次增加了燃油箱可燃性的相關(guān)要求。但我國(guó)在燃油箱可燃性方面的研究還處于起步階段，特別是關(guān)于定量分析所采用的蒙特卡羅模型，并沒(méi)有給出相關(guān)的原理模型和具體的操作指導(dǎo)，存在一定的局限性。

1 條款背景

燃油箱可燃性條款從最初創(chuàng)建到如今，經(jīng)歷了多次修改，相關(guān)要求也不斷完善，主要從消除點(diǎn)火源和降低燃油箱可燃性兩方面入手進(jìn)行規(guī)范，以期從根本上保證燃油箱的安全性。燃油箱可燃性條款來(lái)源于1967年5月5日FAA頒布的25-11號(hào)修正案，該修正案在FAR-25部中增加了25.981條款——燃油箱溫度。該條款的主要要求是關(guān)于限制燃油箱中的溫度來(lái)阻止燃油蒸氣因油箱表面溫度過(guò)熱而引起點(diǎn)燃。同時(shí)適航條例還從外部的閃電到內(nèi)部燃油箱的失效[2]，對(duì)點(diǎn)火源進(jìn)行了防范，但歷史表明還有一些不可見的因素引起點(diǎn)火源，包括制造誤差，維修錯(cuò)誤等，這些在認(rèn)證之初是預(yù)料不到的。因此，在2001年4月18日FAA頒布了25-102號(hào)修正案《運(yùn)輸類飛機(jī)燃油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)審、降低可燃性以及維護(hù)和檢查要求》[3]進(jìn)行補(bǔ)充。該修正案頒布后，將25.981條款更名為《燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)》。該條款對(duì)消除燃油箱中的點(diǎn)火源提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，要求減少燃油箱中可燃蒸氣的形成，或減輕發(fā)生點(diǎn)燃后所造成的危害影響。該條款的主要目的是采用設(shè)計(jì)措施來(lái)使運(yùn)輸類飛機(jī)燃油箱帶有可燃蒸氣的工作時(shí)間降至最低水平。在頒布25-102修正案的同時(shí)，F(xiàn)AA還頒布了特殊航空條例(SFAR)88[4]。該條例要求對(duì)許多正在服役運(yùn)輸飛機(jī)的燃油箱系統(tǒng)進(jìn)行重新評(píng)估，以消除燃油箱中的點(diǎn)火源。

2 當(dāng)前條款要求

當(dāng)前的條款要求來(lái)自于FAA于2008年7月19日頒布的25-125號(hào)修正案《降低運(yùn)輸類飛機(jī)燃油箱可燃性》[5]，該修正案是在25-102號(hào)修正案的基礎(chǔ)上對(duì)25.981進(jìn)行了進(jìn)一步修改，并針對(duì)油箱位置的不同而提出不同的要求，并且增加了對(duì)燃油箱可燃性的適航限制要求。該修正案還增加了新的附錄對(duì)可燃性分析方法進(jìn)行了解釋，明確提出關(guān)于燃油箱可燃性暴露具體可接受的量化指標(biāo)和分析方法。

當(dāng)前的FAR針對(duì)燃油箱可燃性條款主要包括第25.5條《貫徹參考文件》中的(b)(1)條款，第25.981條《燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)》，附錄M《燃油箱系統(tǒng)降低可燃性的措施》和附錄N《燃油箱可燃性暴露和可靠性分析》。

2.1 25.5貫徹參考文件

25.5(b)(1)條款主要列出了關(guān)于燃油箱可燃性的參考文件，當(dāng)進(jìn)行燃油箱可燃性評(píng)估時(shí)，推薦使用《燃油箱可燃性評(píng)估方法用戶手冊(cè)》[6]。

2.2 25.981 燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)

