空客A320燃油箱惰性氣體系統(tǒng)介紹及故障分析

王翔

摘要：燃油箱惰性氣體系統(tǒng)是防止油箱爆炸的重要系統(tǒng)。本文在介紹了該系統(tǒng)的系統(tǒng)原理和主要部件后，對(duì)該系統(tǒng)出現(xiàn)過的故障做了總結(jié)和分類，并針對(duì)不同類別的故障提出不同的維護(hù)方案。根據(jù)維護(hù)當(dāng)中的實(shí)際案例，重點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)的滲漏檢測做了詳細(xì)的說明，總結(jié)分享了維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為今后的維護(hù)工作提供了參考和借鑒。

Abstract： The fuel tank inerting system is an important system to prevent the explosion of fuel tank. After introducing the system principle and main components， this paper summarizes and classifies the faults of the system， and puts forward different maintenance schemes for different types of faults. According to the actual cases in maintenance， the leakage detection of the system is described in detail， and the maintenance experience is summarized and shared， which provides a reference for future maintenance work.

關(guān)鍵詞：燃油箱惰性氣體系統(tǒng);空調(diào)勤務(wù)系統(tǒng);空氣分離器;滲漏檢測

Key words： FTIS;CSAS;ASM;leakage detection

中圖分類號(hào)：V228.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）10-0115-03

0 ?引言

飛機(jī)燃油系統(tǒng)是飛機(jī)上最為關(guān)鍵的機(jī)載系統(tǒng)之一，為發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置提供安全可靠地燃油[1]，而燃油箱爆炸是造成空難的重要隱患之一。近年來，已多次發(fā)生因燃油箱爆炸而導(dǎo)致飛機(jī)損壞或損毀的事故，造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失[2]。為此，油箱惰化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)油箱“起火三因素”——燃油蒸汽、氧氣、火源[3]，油箱惰化技術(shù)可分為被動(dòng)式防火抑爆措施、主動(dòng)式防火抑爆措施兩類。被動(dòng)式防火抑爆措施主要通過填充抑爆泡沫，將油箱內(nèi)混合氣體的燃燒控制在局部，即油箱在某一部分發(fā)生燃燒情況后，可抑制燃燒的蔓延，防止油箱內(nèi)氣體壓力超過承載限度造成爆炸。主動(dòng)式防火抑爆措施則通過某種技術(shù)降低油箱上部氣相空間氧濃度，使其在遭遇點(diǎn)火源的情況下，因無充足的氧氣而無法燃燒[4]。目前，抑制燃油箱爆炸的主要方法有向燃油箱填充網(wǎng)狀泡沫、氮?dú)?、海?301或安裝機(jī)載惰性氣體系統(tǒng)等[5]。

1 ?惰性氣體系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)原理

燃油箱爆炸是燃油箱惰性氣體系統(tǒng)（Fuel Tank Inerting System，F(xiàn)TIS）是一套可產(chǎn)生惰性化氣體并充灌至油箱空隙中以防止油箱內(nèi)產(chǎn)生可燃混合物的系統(tǒng)。燃油箱內(nèi)燃油液面上部空間充滿了燃油蒸汽和空氣的混合物，其有不確定的安全隱患。為了防止由于油箱中部件或系統(tǒng)失效而導(dǎo)致燃油箱著火爆炸，需要把油箱中的氧氣總量減少至12%或以下。因?yàn)榭諝庵杏?8%為氮?dú)猓@取方便，惰性化系統(tǒng)一般采用氮?dú)鈦沓涔嘤拖鋄1]。

圖1為燃油箱惰性氣體系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng)，分別是惰性氣體產(chǎn)生系統(tǒng)（Inert Gas Generation System，IGGS）和空調(diào)勤務(wù)系統(tǒng)（Conditioned Service Air System，CSAS）。CSAS系統(tǒng)給惰性氣體產(chǎn)生系統(tǒng)提供正確溫度、壓力、流量的氣流，IGGS系統(tǒng)通過分離氣流來產(chǎn)生富氮?dú)怏w和富氧氣體。富氧氣體通過管道排出機(jī)體，富氮?dú)怏w則被充灌至燃油箱中。

