一種民機氧氣系統(tǒng)的區(qū)域安全性設計方法

湯旭　劉斌慧

【摘 要】對某機型氧氣系統(tǒng)區(qū)域安全性進行分析和論述，形成了一套可行的解決方案，并以此表明氧氣系統(tǒng)的安全性設計對§25.869c3條款的符合性。

【關(guān)鍵詞】氧氣系統(tǒng)；區(qū)域安全性；§25.869c3

【Abstract】This paper analyzed and discussed the process of safety design and assessment for civil aviation aircraft oxygen system according to SAEARP4761， then indicated the compliance of §25.1309 to system safety design。

【Key words】Oxygen System； Zone Safety； §25.869c3

0 概述

氧氣自身不可燃，但是支持燃燒。大多數(shù)物質(zhì)包括金屬在純氧或富氧環(huán)境中都會猛烈燃燒。油、脂以及被油、脂污染的物質(zhì)出現(xiàn)在富氧環(huán)境中是非常危險的，因為這些物質(zhì)極易被點燃，燃燒會伴以猛烈的爆炸。當空氣中的氧濃度增加時，潛在的火災威脅也隨之增加。當空氣中氧濃度超過23%時，火災的威脅使得情況變得非常危險。由于氧氣密度高于空氣，氧氣會聚積在低洼的區(qū)域，形成富氧區(qū)。因此適航規(guī)章§25.869系統(tǒng)防火（c）（3）條款規(guī)定氧氣設備和管路的安裝必須使得所漏出的氧氣不致點燃正常工作時存在的或因任何系統(tǒng)失效或故障而聚積的油脂、油液或蒸汽。

某型號飛機實施機上區(qū)域安全性檢查中發(fā)現(xiàn)，前貨艙右側(cè)三角區(qū)域內(nèi)安裝的機組氧氣瓶組件附近安裝有大量電纜且距離太近，區(qū)域通風不夠理想，存在共因故障隱患，即電纜產(chǎn)生的電火花和泄漏的氧氣，可能會引起燃燒。

1 更改必要性

1.1 該型號飛機前貨艙右側(cè)三角區(qū)通風描述

客艙右側(cè)空氣流向前貨艙右側(cè)三角區(qū)，釋放的氧氣被稀釋。由于空氣管理系統(tǒng)位于前貨艙后檔板后部的排氣活門的作用，前貨艙左側(cè)三角區(qū)的空氣壓力要低于右側(cè)三角區(qū)的空氣壓力。前貨艙右側(cè)三角區(qū)的空氣可分別從前貨艙前擋板前部、前貨艙頂壁板與客艙地板之間流通到前貨艙左側(cè)三角區(qū)，然后到達前貨艙后擋板后面的排氣活門處，最終排放到機外。圖1為前貨艙右側(cè)三角區(qū)空氣流通示意圖。

1.2 前貨艙右側(cè)三角區(qū)氧氣濃度計算

巡航高度39000ft時，客艙溫度為18℃～32℃調(diào)節(jié)，通常為24℃?？团搩?nèi)壓力高度為2400m，即75634.3Pa，經(jīng)計算得密度0.887kg/m3。根據(jù)該型號飛機空調(diào)系統(tǒng)流量制度，在正常情況下，通往客艙的新風量最低為每位乘客260g/min。按85名乘客，3名乘務員計算，通往客艙總新風量最低為22.88kg/min，體積流量為25.8×103L/min。

成年人（安靜時）每分鐘耗氧量為200～300ml。按每分鐘耗氧量為250ml，客艙總?cè)藬?shù)88人計算，客艙總耗氧量為22L/min。

客艙流出的空氣含氧量Cc=（25.8×103×21%-22）/24800=20.9%。

空勤氧氣瓶容積為1435L-NTPD，13.8psig，21℃。前貨艙右側(cè)三角區(qū)的有效容積為706L。客艙通往右側(cè)三角區(qū)的流量為24L/s。低壓超壓時調(diào)節(jié)器釋放氧氣流量最大為3L/s。

