張 毅 周興明 王夢(mèng)蕾 徐 濤
(1. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所;2. 應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
民航飛機(jī)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀
張 毅1,2周興明1,2王夢(mèng)蕾1,2徐 濤1,2
(1. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所;2. 應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
民用航空客機(jī)的巡航高度通常在8400m~12000m,空氣稀薄的高空更適合飛機(jī)飛行,但也會(huì)危及飛機(jī)乘員的生命安全。目前,全增壓機(jī)艙已經(jīng)成為幾乎所有飛行器的通用設(shè)計(jì)。如果飛機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)增壓系統(tǒng)故障或結(jié)構(gòu)受損,并導(dǎo)致座艙釋壓,飛機(jī)將無法維持座艙內(nèi)部與外界環(huán)境之間的壓力差,座艙壓力可能會(huì)達(dá)到飛行高度壓力,這時(shí),空氣中的氧氣就不足以維持機(jī)上人員的生存需求。當(dāng)人體長(zhǎng)時(shí)間處于高空缺氧的環(huán)境中時(shí),就會(huì)引起頭痛、記憶力及判斷力減退、運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)等情況,嚴(yán)重缺氧還會(huì)導(dǎo)致驚厥、昏迷甚至死亡,直接威脅機(jī)上人員的生命安全。
《美國(guó)聯(lián)邦航空條例》和大型飛機(jī)公共航空運(yùn)輸承運(yùn)人運(yùn)行合格審定規(guī)則CCAR-121-R2規(guī)定:任何飛行高度在4500m以上的飛機(jī)都必須為每位乘客提供可持續(xù)使用10min的氧氣,而這10min的時(shí)間足夠確保飛機(jī)從巡航高度緊急下降至3000m左右的高度,從而確保乘客的生命安全[1]。
民航客機(jī)氧氣系統(tǒng)主要作為一種安全保障措施,在座艙增壓失效的情況下,向機(jī)上人員提供氧氣。目前,民航客機(jī)的氧氣源有兩種:一種是用高壓氧氣瓶?jī)?chǔ)存氧氣,簡(jiǎn)稱“氣氧”;另一種是使用固體化學(xué)氧氣發(fā)生器,簡(jiǎn)稱“固氧”。
圖1 澳大利亞快達(dá)航空公司的波音747機(jī)載氧氣瓶發(fā)生爆炸
氣氧是一種常規(guī)供氧裝置,早期機(jī)型的駕駛艙和客艙都采用氣氧作為氧源,具有供氧時(shí)間長(zhǎng)和可間斷使用等優(yōu)點(diǎn),但客艙面積較大,氣氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,管路繁多,檢測(cè)維護(hù)工作量大,體積和重量也較大,易發(fā)生故障。歷史上就曾發(fā)生過氣氧泄露和爆炸事故。例如,2008年6月28日晚,美國(guó)ABX航空公司的B767-200貨機(jī)在地面啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)前,緊接駕駛艙的區(qū)域發(fā)生了火災(zāi),造成飛機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞。調(diào)查結(jié)果顯示,此次起火的原因可能是因?yàn)轱w機(jī)氧氣系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)缺陷,飛機(jī)電線與導(dǎo)電的氧氣系統(tǒng)部件之間沒有適當(dāng)?shù)拈g隙而造成的。2008年7月25日,澳大利亞快達(dá)航空公司一架波音747-400飛機(jī)在高空飛行時(shí),機(jī)腹部位突然裂開一個(gè)寬達(dá)3m的“破洞”,造成飛機(jī)緊急釋壓。初步調(diào)查顯示,該飛機(jī)機(jī)腹破裂的原因可能是飛機(jī)上氧氣瓶?jī)?nèi)高壓氧氣突然泄漏并發(fā)生爆炸而引起的[2]。
為保證飛行員有充足的氧氣供應(yīng),目前,大型民航客機(jī)的駕駛艙仍采用高壓氧氣瓶供氧。乘務(wù)員緊急使用的便攜式氧氣設(shè)備也使用氣氧。除此之外,客艙內(nèi)廣大乘客頭頂上方的旅客服務(wù)組件(PSU)、衛(wèi)生間上方的廁所服務(wù)組件(LSU)、乘務(wù)員座椅上方的乘務(wù)員服務(wù)組件(ASU)均采用固體化學(xué)氧氣發(fā)生器提供氧氣[3]。
民航飛機(jī)的應(yīng)急供氧系統(tǒng)主要由固體化學(xué)氧氣發(fā)生器、呼吸面罩和控制部件等組成。固氧是一種新型的產(chǎn)氧裝置,由啟動(dòng)機(jī)構(gòu)、殼體、產(chǎn)氧藥柱、隔熱材料、過濾材料、安全泄壓閥、出氣嘴等組成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。拔掉啟動(dòng)機(jī)構(gòu)安全銷和啟動(dòng)拉索,壓縮狀態(tài)的彈簧推動(dòng)撞針擊發(fā)啟動(dòng)機(jī)構(gòu)中的火帽,受擊火帽釋放能量,點(diǎn)燃產(chǎn)氧藥柱產(chǎn)生氧氣,氧氣經(jīng)過濾層凈化后供人體使用。