25.981條款主要包含以下4個(gè)部分：

25.981(a)條款提出了點(diǎn)燃防護(hù)要求；

25.981(b)條款對(duì)不同燃油箱類型規(guī)定了可燃性暴露限制，并授權(quán)使用燃油箱可燃性評(píng)估方法；

25.981(c)條款提供了采用減輕點(diǎn)燃影響措施(IMM)的選項(xiàng)，可用于替代25.981(b)條款可燃性限制的要求；

25.981(d)條款包括了對(duì)適航限制項(xiàng)目(ALI)的要求，包含對(duì)點(diǎn)燃防護(hù)方法，IMM或FRM的關(guān)鍵設(shè)計(jì)構(gòu)型控制限制(CDCCL)。

2.3 附錄M 燃油箱系統(tǒng)降低可燃性的措施

附錄M對(duì)降低可燃性措施建立了性能、可靠性和報(bào)告的要求，主要用于申請(qǐng)批準(zhǔn)FRM。

2.4 附錄N 燃油箱可燃性暴露和可靠性分析

附錄N定義了燃油箱可燃性暴露分析模型，即蒙特卡羅模型，包括了分析中必須應(yīng)用的定義，輸入變量和數(shù)據(jù)表。主要用于進(jìn)行可燃性暴露分析。

3 條款理解

25.981條款連同附錄M和附錄N，并參考《燃油箱可燃性評(píng)估方法用戶手冊(cè)》一同提出了可燃性限制和確定燃油箱可燃性的方法。

3.1 第25.981條分析

針對(duì)第25.981條分析如下：(a)條款的主要目的是減少燃油箱中存在的點(diǎn)火源；(b)條款的主要目的是把燃油箱的可燃性暴露限制在某個(gè)值；(c)條款保留了采用減輕點(diǎn)燃影響措施(IMM)以滿足25.981燃油箱可燃性要求的選項(xiàng)。

為了驗(yàn)證第25.981條中(b)和(c)的符合性，25.981條款提供了兩種關(guān)于處理燃油箱可燃性危險(xiǎn)的方法：(1)控制燃油箱可燃性到規(guī)定的水平；(2)如果發(fā)生燃油蒸氣點(diǎn)燃，采用減輕點(diǎn)燃影響措施(IMM)降低其危害。在25.981(b)中陳述了第一種方法，即表明燃油箱可燃性沒(méi)有超過(guò)適航條款的限制。當(dāng)采用這種符合性方法時(shí)，需要對(duì)燃油箱可燃性進(jìn)行分析，并且當(dāng)燃油箱超過(guò)可燃性限制時(shí)，應(yīng)采用降低可燃性措施(FRM)降低燃油箱可燃性。

如果滿足25.981(c)的要求，即通過(guò)采用減輕點(diǎn)燃影響措施(IMM)降低了點(diǎn)燃燃油蒸氣的危害，那么就不需要滿足25.981(b)的要求。IMM的例子包括向燃油箱填充聚氨酯泡沫體，或布置金屬箔片，證明結(jié)構(gòu)可以承受爆炸的影響，或安裝其它抑制爆炸的系統(tǒng)[7]。如果采用25.981(c)條款進(jìn)行符合性驗(yàn)證，因?yàn)镮MM減輕了點(diǎn)燃的影響，以至于沒(méi)有造成危害性的后果，因此就不需要確定燃油箱可燃性。

3.2 燃油箱可燃性條款整體分析

在FAR第25部針對(duì)燃油箱可燃性適航條款中，主要把油箱分為了兩大類，針對(duì)不同的油箱有著不同的要求。

(1)主油箱或機(jī)身外油箱

對(duì)于主油箱或機(jī)身外油箱，包括復(fù)材機(jī)翼油箱，適航條例要求其機(jī)隊(duì)平均可燃性暴露時(shí)間不能超過(guò)下列值中的較大值：1)可燃性暴露評(píng)估時(shí)間(FEET)的3%；2)所評(píng)估機(jī)型機(jī)翼燃油箱的可燃性暴露時(shí)間(如果所評(píng)估機(jī)型的機(jī)翼不是采用傳統(tǒng)的非加熱鋁制機(jī)翼，則需要基于等效傳統(tǒng)非加熱鋁制機(jī)翼油箱進(jìn)行分析)。

