民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)防火設(shè)計(jì)

謝孟愷

【摘 要】本文通過對(duì)適航條款的分析，提出液壓能源系統(tǒng)火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的必要性；進(jìn)而闡述液壓系統(tǒng)針對(duì)火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方案。為民機(jī)的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；液壓系統(tǒng)；火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)

【Abstract】This article proposes the necessity of preventing fire particular risk analysis for civil aircraft by analyzing the certification regulations， and then describes the hydraulic system design principle aim to fire particular risk analysis. This article provides the guidance to the civil aircraft engineering application.

【Key words】Civil aircraft； Hydraulic power system； Fire particular risk

不管是在飛行中還是在地面上，火災(zāi)對(duì)民用飛機(jī)而言是最危險(xiǎn)的威脅之一。民航失火是飛機(jī)使用、維護(hù)過程中發(fā)生次數(shù)最多的事故之一。很多民航發(fā)生事故時(shí)都伴有起火爆炸現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國民航飛機(jī)墜毀事故中由墜毀后起火燒死的人數(shù)占到了全部死亡人數(shù)的15%，而在那些撞擊可生存的事故中，燒死的比例更是高達(dá)約為40%。在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，始終致力于降低民用飛機(jī)火災(zāi)產(chǎn)生的可能性，及當(dāng)民用飛機(jī)發(fā)生火災(zāi)后，防止火災(zāi)擴(kuò)散，將火災(zāi)對(duì)飛機(jī)和乘客的影響降至最小。

民用飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)為飛機(jī)的安全飛行提供充足且可靠的能源保障。當(dāng)前的民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)普遍使用磷酸酯基液壓油，屬于可燃液體的范疇；又由于液壓用戶和液壓管路遍布民機(jī)的大部分區(qū)域，故針對(duì)火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是民用飛機(jī)防火設(shè)計(jì)的極其重要組成部分。本文將通過對(duì)適航條款的分析，提出液壓系統(tǒng)火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的必要性；進(jìn)而闡述液壓系統(tǒng)針對(duì)火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方案。

1 火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)的定義

燃燒是指易燃物與氧化劑作用發(fā)生的放熱反應(yīng)，通常伴有火焰、發(fā)光和（或）發(fā)煙現(xiàn)象。火災(zāi)是指時(shí)間和空間上失去控制的燃燒所造成的災(zāi)害。火災(zāi)/著火是由易燃材料、空氣和點(diǎn)火源三要素共同作用產(chǎn)生的。飛機(jī)上的各個(gè)區(qū)域中空氣通常都是存在的，因此應(yīng)對(duì)飛機(jī)上的易燃材料和點(diǎn)火源進(jìn)行控制，以降低火災(zāi)產(chǎn)生的可能性。

2 適航條款分析

CCAR和FAR第1435條“液壓系統(tǒng)”中的章程25.1435（b）（4）明確定義了采用可燃液壓流體的液壓能源系統(tǒng)需要滿足的要求：“如果使用了可燃性的液壓流體，需要達(dá)到第25.863條、第25.1183條、第25.1185條和第25.1189條的應(yīng)用要求?！蓖ㄟ^對(duì)第25.863條、第25.1183條、第25.1185條和第25.1189條的條款分析如下：

25.863章節(jié)認(rèn)為液壓能源系統(tǒng)需要增強(qiáng)部件和管路的耐火耐熱能力；減少液壓油和其蒸氣點(diǎn)燃的概率；需提供著火探測設(shè)備和相關(guān)報(bào)警；加裝防火切斷閥。

25.1183章節(jié)認(rèn)為液壓能源系統(tǒng)元件不能位于火區(qū)，如果位于火區(qū)必須能夠防火。

25.1185章節(jié)針對(duì)液壓油，要求其容器不能位于火區(qū)內(nèi)。

25.1189章節(jié)提供了加裝防火切斷閥的要求。

除了25.1435“液壓系統(tǒng)”中關(guān)于火災(zāi)的相關(guān)要求外，章程25.869“系統(tǒng)防火”和25.981“燃油箱點(diǎn)燃防護(hù)”也對(duì)液壓能源系統(tǒng)的防火提出要求。

25.863章節(jié)認(rèn)為位于指定火區(qū)內(nèi)的導(dǎo)管和接頭必須是防火的。

25.981章節(jié)認(rèn)為布置在燃油箱內(nèi)的液壓導(dǎo)管溫度低于燃油的最低自燃溫度，液壓系統(tǒng)采取措施避免各種狀況導(dǎo)致液壓系統(tǒng)產(chǎn)生點(diǎn)火源。

3 液壓能源系統(tǒng)防火災(zāi)設(shè)計(jì)

