某型航空發(fā)動機排氣污染試飛方法研究

宋江濤，鐘曉媚，雷 利

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 概述

航空發(fā)動機在工作時產(chǎn)生的尾氣會產(chǎn)生燃料的產(chǎn)物—CO和CO2，它們可能通過機身縫隙和孔道進(jìn)入非密封艙，也可能隨通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入密封艙，飛機座艙狹小，如果CO和CO2進(jìn)入座艙其濃度會迅速上升，短時間內(nèi)可以形成嚴(yán)重污染，特別是對于密封增壓座艙。美聯(lián)邦航空局報道的航空事故遇難的4072名飛行員，其中有21名是由CO中毒造成。飛機的座艙環(huán)境對于保障飛行安全、維護(hù)空勤人員的身體健康具有重要作用。目前民用飛機座艙，普遍采用通風(fēng)式密封增壓座艙，座艙內(nèi)空氣被發(fā)動機排氣污染的機會大為減小，但是有害氣體入侵的可能性依然存在，前蘇聯(lián)和美國對航空發(fā)動機排氣污染制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，在中國民用航空規(guī)章第25部中規(guī)定:排氣系統(tǒng)必須準(zhǔn)確安全地排出廢氣，在任何載人艙內(nèi)沒有一氧化碳影響，載人艙CO在空氣中的濃度超過50 ppm即認(rèn)為是危險的［1］。發(fā)動機排氣所產(chǎn)生的CO對座艙的影響必須通過飛行試驗進(jìn)行驗證。

某型民用客機是70～90座級中短程支線客機，飛機采用二人駕駛體制，駕駛艙并排布置正、副駕駛員座椅，飛機座艙為密封艙，為我國首次按照適航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取證的客機。本文依據(jù)中國民用航空規(guī)程條款，主要研究發(fā)動機排氣中CO對飛機載人艙的污染，提出可行的試飛方法，并進(jìn)行飛行試驗驗證。

1 測試原理及測點分布

在進(jìn)行某型民機載人艙CO濃度測試時采用紅外線CO氣體分析儀。紅外線氣體濃度分析儀原理是基于不同的氣體有選擇性的吸收一定波長的紅外線這一性質(zhì)，氣體分子對紅外線的吸收是由于分子振動和轉(zhuǎn)動引起的，只有在紅外線光譜的頻率與分子本身的特定頻率一致時，這種分子才能吸收紅外光譜輻射能［2，3］。紅外線光源發(fā)出的紅外線能量為I0，它通過一個光程為L的多次反射氣室之后，能量轉(zhuǎn)變?yōu)镮，如果氣室中有吸收紅外線能量的氣體時，依據(jù)比爾定律則能量 I滿足［4，5］:

式中:I0通過待測組份前的光強度;

I通過待測組份后的光強度;

K待測組份的吸收系數(shù);

C待測組份的濃度;

L光線通過待測組份的長度(測量氣室長度)。

進(jìn)行某型民機座艙CO氣體濃度測量時，在飛機座艙內(nèi)布置4個測量點。測量點的分布如圖1所示。1#測量點布置在駕駛艙觀察員座位處，2#、3#、4#測量點平均分配在客艙中心軸線上。測量點的高度距座艙地板1.4 m，該高度為人坐在座椅時呼吸氣體高度，氣體分析儀可實時的對CO濃度進(jìn)行測量。

圖1 某型客機座艙CO濃度測量點布置示意圖

2 試飛方法

航空發(fā)動機工作時排氣產(chǎn)生的CO可能通過機身縫隙和孔道進(jìn)入載人艙，也可能是尾氣重新進(jìn)入動力裝置，通過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入載人艙。因此在進(jìn)行飛行試驗方法設(shè)計時，選擇起飛、降落、側(cè)風(fēng)等對發(fā)動機尾流場產(chǎn)生影響的動作進(jìn)行飛行，在上述因素的影響下，發(fā)動機排氣有更大機率進(jìn)入載人艙，測量該狀態(tài)下座艙的CO濃度。飛機防冰系統(tǒng)工作時，防冰系統(tǒng)的氣體也可能對尾流場產(chǎn)生影響，對載人艙的CO濃度產(chǎn)生影響。依據(jù)可以影響發(fā)動機排氣流場的因素，擬在下述飛行狀態(tài)下進(jìn)行發(fā)動機排氣污染項目的飛行試驗。

(1)正常飛行姿態(tài)發(fā)動機排氣對座艙CO濃度的影響

在平飛狀態(tài)打開雙發(fā)引氣，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;在爬升和下降過程中，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度。