(2)非主油箱并且在機(jī)身內(nèi)的油箱

對(duì)于非主油箱并且在機(jī)身內(nèi)的油箱，適航條例要求其機(jī)隊(duì)平均可燃性暴露時(shí)間不能超過(guò)：1)可燃性暴露評(píng)估時(shí)間(FEET)的3%；2)FEET中溫暖天氣條件下處于地面或起飛/爬升階段部分的3%。如果不能滿足上述要求，F(xiàn)AA建議采用降低可燃性措施(FRM)以降低燃油箱可燃性。如果采用FRM，則在FEET的3%當(dāng)中，下列每段時(shí)間均不得超過(guò)FEET的1.8%：①當(dāng)FRM工作時(shí)，但燃油箱沒(méi)有惰性化并且可燃；②當(dāng)FRM不工作時(shí)，燃油箱可燃。

3.3 燃油箱可燃性暴露分析方法

針對(duì)不同種類的燃油箱，附錄N提供了兩種燃油箱可燃性暴露分析的方法。

(1)對(duì)于可等效為傳統(tǒng)非加熱鋁制機(jī)翼的油箱，則定性的評(píng)估就足夠了，方法可以采用等效分析；

(2)對(duì)于其它的燃油箱，則需要定量的評(píng)估，適航條款要求采用蒙特卡羅模型作為符合性驗(yàn)證方法，對(duì)油箱進(jìn)行可燃性分析。

對(duì)于第一種方法，關(guān)于傳統(tǒng)非加熱鋁制機(jī)翼油箱的定義，一般來(lái)說(shuō)應(yīng)具有如下的特性：首先必須滿足是機(jī)翼油箱，其他油箱不適用；其次是材料為鋁結(jié)構(gòu)，不能是復(fù)材結(jié)構(gòu)；只適用于亞音速飛機(jī)；同時(shí)油箱的外部熱來(lái)源要足夠的小，并且在飛行中由環(huán)境氣流進(jìn)行冷卻；最后油箱表面沒(méi)有熱隔離，并且具有較大的空氣動(dòng)力表面暴露于外部空氣。只有滿足以上條件，才可定義為傳統(tǒng)非加熱鋁制機(jī)翼油箱，也才能采用等效分析進(jìn)行燃油箱可燃性分析；否則必須采用蒙特卡羅模型進(jìn)行燃油箱可燃性分析。同時(shí)對(duì)于“非加熱”的概念，可以理解為沒(méi)有加熱或具有較小的熱源，其中較小的熱源包括：不影響或較少影響燃油溫度的熱交換器、熱防冰系統(tǒng)和熱防冰隔離罩等等；而較大的熱源包括：顯著影響燃油溫度的熱交換器、鄰近進(jìn)行加熱的燃油箱、從熱燃油箱轉(zhuǎn)輸?shù)娜加秃袜徑目照{(diào)設(shè)備等。

4 FAA和EASA對(duì)可燃性要求的差異

2006年12月，空客A380獲得了EASA與FAA聯(lián)合頒發(fā)的型號(hào)合格證，但關(guān)于燃油箱安全方面，雙方仍存在分歧。FAA指責(zé)A380沒(méi)有符合FAA關(guān)于燃油箱可燃性的規(guī)定，因?yàn)锳380沒(méi)有采用具有降低可燃性的措施，F(xiàn)AA表示擔(dān)心其存在安全隱患[8]。對(duì)此，空客則回應(yīng)稱，其飛機(jī)不需要采取額外的油箱安全措施，因?yàn)榭湛惋w機(jī)至今沒(méi)有發(fā)生過(guò)油箱爆炸且A380根本沒(méi)有位于機(jī)身位置的油箱。

