飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰飛行試驗(yàn)技術(shù)

韓斌

中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089

航空燃油中的水污染是一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象。對(duì)于大型運(yùn)輸類飛機(jī)，因其飛行任務(wù)剖面和燃油系統(tǒng)特點(diǎn)等多方面因素的影響，使油箱燃油中的水分存在結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)，危及飛行安全。

燃油系統(tǒng)結(jié)冰所導(dǎo)致的災(zāi)難性飛行事故在國際航空史上有多次記錄。1958年，在美國南達(dá)科他州，一架大型飛機(jī)由于供油管路存在結(jié)冰現(xiàn)象，從而導(dǎo)致三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失去動(dòng)力而失事[1]。2008年1月，一架隸屬于英國航空公司的國際航班在經(jīng)歷10多個(gè)小時(shí)飛行后，在飛抵英國希思羅機(jī)場(chǎng)降落前，左右兩翼發(fā)動(dòng)機(jī)均突然失效，飛機(jī)迫降在距離跑道大約150m的地方。調(diào)查認(rèn)為是由于飛機(jī)出現(xiàn)了燃油結(jié)冰的狀況，阻塞了發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與適航標(biāo)準(zhǔn)的符合性最終需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，過度寬松的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)無法充分驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性，過于嚴(yán)格的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)又將導(dǎo)致過度設(shè)計(jì)，增加研制成本，甚至難以獲得滿足適航標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)冰對(duì)燃油系統(tǒng)的影響較為復(fù)雜，試驗(yàn)中影響因素眾多，結(jié)冰形成的過程具有一定的不確定性，而且飛行試驗(yàn)驗(yàn)證方法不成熟。國外對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)較早，對(duì)其成因和作用機(jī)理開展了很多研究工作，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和地面臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證方法上都有比較完整的體系支撐，雖然有關(guān)燃油結(jié)冰試驗(yàn)的公開資料比較少見，但是根據(jù)國外航空業(yè)的發(fā)展情況，從側(cè)面不難看出設(shè)計(jì)和試驗(yàn)體系是比較成熟的且為適航權(quán)威機(jī)構(gòu)所認(rèn)可的。國內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域關(guān)注相對(duì)較晚，對(duì)于燃油結(jié)冰現(xiàn)象尚屬于摸索階段，在某型支線客機(jī)研發(fā)過程中，為了取得適航認(rèn)證，委托國外專業(yè)機(jī)構(gòu)承擔(dān)燃油結(jié)冰地面臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。隨后，國內(nèi)某試飛機(jī)構(gòu)開展了關(guān)于航空燃油飽和狀態(tài)水含量的相關(guān)研究，同時(shí)開展了燃油飽和狀態(tài)制備技術(shù)探索。隨著國內(nèi)運(yùn)輸類飛機(jī)的迅速發(fā)展，迫切需要研究合適的燃油結(jié)冰飛行試驗(yàn)方法和試驗(yàn)手段等問題。本文在燃油結(jié)冰現(xiàn)象理解的基礎(chǔ)上，對(duì)影響試驗(yàn)的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，通過開展燃油系統(tǒng)結(jié)冰飛行試驗(yàn)，獲得真實(shí)有效的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于今后形成燃油系統(tǒng)結(jié)冰飛行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

1 航空燃油中的水分

1.1 航空燃油中水的來源

飛機(jī)在服役期間，有多個(gè)環(huán)節(jié)都有可能導(dǎo)致水分進(jìn)入燃油箱。第一，油料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存過程中帶入微量的水分，向飛機(jī)油箱加注時(shí)進(jìn)入燃油箱，燃油加注到飛機(jī)油箱之前，應(yīng)經(jīng)過二級(jí)過濾，使進(jìn)入的水量得以控制，按照標(biāo)準(zhǔn)要求經(jīng)過過濾的燃油中含有的游離水不得超過15ppm；第二，飛機(jī)在地面長時(shí)間停放，晝夜溫差變化使燃油箱內(nèi)外產(chǎn)生壓差，再平衡過程中發(fā)生的氣體流動(dòng)，使外界環(huán)境中的水汽進(jìn)入油箱，隨時(shí)間積累沉積在油箱低點(diǎn)；第三，大氣壓力隨海拔高度的梯度分布，使飛機(jī)下降過程中，為配平燃油箱內(nèi)外壓力差而發(fā)生的氣體流動(dòng)，外界大氣沿通氣系統(tǒng)進(jìn)入燃油箱。