固氧利用富含氧的氯酸鹽發(fā)生熱分解化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣,其產(chǎn)氧過程類似于蠟燭燃燒,亦稱“氧燭”。固氧的產(chǎn)氧物質(zhì)主要是氯酸鹽或高氯酸鹽,產(chǎn)氧物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所放出的熱量不能維持自身連續(xù)反應(yīng),需要向產(chǎn)氧物質(zhì)中加入提供熱量的金屬粉和降低反應(yīng)溫度的催化劑,同時(shí)加入的物質(zhì)還包括用于抑制和吸收有毒有害氣體的添加劑、反應(yīng)穩(wěn)定劑等,固氧產(chǎn)生的氣體經(jīng)過濾純化后供人體使用。固氧產(chǎn)氧時(shí)主要發(fā)生如下反應(yīng):
2MClO3→2MCl+3O2↑
固氧儲(chǔ)存物是氯酸鹽或高氯酸鹽、金屬粉等固體物質(zhì),其含氧密度接近于液氧;同高壓氣氧相比,除具有體積小、重量輕、攜帶方便、使用簡(jiǎn)單、保質(zhì)期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外,其還具有如下顯著優(yōu)勢(shì):
(1)安全可靠。固氧儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用均較氣態(tài)氧和液態(tài)氧安全。固氧不像氣氧那樣需要高壓容器儲(chǔ)藏,也不像液氧那樣要求低溫,而且不存在由于管路安裝而帶來的泄漏等問題。目前,固體氧氣發(fā)生器的可靠性已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。
(2)維護(hù)簡(jiǎn)單。固氧基本不需要維護(hù),僅需很少工作量的定期檢查和到期更換即可。
(3)固氧的安裝和使用非常簡(jiǎn)單,無需復(fù)雜管路系統(tǒng),啟動(dòng)供氧裝置,就可以立即按設(shè)計(jì)要求供氧,無需其它調(diào)節(jié)操作。
固氧非常適合作為應(yīng)急供氧裝置使用。早在20世紀(jì)20年代,德國(guó)就已將固氧產(chǎn)品應(yīng)用于礦業(yè)救援工作中;二戰(zhàn)期間,德國(guó)和日本開展了航空固氧研制,為戰(zhàn)斗機(jī)駕駛員高空飛行提供氧氣,但因供氧純度不達(dá)標(biāo)而未能得到廣泛應(yīng)用;二戰(zhàn)后期,英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家先后研制了潛艇用固氧,取得了成功,如今,歐美國(guó)家常規(guī)潛艇日常供氧和核潛艇應(yīng)急供氧裝置均大量使用固氧。1967年后,固氧研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到軍用和民用飛機(jī)的應(yīng)急供氧系統(tǒng),相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)不斷突破,并研制出了民航固氧產(chǎn)品,克服了氣氧體積大、質(zhì)量重、控制復(fù)雜、檢修困難、存在安全隱患等缺點(diǎn),并迅速在民航應(yīng)急供氧系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
民航固氧是民航旅客應(yīng)急救生系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,目前僅有美國(guó)AVOX系統(tǒng)公司和B/E宇航公司等兩家公司生產(chǎn)。我國(guó)現(xiàn)役民航飛機(jī)和國(guó)產(chǎn)飛機(jī)所需的民航固氧完全依賴進(jìn)口。
圖3 AVOX系統(tǒng)公司固氧系列產(chǎn)品
圖2 固氧結(jié)構(gòu)示意圖
AVOX系統(tǒng)公司是民用和軍用航空市場(chǎng)上設(shè)計(jì)、制造和維修呼吸防護(hù)設(shè)備的全球領(lǐng)導(dǎo)者。AVOX系統(tǒng)公司是Zodiac(卓達(dá))宇航集團(tuán)旗下公司,而Zodiac宇航集團(tuán)是全球十大商用飛機(jī)制造商之一。AVOX系統(tǒng)公司的產(chǎn)品包括化學(xué)氧和氣態(tài)氧供給設(shè)備、乘客和船員口罩,以及通用航空配件等。通過加入Zodiac宇航集團(tuán),AVOX系統(tǒng)公司已成為一家產(chǎn)業(yè)鏈完整的航空氧氣系統(tǒng)供應(yīng)商。AVOX系統(tǒng)公司的產(chǎn)品廣泛供應(yīng)給歐洲空中客車集團(tuán)、美國(guó)波音公司、加拿大龐巴迪公司、巴西航空公司、法國(guó)達(dá)索集團(tuán)、美國(guó)豪客比奇公司、美國(guó)賽斯納飛行器公司、美國(guó)洛克希德·馬丁公司、日本本田公司、日本三菱集團(tuán)等知名飛機(jī)制造企業(yè),已累計(jì)生產(chǎn)民航固氧產(chǎn)品100多萬發(fā)。