3.1 液壓能源系統(tǒng)元件級(jí)防火設(shè)計(jì)

液壓能源系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中考慮預(yù)防火災(zāi)及火災(zāi)擴(kuò)大的影響。元件級(jí)的相關(guān)設(shè)計(jì)有：

無擴(kuò)口接頭：現(xiàn)今民用飛機(jī)液壓導(dǎo)管采用可拆卸接頭基本為無擴(kuò)口接頭，泄漏率極低，約為10-6量級(jí)，加上平時(shí)的維修檢測，將液壓導(dǎo)管泄漏的可能性大大降低，幾乎認(rèn)為不存在泄漏的可能。

電搭接：通過搭接使得飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)設(shè)備、管路與飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間提供穩(wěn)定的低阻抗電氣通路，防止它們之間產(chǎn)生電磁干擾電平，提供電源電流返回通路，是防電擊、靜電防護(hù)、雷電防護(hù)的必要措施，進(jìn)而避免火災(zāi)的產(chǎn)生。

防火切斷閥：用來切斷液壓油防止其流入或流過任何指定火區(qū)。防火切斷閥自身必須是防火的，或者必須安置和防護(hù)得使火區(qū)內(nèi)的任何著火不會(huì)影響其工作；其切斷動(dòng)作不得影響其它設(shè)備（諸如螺旋槳順槳裝置）以后的應(yīng)急使用；防火切斷閥關(guān)閉后，不得有危險(xiǎn)量的可燃液體排入任何指定火區(qū)，避免液壓油進(jìn)入火災(zāi)范圍造成火災(zāi)擴(kuò)散；必須有措施防止切斷裝置被誤動(dòng)；防火切斷閥的安裝位置必須使動(dòng)力裝置或發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的結(jié)構(gòu)破損不會(huì)影響該閥工作；防火切斷閥必須具有釋放聚積過大壓力的措施。

熱保險(xiǎn)接頭：熱保險(xiǎn)接頭一般直接安裝在液壓油箱的回油口上，用于避免液壓系統(tǒng)過熱的油液通過燃油箱時(shí)可能點(diǎn)燃燃油蒸汽的危險(xiǎn)，為液壓系統(tǒng)提供獨(dú)立的防止系統(tǒng)過熱的冗余方法。當(dāng)液壓油溫度超過設(shè)定閥值時(shí)，低熔點(diǎn)的金屬會(huì)融化，從而將過熱的液壓油排放至機(jī)體外，避免火災(zāi)的發(fā)生。

熱交換器：民機(jī)液壓能源系統(tǒng)多采用被動(dòng)冷卻方式，即在液壓系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)的熱交換器。液壓能源系統(tǒng)通過熱交換器對(duì)液壓泵的殼體回油管路與燃油箱燃油進(jìn)行被動(dòng)冷卻換熱的方式，交換耗散液壓泵的低效率帶來的系統(tǒng)熱量，減少油液過熱的可能。熱交換器的散熱區(qū)域大小根據(jù)熱模擬分析結(jié)果確定。

3.2 液壓能源系統(tǒng)級(jí)防火設(shè)計(jì)

由于液壓管路遍布全機(jī)的大多數(shù)區(qū)域，并且在燃油箱中存在布置。過熱的液壓油極易造成液壓元件的密封圈失效進(jìn)而導(dǎo)致液壓油泄漏，同時(shí)過熱的液壓油也會(huì)成為燃油箱火災(zāi)的重大隱患，故液壓能源系統(tǒng)合理的溫度主動(dòng)控制方案是防火設(shè)計(jì)的重要組成部分。

首先必須確定影響民機(jī)液壓系統(tǒng)溫度的主要因素，結(jié)合飛行剖面和液壓系統(tǒng)布局進(jìn)行分析，考察了液壓泵的容積效率、環(huán)境溫度和管道散熱對(duì)大型客機(jī)液壓系統(tǒng)溫度的影響，取得了大型客機(jī)在全飛行剖面下液壓系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)溫度分布，并提出了合理的溫度主動(dòng)控制方案。溫度主動(dòng)控制方案合理地設(shè)置溫度傳感器的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓能源系統(tǒng)的溫度監(jiān)控，通過設(shè)定溫度控制閥值，結(jié)合機(jī)組告警對(duì)液壓系統(tǒng)超溫狀態(tài)和火災(zāi)狀態(tài)采取相應(yīng)措施，避免火災(zāi)和火災(zāi)擴(kuò)散的可能性。