平衡燃油箱內(nèi)外壓差時(shí)進(jìn)入油箱的水量受多種因素影響，其中最主要的因素包含：燃油箱內(nèi)外壓差大小、燃油箱體積、外界大氣含水量等。進(jìn)入油箱的水量與油箱內(nèi)外壓差、燃油箱體積和大氣含水量成正比。因此，受油箱壓力平衡效應(yīng)的影響，具有較大油箱容積的運(yùn)輸類飛機(jī)更易于面臨燃油結(jié)冰的問題。

1.2 水在航空燃油中的存在形態(tài)

根據(jù)水分在燃油中的存在形態(tài)，可以將其主要分為兩種類型：溶解水和非溶解水。非溶解水根據(jù)其體積大小又可以分為游離水和懸浮水。游離水通常是指由于聚集而沉淀在油箱底部的水，它與燃油由一個(gè)連續(xù)界面分開。懸浮水是指以微小顆粒狀懸浮于燃油中的小水珠[2]。

燃油中溶解水的量主要取決于燃油的溫度和水在燃油中的溶解度，溶解水相對(duì)油箱燃油中潛在的總水含量只是一小部分。游離水受到機(jī)械擾動(dòng)或者溶解水由于燃油溫度降低析出均可能形成懸浮水。懸浮水經(jīng)長時(shí)間靜置將會(huì)沉積下來并在油箱底部低點(diǎn)匯聚成游離水。燃油中的水分會(huì)隨著溫度變化而導(dǎo)致其存在形態(tài)的變化。通常認(rèn)為，在略低于水的冰點(diǎn)附近，燃油中的水分開始形成冰晶，溫度進(jìn)一步降低，冰晶開始易于附著而在油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成冰，當(dāng)溫度低到一定程度，燃油中冰晶變大，對(duì)濾網(wǎng)、過濾器和節(jié)流孔等細(xì)隙構(gòu)成一定影響。

2 適航條款及驗(yàn)證方法

為了解決燃油中水分結(jié)冰的情況，在飛機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用維護(hù)時(shí)，會(huì)采取相應(yīng)的措施，比如，第一種在飛機(jī)加油車上安裝水分過濾裝置，降低隨加注燃油而進(jìn)入飛機(jī)油箱的水分；第二種在飛機(jī)各組油箱較低的位置布置除水裝置，將水分帶入供油系統(tǒng)并由發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒掉，并設(shè)置放沉淀閥，定期排放油箱內(nèi)聚集的水分；第三種對(duì)供油系統(tǒng)所帶有油濾裝置的，應(yīng)設(shè)計(jì)旁路，在油濾堵塞的情況下打開旁路，降低供油中斷的可能性。以上方法均可以在一定程度上緩解水分對(duì)燃油系統(tǒng)的影響，但是，并不能從根本上消除燃油系統(tǒng)結(jié)冰的危害。