氮?dú)馐且环N化學(xué)上不活潑的氣體，因?yàn)樗恢С痔細(xì)浠衔锶紵磻?yīng)，也不與燃料系統(tǒng)部件和設(shè)備的材料反應(yīng)。當(dāng)富氮?dú)膺M(jìn)入燃油箱時(shí)，它將空氣中的氧氣通過排氣管排出燃油，使得燃油箱中出現(xiàn)惰性狀態(tài)。當(dāng)油箱中的平均氧氣濃度達(dá)到以下要求時(shí)，油箱被認(rèn)定為惰性狀態(tài)：

①海拔低于3048 m（10000.18 ft）時(shí)，氧氣濃度低于12%;

②海拔從3048 m（10000.18 ft）至12192 m（40000.73 ft）時(shí)，氧氣濃度上限為12%至14.5%線性直線，如圖2所示;

③或在高于12192 m（40000.73 ft）高度時(shí)小于或等于其線性外推值。

兩個(gè)系統(tǒng)分別有自己的核心計(jì)算機(jī)——IGGS控制組件（IGGS Controller Unit，ICU）和CSAS控制組件（CSAS Controller Unit，CCU），它們之間有數(shù)據(jù)交互接口。同時(shí)也單獨(dú)監(jiān)控環(huán)境溫度，一旦一個(gè)檢測到不正確的信息，F(xiàn)TIS將停止工作。

飛機(jī)在巡航階段，ICU監(jiān)控IGGS，當(dāng)探測到故障時(shí)，與系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的正常邏輯比較，判斷空氣分離器（Air Separation Module，ASM）是否工作正常。當(dāng)探測到ASM不正常工作三次或以上，ICU發(fā)送故障信息給CCU，CCU再給CFDIU一個(gè)ECAM警告，以便維護(hù)使用。

1.2 主要部件

本節(jié)介紹IGGS系統(tǒng)的主要部件。除了ICU，檢查活門，油箱安裝座之外，其余部件都依托在一個(gè)托架上。如圖3示，該托架安裝在機(jī)身左側(cè)空調(diào)組件區(qū)域非增壓的機(jī)腹整流罩內(nèi)。

該組件核心部件是ASM，它內(nèi)部包含成百上千個(gè)十分細(xì)小的空心纖維，用來分離空氣中的氧氣和氮?dú)?。部件共?個(gè)接口：空氣入口，富氧出口和富氮出口。

從CSAS來的引氣在進(jìn)入ASM之前，首先要經(jīng)過一個(gè)空氣過濾器（D-ULPA Filter），該過濾器能保障清潔的空氣進(jìn)入ASM中而避免ASM被污染。同時(shí)過濾器還有一個(gè)溫度隔離的機(jī)制，確保進(jìn)入ASM的空氣溫度要大于54℃。

之后再經(jīng)過由ICU控制的隔離活門（Isolation Valve），當(dāng)隔離活門滿足以下兩個(gè)條件時(shí)就會(huì)關(guān)閉：①氣流的壓力小于15 psi;②氣流的溫度高于85℃。隔離活門有一個(gè)用于故障診斷的機(jī)械式目視位置指示器和關(guān)閉位指示開關(guān)，以便于ICU監(jiān)測隔離活門的操作并幫助故障的檢測。

ASM產(chǎn)生的富氮?dú)怏w再進(jìn)入油箱之前，首先經(jīng)過雙流量關(guān)斷活門（Dual Flow Shut-Off Valve，DFSOV）。該活門通常情況下是關(guān)閉狀態(tài)，將IGGS與油箱隔離，其關(guān)閉的條件與隔離活門條件一致。ICU通過兩個(gè)電磁閥操控DFSOV的打開來控制富氮流量的大小，其氣體流量的大小有低/中/高三檔。

在托架上一共有三個(gè)傳感器，分為兩類。一類是用于探測進(jìn)入ASM之前的空氣參數(shù)的壓力傳感器和溫度傳感器，它們將收集到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給ICU。第二類用于探測從ASM出來的富氮?dú)怏w的氧氣傳感器，在每一次飛行的巡航階段，該傳感器測量富氮?dú)怏w中的含氧量，將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給ICU。同時(shí)，氧氣傳感器也給出富氮?dú)怏w的壓力信號(hào)以便于監(jiān)視不正常情況。

