民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電效應(yīng)研究

張 斌，宋志強(qiáng)，卞 剛，周宇穗

（中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電效應(yīng)研究

張 斌，宋志強(qiáng)，卞 剛，周宇穗

（中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

民用飛機(jī)的閃電防護(hù)是飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面,一直受到航空界的普遍關(guān)注,民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)部件的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證,更是被美國聯(lián)邦航空局所重視.通過參考相關(guān)咨詢通告及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,對民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)部件閃電直接效應(yīng)進(jìn)行分析和研究,歸納出幾種典型的符合性分析及驗(yàn)證方法,主要有仿真分析法、工程計(jì)算分析法及試驗(yàn)驗(yàn)證法等,并總結(jié)出各方法的應(yīng)用范疇.

民用飛機(jī)；燃油系統(tǒng)；閃電；直接效應(yīng)；驗(yàn)證方法

飛機(jī)的防雷擊問題一直受到航空界的普遍關(guān)注，鑒于歷史上兩起嚴(yán)重的商用飛機(jī)空難事故，飛機(jī)燃油系統(tǒng)部件的閃電防護(hù)逐漸被FAA重視起來。

1963年12月，一架美國B707型商用飛機(jī)遭遇雷電襲擊后在馬里蘭州墜毀，事故調(diào)查表明是由于飛機(jī)備用油箱結(jié)構(gòu)被閃電擊中，產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃燃油蒸氣從而引發(fā)飛機(jī)爆炸。

1996年7月17日，美國環(huán)球航空800號班機(jī)（TWA 800）空中爆炸，事后調(diào)查表明可能是中央翼油箱線纜老化，發(fā)生電弧導(dǎo)致油箱著火。雖然此次事故并非由閃電擊中導(dǎo)致，但美國聯(lián)邦航空局（FAA）認(rèn)為在閃電的情況下亦可以導(dǎo)致相同后果。

國內(nèi)外關(guān)于飛機(jī)閃電防護(hù)的研究也比較多[1-7]，但針對民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電直接效應(yīng)符合性方法的相關(guān)研究資料較少。本文通過系統(tǒng)的分析和研究，給出一般民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)部件閃電直接效應(yīng)的符合性分析及驗(yàn)證方法。

1 適航要求

飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電直接效應(yīng)防護(hù)要求最初體現(xiàn)在§25.954條款，分別針對燃油箱結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)部件。依據(jù)條款可知，飛機(jī)燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局，必須防止由于閃電而點(diǎn)燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸氣。

TWA 800事故之后，美國聯(lián)邦航空局（FAA）認(rèn)為必須進(jìn)一步重視燃油箱內(nèi)的點(diǎn)火源防護(hù)，并基于§25.981條款頒布了一系列條令法案，如2001年4月18日同時(shí)頒布的SFAR88和FAR25-102修正案。

§25.981條款（修正案）字面本身沒有直接要求系統(tǒng)閃電防護(hù)，但閃電作為一種主要點(diǎn)火源類型，條款明確要求飛機(jī)燃油箱內(nèi)不能產(chǎn)生點(diǎn)火源，且各種失效模式下均不能產(chǎn)生點(diǎn)火源，尤其要考慮潛在失效情況。

2 指導(dǎo)文件

關(guān)于燃油系統(tǒng)閃電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)或驗(yàn)證相關(guān)的指導(dǎo)文件主要有：AC20-53B、AC25.981-1C、Lightning Direct Effects Handbook、MIL-1757A、ARP5412、ARP5414、ARP5416、RTCADO-160等[8-12]，如表1所示。

表1 燃油系統(tǒng)閃電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)或驗(yàn)證指導(dǎo)文件Tab.1 Protection design or verification handbook of fuel system lightning direct effect

其中與燃油系統(tǒng)部件閃電直接效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證或鑒定相關(guān)的指導(dǎo)文件為MIL-1757A、ARP5416、RTCA DO-160，目前MIL-1757A標(biāo)準(zhǔn)已作廢，更迭為ARP5416。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求有一定區(qū)別，如針對油箱內(nèi)燃油系統(tǒng)部件，MIL-1757A輸入電流為B波峰值達(dá)到2 500 A，而ARP5416輸入電流值參數(shù)應(yīng)由實(shí)際裝機(jī)環(huán)境確定。閃電防護(hù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對比如表2所示。

表2 閃電防護(hù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對比表Tab.2 Comparison of lightning test standards

ARP5416為系統(tǒng)或部件閃電符合性驗(yàn)證試驗(yàn)方法，而RTCA DO-160主要為部件環(huán)境鑒定試驗(yàn)方法，分別處于整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)的不同階段。