由中國民用航空局頒布的CCAR25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.951（c）條款規(guī)定了燃油系統(tǒng)結(jié)冰要求，條款規(guī)定“用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油系統(tǒng)在使用下述狀態(tài)的燃油時(shí)，必須能夠在其整個(gè)流量和壓力范圍內(nèi)持續(xù)工作：燃油先在27℃（80℉）時(shí)用水飽和，并且每10L燃油含有所添加的2mL游離水（每1美加侖含0.75mL），然后冷卻到在運(yùn)行中很可能遇到的最臨界結(jié)冰條件?！盵3]在GJB2022《飛機(jī)燃油系統(tǒng)安裝和試驗(yàn)要求》中第4.15項(xiàng)“燃油系統(tǒng)結(jié)冰”的一般要求，“燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮避免系統(tǒng)中出現(xiàn)結(jié)冰的部位，或結(jié)冰對(duì)系統(tǒng)工作不造成危害。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)為27℃含飽和水分的燃油，在燃油溫度低至-11℃及飛行中可能達(dá)到的最低溫度時(shí)，燃油系統(tǒng)應(yīng)能正常工作。在上述溫度條件下，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)燃油含有0.2mL/L的游離水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)在不危及飛機(jī)安全的情況下連續(xù)工作，至少應(yīng)滿足飛行中所需的發(fā)動(dòng)機(jī)最小功率狀態(tài)下，維持不少于30min供油?！盵4]

由于通過飛行試驗(yàn)進(jìn)行燃油結(jié)冰試驗(yàn)評(píng)估具有相當(dāng)?shù)碾y度和風(fēng)險(xiǎn)，并且CCAR25部第25.952條（a）款規(guī)定“必須用分析和適航當(dāng)局認(rèn)為必要的試驗(yàn)”表明其符合性，國內(nèi)外運(yùn)輸類飛機(jī)在適航認(rèn)證過程中也采用分析方法再輔以部件試驗(yàn)和系統(tǒng)級(jí)臺(tái)架試驗(yàn)來表明符合條款要求也是被認(rèn)可的。系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)試驗(yàn)方法多以美國自動(dòng)化機(jī)械工程協(xié)會(huì)SAE ARP1401和SAE AIR790C為指導(dǎo)，并為業(yè)界所廣泛接受，其方法見表1[5]。

參考適航當(dāng)局對(duì)條款的解釋，一般認(rèn)為結(jié)冰試驗(yàn)本質(zhì)上是為了防止燃油系統(tǒng)供油的中斷，而不是要求工作不受到任何限制，因此該項(xiàng)條款的合格判據(jù)是系統(tǒng)能夠“持續(xù)”工作，而不是“連續(xù)”工作，即只要求燃油系統(tǒng)的工作在能夠保證安全飛行所需的功率下維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

表1 燃油系統(tǒng)結(jié)冰實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)狀態(tài)表Table 1 Test conditions for fuel system icing rig simulating test

3 燃油結(jié)冰試驗(yàn)用油的制備

燃油結(jié)冰試驗(yàn)時(shí)燃油中的水含量等級(jí)直接影響試驗(yàn)結(jié)果，燃油飽和狀態(tài)下水含量δT與溫度T有關(guān)。過少的水分達(dá)不到預(yù)期的試驗(yàn)條件，不能達(dá)到驗(yàn)證的目的；過量的水會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)條件過于苛刻，既不能代表飛機(jī)實(shí)際使用中可能遇到的典型情況，也有可能導(dǎo)致系統(tǒng)不必要的過度設(shè)計(jì)。通過正常程序加注到飛機(jī)上的燃油中含有的水分較少，燃油結(jié)冰試驗(yàn)需要在燃油加入飛機(jī)油箱前進(jìn)行調(diào)制，以均勻增加水含量。

配制含水燃油的設(shè)備如圖1所示，具體制備方法如下：

圖1 燃油結(jié)冰試驗(yàn)用油制備示意圖Fig.1Schematic diagram of fuel conditioning system for fuel icing test

（1）將未添加防冰添加劑的燃油置于儲(chǔ)存油箱A，構(gòu)建燃油加溫回路，利用水浴加溫回路對(duì)燃油進(jìn)行加熱循環(huán)，直到燃油溫度被加熱到27℃。

（2）構(gòu)建飽和燃油配制回路。燃油在配水管路內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，利用噴嘴注水，注水總量按每升燃油1mL水的比例加注，注水流量根據(jù)燃油循環(huán)流量計(jì)算確定。當(dāng)全部的水注入燃油后，應(yīng)繼續(xù)循環(huán)以確保完全混合。