注：氧氣系統(tǒng)管路設計均按成熟工業(yè)標準設計制造，此處進行氧氣泄漏計算時不考慮管路斷裂、接口脫落等情況，氧氣泄漏流量按較大可能發(fā)生的低壓超壓故障模式下的泄漏量3L/s計算。

假定低壓超壓釋放后，空勤氧氣瓶內(nèi)1435L的純氧全部通過調(diào)節(jié)器釋放通道排放到前貨艙右側(cè)三角區(qū)內(nèi)，該過程持續(xù)時間t=1435/3=478s。設三角區(qū)空氣含氧量的初始狀態(tài)為C0，第n秒后前貨艙右側(cè)三角區(qū)空氣含氧量為Cn。則

C0=20.9%（即客艙流出的空氣含氧量）；

Cn=[3+24×0.209+（706-24-3）×Cn-1]/706

經(jīng)過迭代計算，在478s后該區(qū)域空氣含氧量達到最大值29.7%。隨后氧氣濃度開始降低。

1.3 前貨艙右側(cè)三角區(qū)通風情況分析

根據(jù)計算，在原先的設計中一旦發(fā)生氧氣泄漏，前貨艙右側(cè)三角區(qū)的空氣含氧量可達到29.7%。若此時電纜產(chǎn)生電火花，在富氧的情況下極易引起燃燒，從而導致火災甚至災難性的事件發(fā)生。該型號飛機前貨艙三角區(qū)的通風設計不能有效消除氧氣釋放在三角區(qū)的安全隱患。

2 設計方案描述

在高壓氧氣系統(tǒng)組件（包括氧源）所處的艙內(nèi)，應該有足夠的通風條件以保證泄漏氧氣的快速稀釋。同時這種艙也應對液體或其它可能導致火災危險的物體引發(fā)的污染加以足夠的防護。

對機組氧氣瓶組件加裝保護罩，保護罩采用絕緣材料，隔離機組氧氣組件和三角區(qū)電纜；機組氧氣瓶保護罩設計成密閉艙（即氧氣艙），使機組氧氣瓶組件、地面充氧服務面板、高壓管路及附件均包含在氧氣艙內(nèi)。

密閉絕緣的氧氣艙上設計？覬30mm的進氣孔，并安裝一個帶橡膠墊的單向閥，保證貨艙三角區(qū)內(nèi)的空氣流入氧氣艙而不會發(fā)生回流。在飛機座艙壓力大于外界環(huán)境壓力11mb（地面預增壓壓力差值）的情況下，單向閥能打開。地面充氧服務面板上設計？覬10mm排氣孔，排氣孔內(nèi)側(cè)安裝一個節(jié)流降壓的消音器，可以用來減弱氣體排放產(chǎn)生的嘯叫。原理圖見圖2。

該方案有幾個細節(jié)需要注意：

1）該開孔將增大全機漏氣量，應綜合考慮最大允許的全機漏氣量指標，并評估對壓調(diào)系統(tǒng)的影響；

2）地面充氧服務面板的口蓋上設計相應的通氣孔，保證氣體不在地面充氧服務面板與口蓋之間積聚。建議該通氣孔位于地面充氧服務面板上的排氣孔下方并與之盡量遠離，可防止水倒流進氧氣艙內(nèi)；

3）穿過氧氣艙壁板的低壓管路和氧氣設備電纜與氧氣艙相交處需進行密封穿墻處理；

4）氧氣艙壁板上需要設計維護口蓋，便于機組氧氣瓶的勤務和安裝拆卸。

3 計算與驗證

使用MATLAB軟件初步對該型號飛機氧氣艙內(nèi)壓力在各個飛行高度上進行分析和計算。計算建模如圖3和圖4所示。選取4個飛行高度進行計算，分別是10000ft、25000ft、35000ft和39500ft。