1.3 系統(tǒng)控制

當(dāng)飛機(jī)處在地面時(shí)，除非有維護(hù)需求，正常情況下FTIS系統(tǒng)是不工作的。在維護(hù)操作期間，有兩種交互式自檢模式：無引氣自檢和有引氣自檢。自檢的引氣可以來自輔助動(dòng)力裝置或者來自地面氣源（通過空調(diào)組件1提供）。在飛行期間，F(xiàn)TIS系統(tǒng)的ICU在接受到CSAS的GO信號(hào)后自動(dòng)開始工作。該情況的發(fā)生必須滿足以下這些條件：

①引氣可用，該引氣可以通過1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力調(diào)節(jié)活門打開獲得，或者通過2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力調(diào)節(jié)活門和交輸活門同時(shí)打開獲得;

②輪胎重量信號(hào)為FALSE，即起落架沒有處在壓縮狀態(tài);

③環(huán)境控制系統(tǒng)（Environmental Control System，ECS），空調(diào)組件1處在工作狀態(tài)，流量控制活門沒有完全關(guān)閉，或者空調(diào)組件2處在工作狀態(tài)，流量控制活門沒有完全關(guān)閉，組件1的按壓開關(guān)處在OFF位，交輸活門處在開位;

④IGGS沒有處在鎖定狀態(tài);

⑤IGGS的全溫探測器所測量的溫度低于47℃（116.60 deg.f）;

⑥傳輸速率處在慢速位;

⑦發(fā)動(dòng)機(jī)1沒有火情。

由于FTIS系統(tǒng)是自動(dòng)工作，機(jī)組人員無法人工操作。如果上述①至⑦任一條件無法滿足，系統(tǒng)將自動(dòng)停止工作。ICU包含數(shù)字通道和模擬通道，模擬通道提供獨(dú)立的超溫停止，溫度停止限制為瞬時(shí)90℃（194.00 deg.f）。數(shù)字通道控制系統(tǒng)以及停止功能，溫度停止限制如下：

①IGGS溫度高于66℃（150.80 deg.f），低于75℃（167.00 deg.f）。在這些條件下，如果IGGS以高流量運(yùn)行，一分鐘后它變?yōu)橹辛?如果IGGS以中流運(yùn)行，一分鐘后變?yōu)榈土髁?如果IGGS以低流量運(yùn)行，則三分鐘后停止。

②IGGS溫度超過75℃（167.00 deg.f）和低于85℃（185.00 deg.f），兩分鐘后停止。

③IGGS溫度為85℃（185.00 deg.f），壓力閾值為60 psi（4.1369 bar）。

飛機(jī)必須在地面上才能進(jìn)行數(shù)字和模擬通道復(fù)位。數(shù)字鎖存器重置發(fā)生在自檢以后，模擬鎖存器重置發(fā)生在電源重啟。ICU控制和監(jiān)控IGGS系統(tǒng)，并執(zhí)行自檢功能以便監(jiān)控系統(tǒng)健康。

2 ?故障分析及處理

2.1 故障分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2018年度期間，某基地A320系列飛機(jī)關(guān)于惰性氣體系統(tǒng)故障共計(jì)發(fā)生11例?，F(xiàn)把故障進(jìn)行分類，方便于以后遇見類似故障進(jìn)行快速辨別，建立排故方案。

第一類，部件類故障。該類故障的原因是由于某一個(gè)部件的失效導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障。有故障歷史的部件有：ICU，溫度傳感器，過濾器，隔離活門，氧氣傳感器和ASM。該類故障較易處理，只需做無引氣測試，根據(jù)故障信息更換相應(yīng)的部件。

第二類，性能降級(jí)類故障。該類故障原因是因?yàn)锳SM氮?dú)夤?yīng)不足導(dǎo)致的性能下降。而氮?dú)夤?yīng)不足可能由多種原因造成：①ASM部件故障，使得無法從空氣中分離出足夠的氮?dú)?，進(jìn)而導(dǎo)致氮?dú)夤?yīng)不足。②管路滲漏。管路滲漏會(huì)導(dǎo)致氣流壓力不足。管路的滲漏不僅僅包括ASM管路的滲漏，甚至包括CSAS系統(tǒng)里的管路。