B/E宇航公司的主要業(yè)務(wù)是為軍用和民用飛機(jī)提供內(nèi)部系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和加工、整體安裝、認(rèn)證服務(wù)等產(chǎn)品或服務(wù),如機(jī)內(nèi)餐飲設(shè)備、廚房設(shè)施、旅客服務(wù)系統(tǒng)、盥洗室、隔墻、衣櫥、空氣控制閥、照明系統(tǒng)與各種設(shè)備開關(guān)等,飛機(jī)座椅、內(nèi)飾系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)是該公司的傳統(tǒng)業(yè)務(wù),已擁有為軍用和民用飛機(jī)提供氧氣輸送系統(tǒng)等氧氣產(chǎn)品100多年的歷史。在收購德爾格公司后,B/E宇航公司的民航固氧產(chǎn)品的市場(chǎng)份額進(jìn)一步擴(kuò)大,累計(jì)生產(chǎn)民航固氧產(chǎn)品30多萬發(fā),累計(jì)飛行時(shí)間超過30億個(gè)小時(shí)。B/E宇航公司是化學(xué)制氧設(shè)備的全球領(lǐng)導(dǎo)者,在民航固氧產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)和成本降低方面擁有專利技術(shù),通過了最新的血氧飽和度認(rèn)證,其供氧系統(tǒng)具有質(zhì)輕、安全、可靠、靈活度高等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于美國(guó)波音公司和歐洲空客集團(tuán)等公司的飛機(jī)上。圖5是B/E宇航公司生產(chǎn)的3P-15min民航固氧產(chǎn)品,可為3名旅客提供15min氧氣,已在波音、空客等多型民航飛機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。
圖4 B/E宇航公司的固氧系列產(chǎn)品
目前,國(guó)內(nèi)從事固體化學(xué)氧氣發(fā)生器研發(fā)生產(chǎn)的單位主要有湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所、惠州大亞灣太極鮮氧實(shí)業(yè)有限公司、中國(guó)兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所、北京科技大學(xué)等。各單位雖然都生產(chǎn)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品,但產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域卻各有側(cè)重,例如,惠州太極公司主要服務(wù)于礦業(yè)生存急救和個(gè)體保健兩大領(lǐng)域,兵器衛(wèi)生所研制的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器主要用于高原缺氧防護(hù)方面,北京科技大學(xué)研制的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器主要用于礦用救生艙及避難硐室等。
圖5 B/E宇航公司的3P-15min民航固氧外觀
湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所是我國(guó)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑研究機(jī)構(gòu),在化學(xué)產(chǎn)氣領(lǐng)域積累了深厚的技術(shù)基礎(chǔ),利用相關(guān)技術(shù)研制出了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器,現(xiàn)已在高空跳傘缺氧防護(hù)和高原缺氧救生領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
1989年,湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所了解到,國(guó)內(nèi)航線飛機(jī)上配備的固體氧氣發(fā)生器全部依賴進(jìn)口,價(jià)格昂貴。為了打破這一局面,該研究所充分利用其軍工專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì),組織人員開展了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的研制開發(fā)工作,僅用一年多時(shí)間就研發(fā)出了民航用固體氧氣發(fā)生器的樣機(jī),經(jīng)檢測(cè),產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到美國(guó)道格拉斯飛機(jī)公司標(biāo)準(zhǔn),符合衛(wèi)生規(guī)范要求,可供人體呼吸使用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。該項(xiàng)目于1991年4月通過了原航天部組織的技術(shù)鑒定。但該項(xiàng)目最終被擱置。之后,該研究所又開展了其它系列產(chǎn)品如傘兵用固體氧氣發(fā)生器和煤礦井下工人救生用啟動(dòng)器等產(chǎn)品的研制工作。20世紀(jì)90年代初期,我國(guó)空軍急需高空跳傘供氧裝置,要求該研究所研制單兵可隨身攜帶的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器。