（3）使燃油經(jīng)過油水分離器管路，分離多余的水分，這時(shí)儲(chǔ)存油箱B內(nèi)的燃油應(yīng)處于飽和狀態(tài)。測(cè)量儲(chǔ)存加油車油箱內(nèi)的含水量應(yīng)不低于90ppm，也不應(yīng)比該燃油在27℃時(shí)飽和狀態(tài)的含水量高15ppm。

（4）構(gòu)建過飽和燃油配制回路。燃油在配水管路內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，利用噴嘴注水，注水總量按每升燃油0.2mL水的比例加注。注水流量根據(jù)燃油循環(huán)流量計(jì)算確定，所有的水應(yīng)在試驗(yàn)油箱中燃油溫度降到7℃而使溶解的水分明顯析出前加完[5]。

4 飛行試驗(yàn)方法

結(jié)合適航標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃油系統(tǒng)結(jié)冰的要求和條件，并對(duì)比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)級(jí)地面臺(tái)架試驗(yàn)方法，制定燃油結(jié)冰飛行試驗(yàn)方法并進(jìn)行試驗(yàn)。飛行任務(wù)應(yīng)建立機(jī)載數(shù)據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)，將飛行狀態(tài)、各系統(tǒng)工作狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)等發(fā)送至地面站實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)控參數(shù)至少包括飛行高度、飛行速度、大氣溫度、油箱燃油溫度、供油泵后供油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓泵入口供油壓力、供油流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。具體試驗(yàn)方法如下：

（1）配制試驗(yàn)用含水燃油。使燃油達(dá)到27℃且含水量達(dá)到飽和，取樣檢測(cè)，每升燃油中再加入0.2mL的游離水。將配制的含水燃油加注到飛機(jī)燃油箱，燃油加注后飛機(jī)應(yīng)盡快起飛。

（2）飛機(jī)在外界大氣溫度最低、續(xù)航時(shí)間最長以及飛機(jī)系統(tǒng)中燃油加熱值最小的典型飛行剖面進(jìn)行長時(shí)間飛行。

（3）典型高度下，燃油結(jié)冰前后，被試發(fā)動(dòng)機(jī)以中間狀態(tài)、額定狀態(tài)穩(wěn)定工作，錄取供油系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況。

（4）飛機(jī)下降高度返場(chǎng)，在機(jī)場(chǎng)上空進(jìn)行著陸-復(fù)飛，錄取供油系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)，檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

飛機(jī)按照典型任務(wù)剖面進(jìn)行飛行，起飛后發(fā)動(dòng)機(jī)以額定狀態(tài)爬升，在巡航高度長時(shí)間飛行，燃油溫度持續(xù)降低，燃油結(jié)冰試驗(yàn)的燃油溫度、供油壓力等時(shí)間歷程曲線如圖2所示，具體試驗(yàn)結(jié)果如下：

圖2 飛行剖面歷程曲線Fig.2 Flight profile envelop

（1）燃油溫度加溫至31.9℃并使含水量達(dá)到飽和，對(duì)儲(chǔ)存油箱內(nèi)飽和燃油取三個(gè)樣本，采用卡爾費(fèi)休法檢測(cè)水含量均大于100ppm。

（2）在巡航高度，大氣溫度最低-52.7℃，平均溫度-50.8℃，飛機(jī)外側(cè)機(jī)翼油箱燃油溫度逐漸降低，從-2.0℃開始計(jì)時(shí)，飛行52 min后油溫降至-18.0℃，在-19.0℃以下，保持在巡航高度繼續(xù)飛行32 min。飛行中燃油中的水含量在δT ~ 288ppm范圍之內(nèi)，且隨著飛行時(shí)間的增長，燃油溫度持續(xù)降低，燃油中的溶解水持續(xù)析出，在最低燃油溫度時(shí)溶解水含量達(dá)到最小值。飛行后對(duì)油箱中燃油取樣檢測(cè)水含量小于30ppm。