2.2 排故方案

針對(duì)第一類故障的方案一：

①首先可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，再進(jìn)行無引氣測試系統(tǒng)，確認(rèn)是否為真故障。

②根據(jù)測試反饋的故障信息，拆換相應(yīng)的部件。有時(shí)在不確定該部件是否工作正常的時(shí)候，需要與其他飛機(jī)進(jìn)行串件來驗(yàn)證。

③在更換傳感器時(shí)，可能故障依舊存在，這時(shí)需要考慮更換ICU。

④完成更換后，需要再進(jìn)行系統(tǒng)測試，并跟蹤飛機(jī)狀態(tài)，確保故障的排除。

針對(duì)第二類故障的方案二：

①首先進(jìn)行帶引氣測試。

②在測試開始后，使用滲漏檢測劑或者是肥皂水對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行滲漏檢測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)滲漏時(shí)，及時(shí)對(duì)滲漏處進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

③如果沒有發(fā)現(xiàn)滲漏，則更換ASM。

④在更換ASM更換后還沒有顯示故障排除，則需重新對(duì)管路進(jìn)行更仔細(xì)的滲漏檢測，同時(shí)要注意檢查CSAS系統(tǒng)中的管路是否有滲漏。

⑤排除故障后，需要再進(jìn)行系統(tǒng)測試，并跟蹤飛機(jī)狀態(tài)，確保故障的排除。

2.3 排故經(jīng)驗(yàn)

整個(gè)排故過程中，最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的是滲漏檢測。在此有幾個(gè)小提示：

①滲漏檢測一定要在帶引氣的測試過程中進(jìn)行，因?yàn)锳SM在地面時(shí)是不工作的，只有在引氣測試過程中，才會(huì)工作。一般測試過程大概維持3分鐘，對(duì)于檢測來說時(shí)間是不夠的，因此需要多次測試，以保證有充足的時(shí)間對(duì)整個(gè)管路進(jìn)行滲漏檢測。

②重點(diǎn)檢查各個(gè)管路之間的接口，在接口處會(huì)有紫色的卡子，特別是ASM兩端的卡子，如果安裝不當(dāng)特別容易泄露。此前有過這樣的實(shí)際案例。

③當(dāng)出現(xiàn)性能降級(jí)的警告時(shí)，排故人員可以查詢該飛機(jī)在近期間有沒有做過空調(diào)方面的維護(hù)，有的話，也可以從空調(diào)艙入手檢查滲漏。此處有實(shí)際案例，某架飛機(jī)的滲漏處就出在空調(diào)艙里的一根管路上，該管路在安裝時(shí)由于不方便接近，沒有正確的安裝而漏氣，從而導(dǎo)致了IGGS的性能降級(jí)。

3 ?總結(jié)

本文首先介紹了燃油箱惰性氣體系統(tǒng)的原理和部件組成，通過對(duì)機(jī)隊(duì)一整年的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)歸納了針對(duì)該系統(tǒng)的維修方案。并在經(jīng)驗(yàn)分享中，結(jié)合實(shí)例分析典型故障現(xiàn)象和處理方法。經(jīng)實(shí)踐表明，針對(duì)不同故障信息采用不同的檢測和維修方法，節(jié)省了維修成本和時(shí)間，提高了航線的維修效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]管天麟.利用OBIGGS降低飛機(jī)燃油箱內(nèi)水分[J].科技視界，2015（26）：97-98.

[2]李大海.淺談民用飛機(jī)燃油箱點(diǎn)火源防護(hù)適航條款[J].科技視界，2017（07）：269-270.

[3]王國法.飛機(jī)燃油油箱氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2013（11）：13-14.

[4]何勇，李超越.飛機(jī)燃油箱地面預(yù)洗滌技術(shù)理論研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，31（01）：95-100.

[5]金峙良，卞朋交，周佐俊.通氣系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)燃油箱惰化系統(tǒng)的影響[J].直升機(jī)技術(shù)，2016（02）：26-31.