運輸類飛機適航標準第25.975條(a)(7)項要求及符合性驗證研究

毛文懿 李 濤 / MAO Wenyi LI Tao

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

運輸類飛機適航標準第25.975條(a)(7)項要求及符合性驗證研究

毛文懿 李 濤 / MAO Wenyi LI Tao

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

經(jīng)第25-143號修正案新增的第25.975條(a)(7)項要求防止燃油箱外部的火焰經(jīng)由通氣系統(tǒng)進入燃油箱而導致燃油箱爆炸的風險。通過對第25.975條(a)(7)項的修訂背景、相應咨詢通告AC25.975-1的研究分析，明確了燃油箱通氣火焰抑制器性能標準，采用火焰抑制器作為符合手段的符合性驗證思路，符合性驗證關(guān)注點，為運輸類飛機燃油系統(tǒng)的設計和符合性驗證提供參考。

25.975(a)(7)；適航；火焰抑制器；符合性方法

0 引言

在FAA發(fā)布第25-143號修正案前，《運輸類飛機適航標準》中包含有大量關(guān)于燃油箱點燃防護相關(guān)的要求，譬如：第25.981條要求防止在燃油箱或燃油箱系統(tǒng)內(nèi)形成點火源，并且防止燃油箱的易燃性暴露時間超過許可值；第25.954條要求燃油系統(tǒng)的設計和布置，能阻止因閃電閃擊而點燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸氣等。這些條款并未關(guān)注因外部點火源引起的火焰經(jīng)由通氣系統(tǒng)進入燃油箱的風險。2016年6月24日，美國聯(lián)邦航空局(FAA)發(fā)布了第25-143號修正案，增加第25.975條(a)(7)項，以解決飛機外部著火的火焰經(jīng)由燃油箱通氣系統(tǒng)傳播進入燃油箱，而導致燃油箱爆炸的問題[1]。

1 規(guī)章修訂概述

通過對世界范圍類的運輸類飛機事故(包括從1964年開始出現(xiàn)的，墜撞后的燃油箱爆炸事故)歷史的回顧，特殊航空著火和爆炸減輕(SAFER)咨詢委員會在1980年出版的報告中給出如下結(jié)論：按現(xiàn)有技術(shù)，可以減小墜撞后燃油箱爆炸的可能性。SAFER咨詢委員會確認：如果飛機的燃油箱通氣系統(tǒng)安裝有火焰抑制器或通氣/防溢油箱滅火系統(tǒng)，則四起因墜撞著火引起的燃油箱爆炸可以被避免。此外，該委員會還評估了解決燃油箱爆炸問題的方法，譬如燃油箱惰化、安裝燃油箱通氣火焰抑制器、引入通氣/防溢油箱滅火系統(tǒng)等，并確認安裝燃油箱通氣火焰抑制器是當時最可行的方法。該方法已在許多現(xiàn)役飛機上用于延遲地面著火的傳播及之后的爆炸，為乘客和機組的安全撤離提供了額外的時間[2]。

基于SAFER咨詢委員會的報告，F(xiàn)AA在1995年2月2日發(fā)布了NPRM “Fuel System Vent Fire Protection”(60 FR 6632)，提議更改《運輸類飛機適航標準》，要求新的運輸類飛機型號設計具有5分鐘的燃油箱通氣防火能力；并對相關(guān)的運營規(guī)章進行更改，以要求對現(xiàn)有運輸類飛機機隊進行改裝。FAA收到的與該NPRM相關(guān)的評論包括：對所提議的5分鐘標準及改裝要求的經(jīng)濟性分析的準確性的質(zhì)疑，并建議FAA制定額外的指南(如AC)，以提供鑒定火焰抑制器滿足所提議要求的符合性方法?；谙鄳脑u論意見，F(xiàn)AA從部件供應商處獲得了額外的費用信息，起草了符合性驗證的AC初稿。

2001年，F(xiàn)AA向航空規(guī)章制定咨詢委員會(ARAC)分派任務，以評估最終的規(guī)章草案和AC草案，包括FAA對公眾評論意見的處置建議。2002年，基于分派給ARAC的任務，F(xiàn)AA發(fā)布通告，撤回了于1995年發(fā)布的NPRM。但由于工業(yè)資源和FAA規(guī)章制定優(yōu)先活動等原因，ARAC未能開展相關(guān)工作。FAA在2004年再次撤回了分派給ARAC的任務。