（3）飛機(jī)爬升至巡航高度進(jìn)入長時(shí)間平飛航段之前，發(fā)動(dòng)機(jī)分別以中間狀態(tài)工作1min，再推至額定狀態(tài)工作1min。飛機(jī)供油壓力（PF4）、燃調(diào)壓力（PFC4）、燃油流量（Qfe）、油門桿角度（PHI4）歷程曲線如圖3所示。長時(shí)間平飛后，試驗(yàn)油箱燃油溫度-24℃，重復(fù)試驗(yàn)一次，歷程曲線如圖4所示。飛行過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)供油壓力隨飛行高度變化而明顯改變，在巡航高度長時(shí)間飛行，供油壓力基本穩(wěn)定。受飛行試驗(yàn)條件所限，目前尚缺少直接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)供油管路內(nèi)部結(jié)冰情況的手段，通過分析燃油系統(tǒng)結(jié)冰地面全尺寸模擬臺(tái)架試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果判斷，隨著燃油溫度持續(xù)降低，冰晶逐漸形成并附著在供油泵入口處濾網(wǎng)、供油泵葉輪、發(fā)動(dòng)機(jī)油濾等關(guān)鍵部位，試驗(yàn)持續(xù)期間內(nèi)供油泵壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃調(diào)壓力均與結(jié)冰溫度之前差異不大，表明在此次試驗(yàn)巡航高度飛行時(shí)段內(nèi)所形成的冰未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作構(gòu)成明顯影響。

圖3 供油系統(tǒng)工作參數(shù)（油溫6℃）Fig.3 Parameters of fuel supply system （fuel temperature at 6℃ ）

圖4 供油系統(tǒng)工作參數(shù)（油溫-24℃）Fig.4 Parameters of fuel supply system （fuel temperature at -24℃ ）

（4）下降階段至700m高度，發(fā)動(dòng)機(jī)以中間狀態(tài)、額定狀態(tài)工作，此時(shí)試驗(yàn)油箱燃油溫度上升到-17℃以上，但尚未達(dá)到能夠使附著冰晶發(fā)生相變的程度，濾網(wǎng)、油濾仍保持局部存在冰晶阻塞的狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)燃油消耗量較大，此高度上發(fā)動(dòng)機(jī)推至額定狀態(tài)時(shí)最大瞬時(shí)流量Qfe超過220%Qfe巡航高度。飛機(jī)供油壓力、燃調(diào)壓力、燃油流量等結(jié)果如圖5所示。

圖5 供油系統(tǒng)工作參數(shù)（油溫-17℃）Fig.5 Parameters of fuel supply system （fuel temperature at -17℃）

6 結(jié)論

飛機(jī)燃油系統(tǒng)內(nèi)存在冰形成的條件，對(duì)相關(guān)適航條款和航空標(biāo)準(zhǔn)的理解把握是燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和適航取證的基礎(chǔ)。本次試驗(yàn)所制定的飛行試驗(yàn)方法既符合適航的條款要求，也滿足了該項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)水含量、溫度等試驗(yàn)條件的要求。試驗(yàn)演示驗(yàn)證了通過飛行試驗(yàn)進(jìn)行燃油系統(tǒng)結(jié)冰條件下工作能力的可行性，對(duì)今后開展運(yùn)輸機(jī)燃油系統(tǒng)結(jié)冰現(xiàn)象進(jìn)一步研究以及相關(guān)試驗(yàn)的實(shí)施具有一定的借鑒意義。

[1] SAE Report. SAEARP1401B Aircraft fuel system and component icing test[R]. SAE International， 2012：3-4.

[2] Langton R， Clark C， Hewitt M， et al. Aircraft fuel system[M].United Kingdoms： John Wiley & Sons Ltd.， 2009：233-234.

[3] 中國民用航空局.中國民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民用航空局，2011：104.CAAC. Chinese civil aviation regulations Part25： Airworthiness requirements for transport category airplanes[S]. CAAC， 2011：104.（in Chinese）

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[5] SAE Report. SAEAIR790C Considerations on icing formation in aircraft fuel systems[R]. SAE International， 2006：6-8.