雙方的分歧來(lái)源于各自對(duì)燃油箱安全性的不同理解，從雙方對(duì)燃油箱安全所制定的適航條款，就可發(fā)現(xiàn)差異。FAA的主要觀點(diǎn)是，在消除燃油箱內(nèi)點(diǎn)火源的同時(shí)，應(yīng)采用具有降低可燃性的措施以保證燃油箱的安全。FAA不是要阻止可燃性氣體的產(chǎn)生，而是要進(jìn)行可燃性控制來(lái)保證燃油箱安全。EASA也沒(méi)有排除可燃性狀態(tài)，并且也包含了量化的可燃性暴露要求，但是在最初的要求和相應(yīng)的方法上還是存在著巨大的差異。其中最大的差異來(lái)自于CS 25.981(b)(1)條款。該條款要求：盡最大可能，采取設(shè)計(jì)預(yù)防措施來(lái)限制熱和能量的傳導(dǎo)，阻止燃油箱中可燃性蒸氣的產(chǎn)生[9]。從該條款可以看出，EASA首先要求控制熱輸入，而不是接受申請(qǐng)者采用其它方式來(lái)控制可燃性暴露[10]，這點(diǎn)是與FAA最大的差異。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)燃油箱可燃性條款歷次修改的分析和當(dāng)前條款要求的理解，針對(duì)燃油箱可燃性條款的符合性驗(yàn)證，主要得出如下結(jié)論：

(1)作為備用選項(xiàng)，可采用減輕點(diǎn)燃影響措施(IMM)來(lái)滿足燃油箱可燃性要求；

(2)針對(duì)油箱位置的不同，條例所規(guī)定的要求和符合標(biāo)準(zhǔn)也不相同；

(3)對(duì)于不同種類的油箱，應(yīng)選擇不同的分析方法進(jìn)行驗(yàn)證：定性分析方法或定量分析方法；

(4)在滿足EASA的燃油箱可燃性要求時(shí)，應(yīng)首先考慮控制熱輸入。

[1]溫文才.飛機(jī)燃油箱可燃性評(píng)估方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2009(2):31-34.

[2]FAA.FAR AC25.981-1C:Fuel tank ignition source prevention guidelines[Z].2008-9.

[3]FAA.Amendment 25-102:Transport airplane fuel tank system design review,flammability reduction,and maintenance and inspection requirements[Z].2001-4.

[4]FAA.SFAR88 No.88:Fuel tank system fault tolerance evaluation requirements[Z].2001-4.

[5]FAA.Amendment 25-125:Reduction of fuel tank flammability in transport category airplanes[Z].2008-7.

[6]DOT/FAA/AR-05/8.Fuel tank flammability assessment method user′s manual[Z].2008-05.

[7]FAA.FAR AC25.981-2A:Fuel tank flammability reduction means[Z].2008-9.

[8]蔣瑞.歐美適航當(dāng)局在燃油箱安全性問(wèn)題上的意見分歧[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2007(2):29-31.

[9]EASA.Certification specifications and acceptable means of compliance for large aeroplanes[Z].2013-6.

[10]SAE.AIR 5774.Composite fuel tanks,fuel system design considerations[S].2012-12.

(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉紅江)

Analysisonairworthinessclausesofaircraftfueltankflammability

ZHANG Yu，WANG Ying-ying，LIU Yuan-yuan，LIU Chao

(Engineering Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Limited,Shenyang 110000,China)

Through analyzing the amendments to the airworthiness clauses of fuel tank flammability,the current airworthiness clauses are studied in the paper.The approaches of airworthiness compliance are concluded and the different requirements by the U.S.and European authorities are compared.The study is helpful in the researches of the fuel tank flammability and the project development and model design.

fuel tank;flammability;airworthiness clause

2014-05-23

張宇(1983-)，男，遼寧蓋州人，工程師，主要研究方向：燃油系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)，E-mail:zhang.yu3@sacc.com.cn。

2095-1248(2014)04-0075-04

V211

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.015