自2005年起，F(xiàn)AA基于14CFR21.21關(guān)于不安全設計特征的判定的要求，針對特定的審定項目，通過問題紀要，要求進行新的型號合格審定的飛機設計采用火焰抑制器。

2014年8月15日，F(xiàn)AA發(fā)布了新的NPRM “Fuel System Vent Fire Protection”(79 FR 48098)，并于2016年6月24日，正式發(fā)布第25-143號修正案，修訂第25.975條以要求：當燃油箱通氣口連續(xù)地暴露在火焰中時，燃油箱通氣系統(tǒng)能至少在2分30秒內(nèi)，阻止因燃油箱外的火焰經(jīng)由燃油箱通氣系統(tǒng)傳播到燃油箱蒸氣空間而導致爆炸。與此同時，F(xiàn)AA還對121部、129部中相關(guān)運營類要求進行了修訂[1],[3]。

2 適航條款要求及解析

2.1 適航條款要求

經(jīng)第25-143號修正案修訂的14 CFR Parts 25中第25.975條(a)(7)項要求如下[4]：

§ 25.975 Fuel tank vents and carburetor vapor vents.

(a) * * *

(7) Each fuel tank vent system must prevent explosions, for a minimum of 2 minutes and 30 seconds, caused by propagation of flames from outside the tank through the fuel tank vents into fuel tank vapor spaces when any fuel tank vent is continuously exposed to flame.

目前，在中國民用航空局(CAAC)發(fā)布的CCAR25部的最新有效版本(CCAR-25-R4)和歐洲航空安全局(EASA)發(fā)布的CS25部的最新有效版本(Amendment 18)中均暫未包含類似要求。

2.2 適航條款要求解析

第25.975條(a)(7)項的意圖是阻止因外部點火源點燃蒸氣空間包含的燃油蒸氣，或經(jīng)燃油箱通氣出口從蒸氣空間排出的燃油蒸氣而導致燃油箱爆炸[2]。根據(jù)修正案25-143“Fuel Tank Vent Fire Protection”，對條款中的相關(guān)術(shù)語解釋如下：燃油箱通氣系統(tǒng)是使燃油蒸氣從飛機燃油箱通向外界大氣的系統(tǒng)；燃油箱通氣系統(tǒng)確保燃油箱內(nèi)的空氣和燃油壓力始終處于結(jié)構(gòu)限制范圍內(nèi)?；鹧?zhèn)鞑ナ侵富鹧嬖诳扇辑h(huán)境中從燃燒開始的位置向外蔓延。蒸氣空間是指可包含燃油蒸氣的飛機燃油系統(tǒng)和燃油箱通氣系統(tǒng)的任何部分[1]。

燃油箱通氣系統(tǒng)外部潛在的點火源通常包括：地面操縱設備；由于加油噴濺導致的燃油著火；可生存墜撞著陸后(且燃油箱和通氣系統(tǒng)仍是完好的)的地面著火，如：發(fā)動機與飛機分離導致的燃油或滑油噴濺，飛機燃油箱損壞導致的燃油泄漏等導致的著火。

適航條款要求的最低性能標準(2分30秒)是基于現(xiàn)有技術(shù)水平、實用性的平衡。第25.803條“應急撤離”要求最大乘座量的成員能在90秒鐘內(nèi)從飛機撤離至地面。其假定的前提是最少數(shù)量的可用出口，所有乘客沒有受傷且乘客生理上具有離開飛機的能力。但經(jīng)驗表明，在事故后的情形通常并非如此。因此，需要額外的時間用于乘客逃生和應急處置。第25.856條“隔熱/隔音材料”的(b)款規(guī)定必須滿足25部附錄F第VII部分抗火焰穿透試驗要求的至少耐受4分鐘；此外，火焰燒穿機身蒙皮的時間為1分鐘。然而，滿足5分鐘標準的火焰抑制器將顯著地重于、大于滿足2分30秒標準的火焰抑制器；且為了滿足加油時的通氣性能要求，需更改燃油系統(tǒng)通氣管路，這帶來了額外的經(jīng)濟影響。因此，基于對火焰抑制器性能及其服役經(jīng)驗，火焰抑制器性能驗證的火焰維持試驗方法的保守性評估，F(xiàn)AA認為將火焰抑制器的性能標準定義為2分30秒是合適的，可提供滿意的乘客逃生安全標準。