(2)自然風(fēng)狀態(tài)下發(fā)動機排氣對座艙CO濃度的影響

側(cè)風(fēng)起飛/著陸條件下，打開雙發(fā)引氣，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;順風(fēng)起飛/著陸條件下，打開雙發(fā)引氣，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度。

(3)空調(diào)系統(tǒng)在不同狀態(tài)工作時發(fā)動機排氣對座艙氣體濃度影響

打開雙發(fā)引氣，發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)，機翼防冰打開，短艙防冰打開，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;打開雙發(fā)引氣，發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)，機翼防冰關(guān)閉，短艙防冰打開，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;打開雙發(fā)引氣，發(fā)動機最大連續(xù)，機翼防冰關(guān)閉，短艙防冰打開，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;打開應(yīng)急通風(fēng)，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;上述每個狀態(tài)的試驗時間為30 min。

在上述試驗過程中，關(guān)閉輔助動力裝置的引氣。

3 試驗結(jié)果

3.1 正常飛行姿態(tài)試驗結(jié)果

在35 000ft高度時，雙發(fā)引氣打開，空調(diào)系統(tǒng)正常工作，在發(fā)動機最大連續(xù)和按需兩種條件下進(jìn)行試飛測量座艙 CO氣體濃度;爬升到 10 000ft、20 000ft、30 000ft高度以及下降到32 000ft、20 000ft、10 000ft高度時進(jìn)行座艙CO氣體濃度測量。測量結(jié)果如表1所示。

表1 CO(ppm)濃度測量結(jié)果

從表1可以知，在平飛、爬升和下降過程中，座艙的一氧化碳濃度最大為0.4 ppm，小于規(guī)定的50 ppm。在不同飛行狀態(tài)，載人艙CO濃度無明顯變化。

3.2 側(cè)風(fēng)試驗結(jié)果

表2是飛機在側(cè)風(fēng)條件下起飛/著陸時，雙發(fā)引氣打開、APU引氣關(guān)閉以及雙發(fā)引氣關(guān)閉、APU引氣關(guān)閉時座艙CO氣體濃度測量結(jié)果。風(fēng)速是換算到正側(cè)風(fēng)條件下的風(fēng)速平均值。

表2 側(cè)風(fēng)條件下起飛/著陸時CO測量結(jié)果

從表2可知，在側(cè)風(fēng)起飛/著陸條件下飛機座艙CO氣體濃度最大值:0.6 ppm，雙發(fā)引氣打開、關(guān)閉兩個狀態(tài)的起飛著陸座艙CO濃度無明顯變化，小于規(guī)定值50 ppm。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)在不同狀態(tài)工作的試驗結(jié)果

在25 000ft高度和15 000ft高度時，發(fā)動機雙發(fā)引氣打開，空調(diào)系統(tǒng)正常工作，發(fā)動機最大連續(xù)狀態(tài)工作，飛機短艙防冰和機翼防冰打開，進(jìn)行載人艙CO氣體濃度測量。在10 000ft高度時，打開座艙應(yīng)急通風(fēng)，進(jìn)行載人艙CO氣體濃度測量。測得CO濃度如表3所示。

表3 空調(diào)系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)CO(ppm)濃度測量結(jié)果

由表3可知，空調(diào)系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下工作時，座艙CO濃度最大為1.6 ppm，座艙的CO濃度隨時間變化無明顯變化，CO濃度小于規(guī)定的50 ppm。

4 總結(jié)

本文依據(jù)適航條例要求內(nèi)容，針對某型民用飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和影響發(fā)動機尾流場的因素，提出航空發(fā)動機排氣污染的試飛方法，并進(jìn)行發(fā)動機排氣污染試飛，試飛結(jié)果表明，在不同的飛行狀態(tài)和發(fā)動機狀態(tài)下，某型飛機座艙的CO濃度無明顯的變化，符合中國民用航空規(guī)程的要求。

［1］ 中國民用航空規(guī)程(第25部).中國民用航空公司.2011.7

［2］ Shindell D T，F(xiàn)aluvegi G M，Schimdt G A，Unger N，Bauer S E2009 Science 326716

［3］ Krings T，Gerilowski K，Buchwite M，Reutet M，Tretner A，Erzinger J，Heinze D，Burrows J P，Bovensmann H 211 Atmos.Meas.Tech.4 2207

［4］ Drike A，Gaston E M，Shrikrishna H N，Robert F M 2009(US Patent)12112436［2009.08.27］

［5］ 孫友文，劉文清，汪世美，黃書華.光譜學(xué)與光譜分析.2011，10，31