圖1為某機(jī)型1#液壓能源系統(tǒng)溫度主動(dòng)控制方案簡圖。從中可以看出隨著液壓能源系統(tǒng)的溫度升高，機(jī)組提示開始為系統(tǒng)高溫“HI TEMP”，溫度繼續(xù)升高時(shí)則提示系統(tǒng)過熱“OVERHEAT”，相應(yīng)的駕駛員操作提示為要求飛行員關(guān)閉電動(dòng)泵和關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵（如無發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵切斷功能，則關(guān)閉防火切斷閥）；同時(shí)在溫度的上升過程中，如駕駛員沒有采取手動(dòng)控制，液壓系統(tǒng)會(huì)依次自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)泵和防火切斷閥，當(dāng)采取上述措施無法使系統(tǒng)降溫時(shí)，位于液壓油箱處的熱保險(xiǎn)接頭將熔斷，將過熱的液壓油排至機(jī)體之外，系統(tǒng)出現(xiàn)油量低的信號(hào)“LOQTP”，飛機(jī)將失去1#液壓能源系統(tǒng)的液壓能。

3.3 液壓能源系統(tǒng)飛機(jī)級(jí)防火設(shè)計(jì)

根據(jù)飛機(jī)各個(gè)不同區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)情況，對(duì)全機(jī)進(jìn)行防火區(qū)域劃分，以國外某民用180座機(jī)型為例，將防火區(qū)域歸類為指定火區(qū)、臨近指定火區(qū)、可燃液體泄漏區(qū)、易燃區(qū)、和非危險(xiǎn)區(qū)五類防火區(qū)域。其中布置有液壓能源系統(tǒng)元件和管路的區(qū)域只涉及表1中深灰色背景的區(qū)域。

3.3.1 指定火區(qū)

指定火區(qū)是指按照CCAR 25.1181定義的飛機(jī)區(qū)域，液壓能源系統(tǒng)全機(jī)布置安裝涉及到指定火區(qū)的區(qū)域?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)短艙，區(qū)域內(nèi)安裝有液壓管路及系統(tǒng)部件發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵。

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)的液壓導(dǎo)管材料需采用21-6-9不銹鋼材質(zhì)，其具有耐高溫特性，最大限度地保證在發(fā)生火災(zāi)特定風(fēng)險(xiǎn)時(shí)油液傳輸特性；發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵依據(jù)CCAR 25.869的規(guī)定設(shè)計(jì)為耐火的以滿足短艙的熱環(huán)境。液壓安裝區(qū)域需設(shè)計(jì)為通風(fēng)冷卻區(qū)域，區(qū)域內(nèi)設(shè)置有防火探測及滅火管，確保發(fā)生火災(zāi)時(shí)及時(shí)地采取相關(guān)滅火措施。

3.3.2 鄰近指定火區(qū)

鄰近指定火區(qū)是指定火區(qū)的鄰近區(qū)域，液壓能源系統(tǒng)全機(jī)布置安裝涉及到鄰近指定火區(qū)的區(qū)域?yàn)榈鯍靺^(qū)域和尾艙區(qū)域（除APU艙以外的尾艙區(qū)域）。吊掛區(qū)域布置有防火切斷閥和管路；尾艙區(qū)域布置有液壓系統(tǒng)元件及管路。

鄰近指定火區(qū)與指定火區(qū)的分界面上采用防火墻區(qū)域進(jìn)行隔離，有效隔離指定火區(qū)發(fā)生的火災(zāi)特定風(fēng)險(xiǎn)，阻止火區(qū)蔓延至吊掛和尾艙區(qū)域。

吊掛區(qū)域應(yīng)設(shè)計(jì)為通風(fēng)區(qū)域，避免可燃液體蒸氣聚集；吊掛區(qū)域需設(shè)計(jì)排液管路，有效地排放由于滲漏產(chǎn)生的可燃液體，極大地降低了火災(zāi)擴(kuò)大的可能性。吊掛區(qū)域液壓導(dǎo)管材料設(shè)計(jì)為21-6-9不銹鋼材質(zhì)，具有耐高溫特性，最大限度地保證在發(fā)生火災(zāi)時(shí)油液傳輸特性。防火切斷閥位于吊掛后緣區(qū)域，其上方應(yīng)不能存在其他液壓管路，減小易燃液體直接噴射或泄漏到電子電氣設(shè)備的可能。短艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如沒有采取滅火措施至火災(zāi)蔓延，過熱油液回流至液壓油箱將觸發(fā)液壓系統(tǒng)過熱報(bào)警，位于吊掛處的防火切斷閥將切斷通往發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的液壓油通路，減小火災(zāi)蔓延可能性。