氧氣艙內(nèi)壓力P2取決于氧氣艙內(nèi)空氣量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，供入與排出氧氣艙的空氣量相等：

G1=G3（1）

其中G1、G3分別為穩(wěn)態(tài)時氧氣艙內(nèi)的供氣流量、排氣流量。

其中：

μ，系數(shù)，取0.95；

F，面積，單位m2；

Tc，艙內(nèi)溫度，單位K，取297.15K；

Pc，艙內(nèi)壓力，單位mba；

Ph，環(huán)境壓力，單位mba。

軟件計算時，下列數(shù)值已知：

Pc和Ph分別見表1中P1和P3；

氧氣艙有效容積V；

氧氣艙進口有效面積F1；

氧氣艙出口有效面積F3。

軟件計算得表1中G1、G3、P2和△P，可知△P值均大于零，初步表明氧氣艙排氣出口處的氣流可以順利排出機外。

上述計算是通過前貨艙三角區(qū)壓力P1和氧氣艙排氣出口處壓力P3來計算不同飛行狀態(tài)的氧氣艙空氣流量和壓力。其中，P1根據(jù)壓調(diào)系統(tǒng)的工作條件給定，P3假設等于遠前方來流靜壓。這種計算方法是不完善的，其結(jié)果只能作估算使用。在實際飛行過程中，飛機蒙皮表面各個位置的壓力并不相同，并且隨飛行狀態(tài)改變。不同位置的壓力變化規(guī)律和變化范圍與該位置和飛行狀態(tài)兩者都有密切關(guān)系。為了較為準確地計算氧氣艙的進氣流量和排氣流量，還需要采用工程估算、CFD方法或者風洞試驗，給出氧氣艙排氣出口處的壓力隨飛行高度、速度和攻角等飛行狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律和變化范圍，以此評估氧氣艙排氣出口處的氣流能否順利排出機外。該型號飛機通過不同高度下部分典型飛行工況的CFD計算，表明了氧氣艙的氣體能夠順利排出機外。

此外，基于上述計算該型號飛機還進行了氧氣艙排氣功能試飛。通過對氧氣艙加裝一個量程（0-5）kPa，精度±0.25%FS的差壓傳感器，在整個飛行過程中采集氧氣艙內(nèi)消音器進口附近與前貨艙右側(cè)三角區(qū)壓差。并對9000ft飛行高度、以0.5Ma速度巡航，25000ft飛行高度、以0.67Ma速度巡航，30000ft飛行高度、以0.78Ma速度巡航的三個高度下典型飛行工況進行考核。試飛結(jié)果分別見圖5和表2。

通過飛行試驗表明，在飛行過程中，氧氣艙排氣孔附近與前貨艙右側(cè)三角區(qū)存在壓差，機組氧氣瓶泄漏在氧氣艙內(nèi)的氧氣將無法聚積，會通過排氣孔正常排氣，氧氣艙的排氣功能正常。

4 總結(jié)

該型號飛機通過加裝絕緣密閉的氧氣艙，從空間上隔離了高壓氧氣設備與潛在點火源，并可保證氧氣泄漏后迅速排放到機外的設計措施，符合25.1309（b）（d）和25.869（c）（3）的要求。

盡管該設計顯著降低了航線運行時可能由于高壓氧氣系統(tǒng)泄漏發(fā)生危險性事件的可能性，但在一定程度上降低了氧氣系統(tǒng)的維修性，造成航空公司使用和維護的不便。同時，各航空公司仍需要對氧氣系統(tǒng)使用及維護相關(guān)的人員進行深入的安全意識及安全性能培訓，提高他們對氧氣系統(tǒng)風險性的認識，規(guī)范氧氣系統(tǒng)風險性的認識，規(guī)范氧氣系統(tǒng)使用和維護的方法，從而避免事故的發(fā)生。

【參考文獻】

[1]中國民用航空規(guī)章第25部：運輸類飛機適航標準[S].

[責任編輯：湯靜]