該研究所解決了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器啟動(dòng)、穩(wěn)定產(chǎn)氧和氣體凈化等技術(shù)難題。1994年,該研究所研制的傘兵用固體氧氣發(fā)生器成功通過了空軍裝備部的產(chǎn)品定型鑒定,研制的高空跳傘固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品已列裝部隊(duì),提高了空降兵的作戰(zhàn)范圍和作戰(zhàn)能力。隨后,該研究所研制開發(fā)了預(yù)警機(jī)駕駛員高原救生固體化學(xué)產(chǎn)氧器。目前,該研究所研發(fā)的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器已實(shí)現(xiàn)批量供應(yīng),成為軍工技術(shù)轉(zhuǎn)民用又服務(wù)軍工的典范[4]。
湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所利用固體火箭推進(jìn)劑軍工技術(shù)為民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和藥柱配方的研究提供技術(shù)支持。自20世紀(jì)80年代開始開展固體化學(xué)氧氣發(fā)生器技術(shù)和生產(chǎn)工藝研究至今,該研究所先后攻克了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器啟動(dòng)技術(shù)、低溫穩(wěn)定燃燒產(chǎn)氧技術(shù)、降低環(huán)境溫度對(duì)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器燃燒產(chǎn)氧影響技術(shù)、穩(wěn)定產(chǎn)氧技術(shù)、氣體凈化技術(shù)等難關(guān),擁有固體氧氣發(fā)生器配方和工藝核心技術(shù),是國(guó)內(nèi)首家開展民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器研制的單位。借鑒國(guó)外最新民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念,充分利用自有技術(shù),該研究所開展了3人15min民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的研制工作,研制出的民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器樣品如圖6所示。
經(jīng)過20多年的發(fā)展,湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所逐漸掌握了固體氧氣發(fā)生器設(shè)計(jì)、配方和工藝等核心技術(shù),培育了一支成熟的固體氧氣發(fā)生器供氧裝置產(chǎn)業(yè)化隊(duì)伍,建成了年產(chǎn)萬套供氧裝備的生產(chǎn)線,具備了一定的民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。同時(shí),在國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手方面,目前,暫未有國(guó)內(nèi)其他單位發(fā)布關(guān)于民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的相關(guān)研究報(bào)道。
圖6 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器樣品參加2016年珠海航展
民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器市場(chǎng)主要包括新飛機(jī)首次裝備民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器和現(xiàn)役飛機(jī)民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器到期更換兩個(gè)方面。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器有限定的壽命期,自生產(chǎn)日算起一般為10年,到期必須更換。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器從出廠到裝機(jī)交付用戶,需要一定的時(shí)間,會(huì)損耗產(chǎn)品的壽命,故實(shí)際壽命短于10年。飛機(jī)壽命一般為25年~30年,民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器在飛機(jī)壽命期內(nèi)需要更換2~3次。此外,民航飛機(jī)每年都會(huì)發(fā)生因故障必須向乘客供氧的事件,固體化學(xué)氧氣發(fā)生器屬一次性使用產(chǎn)品,民航飛機(jī)上使用過的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器必須立即補(bǔ)充。據(jù)粗略估算,國(guó)內(nèi)外民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的市場(chǎng)需求超過7億美元,但目前僅有美國(guó)兩家公司壟斷生產(chǎn),市場(chǎng)空間巨大。