尾艙區(qū)域應(yīng)設(shè)計(jì)為通風(fēng)區(qū)域，避免可燃液體蒸氣聚集；另尾艙區(qū)域空間較大，液壓元件和管路與APU艙的間距需要滿足大于要求的13mm間隙；結(jié)構(gòu)底板需設(shè)計(jì)排液孔，有效地排放由于滲漏產(chǎn)生的可燃液體，極大地降低了火災(zāi)擴(kuò)大的可能性。使用定位分析盡量減小易燃液體直接噴射或泄漏到電子電氣設(shè)備中的可能；此區(qū)域存在電動(dòng)泵，故在電動(dòng)泵中需設(shè)置過熱/過電流切斷功能，減小成為點(diǎn)火源的可能。

3.3.3 易燃區(qū)域

易燃區(qū)指正常使用期間，存在易燃液體或蒸氣，但無點(diǎn)燃源的區(qū)域。液壓能源系統(tǒng)全機(jī)布置安裝涉及到易燃區(qū)域的有中央翼區(qū)域和機(jī)翼盒段區(qū)域，液壓能源系統(tǒng)在此區(qū)域布置液壓管路。

中央翼及機(jī)翼翼盒區(qū)域?qū)儆谌加拖浞懂?，?jīng)過惰化后的燃油箱不存在點(diǎn)火源；液壓管路在進(jìn)出入燃油箱必須進(jìn)行了嚴(yán)格的密封措施，防止可燃液體及蒸氣外溢；燃油箱內(nèi)全部液壓管路采用永久接頭，降低液壓油泄漏概率；此外液壓管路在燃油箱內(nèi)需進(jìn)行切實(shí)有效的電搭接，盡可能避免閃電效應(yīng)帶來點(diǎn)火源的可能。

3.3.4 可燃液體泄漏區(qū)

易燃液體泄漏區(qū)，指在使用期間，由于某種失效或滲漏，預(yù)計(jì)出現(xiàn)易燃液體或蒸氣的區(qū)域，但無潛在點(diǎn)火源。液壓能源系統(tǒng)安裝布置涉及到可燃液體泄漏區(qū)的有RAT艙、前起落架艙、主起落架艙、垂尾、平尾、翼身整流罩、機(jī)翼前緣和機(jī)翼后緣。液壓能源系統(tǒng)在翼身整流罩布置有絕大部分系統(tǒng)元件；在其他區(qū)域只布置有液壓管路。上述區(qū)域需設(shè)計(jì)為非密封區(qū)域，可以有效地避免可燃液體蒸氣聚集；液壓系統(tǒng)元件及管路布置相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)需設(shè)置了排液孔，有效地排放由于滲漏產(chǎn)生的可燃液體，并能防止排液進(jìn)入飛機(jī)的其他區(qū)域，極大地降低了火災(zāi)擴(kuò)大的可能性。使用定位分析盡量減小易燃液體直接噴射或泄漏到電子電氣設(shè)備中的可能。由于翼身整流罩區(qū)域存在電動(dòng)泵，故在電動(dòng)泵中需設(shè)置過熱/過電流切斷功能，減小其成為點(diǎn)火源的可能。

3.3.5 非危險(xiǎn)區(qū)

非危險(xiǎn)區(qū)指載有機(jī)組或旅客和（或）裝有電氣或電子設(shè)備的區(qū)域，易燃液體及其蒸氣應(yīng)與此類區(qū)域隔絕。液壓能源系統(tǒng)安裝布置涉及到非危險(xiǎn)區(qū)的有中E-E艙、后貨艙、散貨艙、水/廢水艙，液壓能源系統(tǒng)在此區(qū)域布置有液壓管路。

液壓系統(tǒng)管路在非危險(xiǎn)區(qū)的布置遵循盡可能少布置的原則，減少火災(zāi)蔓延的可能性；管路布置相關(guān)區(qū)域的結(jié)構(gòu)需設(shè)置了排液孔，有效地排放由于滲漏產(chǎn)生的可燃液體，并能防止排液進(jìn)入飛機(jī)的其他區(qū)域，極大地降低了火災(zāi)擴(kuò)大的可能性。

4 結(jié)語

火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)作為飛機(jī)飛行安全的潛在危險(xiǎn)，日益受到航空業(yè)界和適航當(dāng)局的高度重視。本文通過對(duì)適航條款的分析，提出液壓能源系統(tǒng)火災(zāi)特殊風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的必要性；進(jìn)而闡述液壓系統(tǒng)針對(duì)火災(zāi)的設(shè)計(jì)方案。為民機(jī)的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張瑞華.民機(jī)液壓能源系統(tǒng)防火安全性適航條款符合性分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（5）.

[責(zé)任編輯：王楠]