另外，由表2可知，燃油系統(tǒng)（油箱內(nèi)部件）閃電直接效應(yīng)試驗(yàn)鑒定，一般適用的是大電流傳導(dǎo)試驗(yàn)，4種典型的電流分量A、B、C、D組成了用于評估直接效應(yīng)的雷擊電流波形，如圖1所示。

圖1 ARP5412定義的A、B、C、D 4種電流波形Fig.1 Current waveform A，B，C，D defined in ARP5412

3 驗(yàn)證方法

通過參閱章節(jié)2.0中相關(guān)資料，歸納出一般飛機(jī)系統(tǒng)及部件的閃電防護(hù)驗(yàn)證流程，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)閃電直接效應(yīng)防護(hù)驗(yàn)證流程Fig.2 Protection validation flow chart for aircraft lightning direct effect

由圖2可知，在確定油箱內(nèi)閃電環(huán)境的方式上，一般有試驗(yàn)法和分析法兩種途徑，其中分析法又可分為仿真分析法和工程計(jì)算法，且一般部件級閃電鑒定試驗(yàn)可與系統(tǒng)級閃電試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行。

4 分析法

4.1 仿真法

由于閃電仿真法是基于軟件進(jìn)行的一種分析方法（如利用EMA3D軟件），其成本低廉，且省去試驗(yàn)驗(yàn)證的危險(xiǎn)性，一般分析結(jié)果也比較可靠，較適用驗(yàn)證處于設(shè)計(jì)初期的飛機(jī)。

通過查閱文獻(xiàn)[2]，國外關(guān)于燃油系統(tǒng)部件的閃電防護(hù)仿真分析研究方法，主要步驟如下：

1）首先選取一個(gè)典型油箱隔段，加工為真實(shí)試驗(yàn)件，進(jìn)行閃電試驗(yàn)，測量閃電特性參數(shù)，如圖3所示。

圖3 典型油箱隔段Fig.3 Typical fuel tank section

2）對該典型油箱隔段進(jìn)行仿真建模并分析，如圖4所示。

圖4 分析建模Fig.4 Analytical model

3）通過試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對比，修正仿真模型，保證其準(zhǔn)確性，如圖5所示。

4）基于小隔段仿真模型，拓展到整個(gè)機(jī)翼模型，然后進(jìn)行閃電分析，并得出結(jié)論，如圖6所示。

5）得出閃電特性參數(shù)后，按照ARP5416進(jìn)行部件級閃電鑒定試驗(yàn)。

4.2 工程計(jì)算法

圖5 試驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果對比Fig.5 Comparison of test and analytical results

圖6 整個(gè)機(jī)翼對象模型Fig.6 Analytical model for whole wing

根據(jù)閃電技術(shù)公司（LTI）專家RUPKE E于2002年初出版的“Lightning Direct Effects Handbook”[1]一書中10.3節(jié)，對于快速變化電流（A波和D波）分布的分析方法十分復(fù)雜，不宜工程計(jì)算，但如表3所示，對于B波和C波可進(jìn)行估算，即

其中：Ipipe為管路電流；A為波形電流。

表3 工程計(jì)算適用波形Tab.3 Applied current waveform in engineering calculation

例如，計(jì)算油箱內(nèi)燃油管路傳導(dǎo)電流值大小，如圖7所示，方法為選取一個(gè)典型機(jī)翼截面，計(jì)算機(jī)翼橫截面積，包括結(jié)構(gòu)盒段、前后緣、燃油系統(tǒng)管路的總橫截面積，然后得出管路橫截面積占總面積的比例，進(jìn)而將外部電流按比例進(jìn)行分配，從而得出管路流經(jīng)的電流值。

總之，工程計(jì)算法對于B波和C波可以通過工程計(jì)算法評估，但對于快速變化電流A波和D波的分布則不易進(jìn)行，故此方法存在一定局限性。

圖7 典型油箱結(jié)構(gòu)及燃油管路示意圖Fig.7 Typical sketch map of fuel tank and fuel tubes

5 試驗(yàn)法

依據(jù)國外飛機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及局方審查經(jīng)驗(yàn)，采取試驗(yàn)驗(yàn)證的辦法較為直接，且試驗(yàn)結(jié)果較有說服力，但是成本相對較高，且具有一定危險(xiǎn)性。通過試驗(yàn)法進(jìn)行燃油系統(tǒng)部件閃電驗(yàn)證的方法如下所述。