3 使用火焰抑制器的符合性驗證思路

根據(jù)AC25.975-1 “Fuel Vent Fire Protection”，可以通過火焰抑制器、燃油箱惰化、閉式通氣系統(tǒng)、通氣/防溢油箱滅火系統(tǒng)等多種方式來表明對第25.975條(a)(7)項要求的符合性；然而，燃油箱通氣火焰抑制器是當前最可行的方法。當使用火焰抑制器作為符合2分30秒的性能標準的方式時，需基于在燃油箱通氣出口附近出現(xiàn)火焰時，預期出現(xiàn)的最嚴酷狀態(tài)下，對火焰抑制器性能進行評估。在表明符合性時，需進行兩類試驗：通氣蒸氣流靜止條件下的火焰?zhèn)鞑ピ囼灪瓦B續(xù)蒸氣流條件下的火焰保持試驗。相應的試驗裝置示意見圖1[2]。

圖1 火焰抑制器性能驗證試驗裝置示意圖

3.1 火焰?zhèn)鞑ピ囼?/h3>

本試驗的意圖是：驗證在靜止狀態(tài)，燃油/空氣混合比為理論配比的1.15±0.05倍時，火焰抑制器組件的火焰抑制性能。試驗時，通過對下游點火器的激勵，點燃火焰抑制器組件下游的混合氣體；通過觀察窗觀察以證實火焰不會穿透火焰抑制器。此外，需通過對上游點火器的激勵，并觀察上游混合物的點燃情況，以證實上游的混合物是可燃的。該試驗需要至少重復5次。

3.2 火焰保持試驗

本試驗的意圖是：驗證在可燃蒸氣流從通氣管路連續(xù)排出時，出現(xiàn)在燃油箱通氣出口的火焰將不會傳播到燃油箱內(nèi)。配置燃油/空氣混合比為理論配比的1.15倍；調(diào)整氣體流速以實現(xiàn)氣流流出火焰抑制器組件的速度為0.75ft/s(+0.25，-0ft/s)；然后，點燃火焰抑制器下游的氣體；通過觀察窗觀察，確定火焰前端的位置；調(diào)整氣體混合物流速，使火焰前端接觸到火焰抑制器的下游表面，這可保證在火焰抑制器表面產(chǎn)生最大的熱流。試驗過程中可燃氣體混合物的流速需維持為常量，且需維持恰當?shù)挠蜌獗取Ｈ裟軡M足2分30秒的最小火焰保持時間，并驗證了位于燃油箱內(nèi)的安裝部分的溫度低于所制定的最大允許表面溫度，則試驗通過。

此外，在完成火焰抑制器的驗證試驗后，需仔細檢查火焰抑制器結(jié)構(gòu)的完整性。若因試驗導致火焰抑制器組件結(jié)構(gòu)完整性失效，進而導致火焰穿透火焰抑制器，則火焰抑制器試驗失敗。試驗過程中，如果火焰抑制器的安裝可阻止火焰?zhèn)鞑?，則火焰抑制器部件損壞也是可接受的，但必須明確火焰抑制器在遭受火焰后的維修要求為修理或替換火焰抑制器。

4 符合性驗證關(guān)注點

4.1 使用火焰抑制器表明符合性的驗證關(guān)注點

火焰抑制器的性能受到其安裝效果的影響，不同的安裝可能導致如火焰前端速度、表面溫度等關(guān)鍵參數(shù)的變化。在表明符合性時，申請人應計及安裝的影響。申請人通常應選擇一個完整的、表明了對裝機產(chǎn)品制造符合性的火焰抑制器(包括上游和下游的管路)進行試驗。

在開展驗證試驗時，火焰抑制器在固定裝置上的方位也是關(guān)鍵參數(shù)。例如，在地面著火沖擊火焰抑制器表面時，向下安裝的火焰抑制器的火焰保持能力，相對于水平安裝的火焰抑制器的火焰保持能力而言更短。

用于評估火焰抑制器有效性的關(guān)鍵狀態(tài)出現(xiàn)在火焰前端接觸到火焰抑制器表面時，這可導致火焰抑制器被加熱。當火焰抑制器被加熱，火焰抑制器吸收能量的能力會降低，進而導致其不能熄滅火焰，火焰穿過火焰抑制器而導致回火。