航空產(chǎn)業(yè)承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)國(guó)家夢(mèng)想和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的雙重任務(wù),得到了國(guó)家的一貫重視和支持。隨著國(guó)產(chǎn)C919大型客機(jī)總裝下線及成功首飛、首架ARJ21飛機(jī)交付用戶,我國(guó)已進(jìn)入國(guó)產(chǎn)飛機(jī)時(shí)代。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器作為民航飛機(jī)必備的裝備,目前完全依賴進(jìn)口。為滿足國(guó)內(nèi)對(duì)民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的迫切需求和支持航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展,開展民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器國(guó)產(chǎn)化研制工作勢(shì)在必行。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的國(guó)產(chǎn)化研制成功,也必將使國(guó)產(chǎn)飛機(jī)和國(guó)內(nèi)現(xiàn)有民航飛機(jī)擺脫對(duì)國(guó)外民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的依賴,打破我國(guó)民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器完全依賴進(jìn)口的局面,將有助于推動(dòng)我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)也必將隨著民航飛機(jī)的發(fā)展在我國(guó)得到持續(xù)、長(zhǎng)久的發(fā)展。
固體化學(xué)氧氣發(fā)生器因其突出的優(yōu)點(diǎn),廣泛適用于民航乘客緊急供氧、空間站備份氧、常規(guī)潛艇供氧裝置/核潛艇應(yīng)急供氧裝置、消防逃生呼吸防護(hù)裝置、高空跳傘、戰(zhàn)地醫(yī)療急救、礦山救護(hù)、保健養(yǎng)生等領(lǐng)域。固體化學(xué)氧氣發(fā)生器技術(shù)改變了應(yīng)急救生呼吸防護(hù)產(chǎn)品的發(fā)展方向。民航飛機(jī)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目實(shí)施后,將進(jìn)一步提高固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的安全性、可靠性和小型輕量化等產(chǎn)品性能,將促進(jìn)我國(guó)應(yīng)急救生呼吸防護(hù)系統(tǒng)采用更多的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器[5]產(chǎn)品。
民航飛機(jī)旅客固體化學(xué)氧氣系統(tǒng)在座艙失壓的情況下,可以為客艙內(nèi)的乘客和乘務(wù)員提供應(yīng)急呼吸用氧,是保障飛行安全和人員健康的重要系統(tǒng)。目前,美國(guó)AVOX系統(tǒng)公司和B/E宇航公司壟斷著世界民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器市場(chǎng)。湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所利用自有技術(shù)研制出了民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器樣品,且具備了一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的國(guó)產(chǎn)化研制成功必將打破國(guó)外企業(yè)對(duì)我國(guó)現(xiàn)役民航飛機(jī)和國(guó)產(chǎn)飛機(jī)所需民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的壟斷和控制,推動(dòng)我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)及應(yīng)急救生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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研究項(xiàng)目:國(guó)防科工局軍工技術(shù)推廣專項(xiàng)“十三五”第二批項(xiàng)目“民航飛機(jī)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)化研究”。