5.1 試驗(yàn)件選取

針對燃油系統(tǒng)部件的閃電防護(hù)試驗(yàn)，一般應(yīng)選取能夠代表燃油箱結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)組成的典型隔段，并且通過評估表明其外部閃電環(huán)境較為嚴(yán)酷，能夠較為保守地反映飛機(jī)真實(shí)雷電分布情況，然后進(jìn)行閃電試驗(yàn)。

依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，越靠近機(jī)翼外側(cè)閃電環(huán)境越嚴(yán)酷，且油箱越狹小，油箱內(nèi)管路或部件也越少，因此整體閃電工況較為苛刻。故一般閃電防護(hù)試驗(yàn)，選擇飛機(jī)外翼靠近翼尖附件的油箱系統(tǒng)隔段。

5.2 試驗(yàn)方法

由于燃油系統(tǒng)部件一般布置于閃電3區(qū)，故燃油系統(tǒng)閃電試驗(yàn)試驗(yàn)方法一般按SAE ARP5416內(nèi)章節(jié)7.3.3，做閃電3區(qū)傳導(dǎo)試驗(yàn)。主要程序如下：

1）試驗(yàn)電路（能產(chǎn)生SAE ARP5412和ARP5416要求的雷電環(huán)境）調(diào)試與接線；

2）在不透光的燃油箱隔艙內(nèi)，試驗(yàn)電極與試驗(yàn)件直接接觸，以接觸傳導(dǎo)的方式將沖擊電流導(dǎo)入試驗(yàn)件，依次應(yīng)用電流分量A、B、C和D，電流波形及分量值按SAE ARP5412；

3）用照相或可燃?xì)怏w爆炸法記錄試驗(yàn)件內(nèi)表面可能產(chǎn)生的火花，其中相機(jī)或者燃?xì)鈶?yīng)滿足ARP5416相關(guān)規(guī)定；

4）重復(fù)上述試驗(yàn)步驟3遍（ARP5416要求）。

5.3 試驗(yàn)判據(jù)

試驗(yàn)過程中，照相法檢測不到電火花或燃?xì)獗ǚú荒芤迹瑒t為通過；否則為不通過。

6 結(jié)語

通過參考相關(guān)咨詢通告及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)閃電直接效應(yīng)的相關(guān)適航驗(yàn)證進(jìn)行研究，給出幾種典型的符合性驗(yàn)證方法，如分析法和試驗(yàn)法，其中分析法又分為仿真分析法和工程計(jì)算分析法兩種。主要結(jié)論如下：

1）仿真法：利用仿真法確定油箱內(nèi)閃電環(huán)境，首先需建模分析，然后試驗(yàn)驗(yàn)證，一般結(jié)果比較可靠，物力成本低廉，且省去試驗(yàn)驗(yàn)證的危險(xiǎn)性，較適用驗(yàn)證處于設(shè)計(jì)初期的飛機(jī)。

2）工程計(jì)算法：對于B波和C波可通過工程計(jì)算法評估，但對于快速變化電流A波和D波的分布則不易進(jìn)行，即工程計(jì)算法存在一定局限性。

3）試驗(yàn)法：采取試驗(yàn)驗(yàn)證法，方法簡單、直接，且試驗(yàn)結(jié)果較有說服力，但成本相對較高，且具有一定危險(xiǎn)性。

[1]ED RUPKE.Lightning Direct Effects Handbook[K].Massachusetts：Lighting Technologies Inc，2002.

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[4]舒小華，周燕佩.航空器閃電與高強(qiáng)輻射場防護(hù)的適航審定[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2010（1）：45-47.

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（責(zé)任編輯：黃 月）

Verification method of lightning direct effect on civil aircraft fuel system components

ZHANG Bin，SONG Zhi-qiang，BIAN Gang，ZHOU Yu-sui
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，COMAC,Shanghai 201210，China）

As an important aspect of aircraft design，lightning protection for civil aircraft has attracted high attention in the aviation industry.The design and verification of the civil aircraft fuel system components lightning protection are mainly focused by FAA.The civil aircraft fuel system components direct lightning effect is researched according to related advisory circulars and standards，and several typical compliance analysis and verification methods are summed up，such as simulate analysis method，engineering calculation analysis method and test verification method.In addition，the application field for each method is summarized.

civil aircraft；fuel system；lightning；direct effection；verification method

V228

:A

:1674-5590(2015)01-0005-04

2013-09-03；

:2013-11-11

張斌（1984—），男，陜西榆林人，工程師，碩士，研究方向?yàn)槊裼蔑w機(jī)燃油惰化系統(tǒng)設(shè)計(jì).