火焰穿透火焰抑制器還可能是由于熱表面點燃可燃蒸氣而導致的。將處于火焰抑制器內(nèi)側(cè)的組件表面(包括管路和接頭)加熱到高于可燃蒸氣混合物的自燃溫度(AIT)的時間，是確定火焰抑制器組件有效性的限制因素。而熱表面的表面區(qū)域和形態(tài)、熱源周圍的流場，是確定點火源是否出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

火焰抑制器上游表面中心點的溫度應低于700℉(371.1℃)；對于煤油燃料，如JET A，受影響表面的最大允許表面溫度為400℉(204.4℃)；在申請人能證實制定更高溫度限制合理的情況下，也可制定更高的表面溫度限制。對于通過分析要求建立限制的任何部件，申請人應監(jiān)控和記錄部件的表面溫度，表明表面溫度仍低于所制定的限制。

4.2 其它考慮

在飛機燃油通氣系統(tǒng)內(nèi)安裝火焰抑制器可能影響燃油箱的通氣系統(tǒng)性能。在設計火焰抑制器的安裝時，申請人應考慮在加油系統(tǒng)失效狀態(tài)下，火焰抑制器組件安裝所導致的限流及流阻增加等因素的影響。

此外，還需考慮如結(jié)冰和閃電等環(huán)境條件的影響。由閃電引起的通氣出口附近的燃油蒸氣點燃會導致高速的壓力波，其可能穿過火焰抑制器；使火焰抑制器沒有足夠的時間進行熱交換，以熄滅火焰前端。因此，滿足AC25.975-1所定義標準的火焰抑制器，可能不足以防止燃油箱通氣口附近的閃電電擊所引起的著火的傳播。

當采用燃油箱惰化、閉式通氣系統(tǒng)、通氣/防溢油箱滅火系統(tǒng)等方式來表明對第25.975條(a)(7)項要求的符合性時，需驗證：在所有的運行條件(如：滑行、起飛、著陸、加油等)及墜撞后的著火場景，采用的設計能至少在2分30秒內(nèi)阻止外部火焰經(jīng)由通氣系統(tǒng)導致的燃油箱爆炸。如：滿足第25.981條要求的惰化系統(tǒng)在加油操作或惰化系統(tǒng)不工作時通常允許燃油箱是可燃的；閉式的通氣系統(tǒng)可能在故障或墜撞后著火場景下不能正常工作；滅火系統(tǒng)通常由傳感器作動，且釋放滅火劑只能在很短的一段時間內(nèi)生效。申請人應關(guān)注這些狀態(tài)，以確保系統(tǒng)始終滿足第25.975條(a)(7)項的要求。

5 結(jié)論

本文研究了第25-143號修正案制定的背景，研究了條款和咨詢通告AC25.975-1的相關(guān)要求；梳理了燃油箱通氣火焰抑制器性能判定標準和采用火焰抑制器作為符合性方法的符合性驗證思路、符合性驗證關(guān)注點?？蔀檫\輸類飛機燃油通氣火焰抑制器的設計和驗證提供參考。

[1] FAA. Amendment 25-143: Fuel Tank Vent Fire Protection [R]. 2016-6-24.

[2] FAA. AC25.975-1, Fuel Vent Fire Protection [Z]. 2016-6-24.

[3] FAA. Notice No.14-07: Fuel Tank Vent Fire Protection [R]. 2014-8-15.

[4] FAA. 14 CFR25 Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes (Amdt. No.25-143) [S]. 2016-6-24.

Study of the Requirements and Compliance Verification of §25.975(a)(7)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

§25.975(a)(7) at Amendment 25-143 requires to prevent fuel tank explosions that caused by propagation of flames from outside the tank through the fuel tank vents. Based on the review and study on the background of regulation amending and the contains in advisory circular AC25.975-1, this paper definitudes the minimum standard for flame arrestor, the means of compliance for using flame arrestors as a means, and the concerns should been considered in verification. The research can provide guidance for design and verification on the fuel system for transport category airplane.

25.975(a)(7)； airworthiness; flame arrestor; method of compliance(MOC)

V221+.91

A

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.04.020

毛文懿男，碩士，高級工程師。主要研究方向：運輸類飛機動力裝置、燃油系統(tǒng)適航符合性驗證工作；E-mail:maowenyi@comac.cc

李濤男，碩士，高級工程師。主要研究方向：運輸類飛機動力裝置、APU油系統(tǒng)適航符合性驗證工作；E-mail:litao@comac.cc