直升機墜毀后燃油系統(tǒng)對燃油的包容性研究

袁斐 杜榮超 蔣佳峻

摘? ?要：本文首先從油箱部分和油箱外管路部分兩方面對燃油系統(tǒng)可能的泄漏源進行了分析。針對這些泄漏源，基于直升機可生存墜毀條件對燃油系統(tǒng)進行抗墜毀設計，從系統(tǒng)級和部件級列出了需要完成的抗墜毀試驗項目。最后給出燃油包容性的評估方法，通過該方法對燃油系統(tǒng)各部件的抗墜毀特性進行評估，以期最大程度地利用當前先進的抗墜毀技術(shù)。

關鍵詞：燃油系統(tǒng)? 抗墜毀技術(shù)? 燃油包容性

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0006-03

Abstract： This article first analyzes possible leakage sources from two aspects of fuel tanks and external lines in the fuel system. For these leakage sources， the crash resistant fuel system is design based on the survival crash condition. The crash resistant test items to be completed are listed from the system level and component level. Finally， the evaluation method of fuel containment is given， by which the components crash resistant characteristics are evaluated， to maximize the use current advanced crash resistant technology.

Key Words： Fuel System; Crash Resistant Technology; Fuel Containment

直升機墜毀事故表明對于機上人員生存影響最大的因素就是因燃油泄漏而引發(fā)的火災。在直升機墜毀后，從燃油系統(tǒng)中泄漏的燃油油氣會包圍在直升機周圍。當遇到火花或其他點燃源如熱表面、其他可燃液體燃燒的火焰，油氣在0.6s內(nèi)會被點燃。受燃燒的油氣膨脹加速火焰蔓延速度可達到45ft/s。同時低揮發(fā)性燃油并不能防止燃油被點燃。因此，直升機墜毀后燃油系統(tǒng)對燃油的包容是減少火災的關鍵，必須防止燃油泄漏。本文基于直升機在可生存撞擊墜毀條件下對燃油系統(tǒng)內(nèi)燃油的包容性進行研究。

1? 泄漏源分析

直升機燃油系統(tǒng)一般包括儲油系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、輸油系統(tǒng)、油箱通氣系統(tǒng)、壓力加油系統(tǒng)以及油量測量系統(tǒng)。從燃油的包容性方面考慮，可分為油箱部分及油箱外管路部分，如圖1所示。

1.1 油箱部分

油箱部分包括影響油箱完整性的所有部件，包括油箱之間的連通接頭、通氣管路接頭、供油管路接頭、加油管路接頭、各設備的安裝接口以及油箱內(nèi)部設備。在直升機墜毀后，油箱部分可能的泄漏源包括：

油箱箱體受燃油沖擊被撕裂，也可能被周圍結(jié)構(gòu)尖邊刺穿或被油箱內(nèi)部設備如油量傳感器刺穿，燃油泄漏;

油箱接頭與周圍結(jié)構(gòu)存在相對位移，接頭與油箱本體結(jié)合面出現(xiàn)漏油;

油箱下部放泄閥受到地面撞擊后，閥門打開，燃油從閥門流出;

油箱下部設備受到撞擊后，安裝法蘭破裂。

1.2 油箱外管路部分

油箱外部管路包括供油管路、通氣管路以及壓力加油管路及其上的設備。可能的滲漏源包括：

管路受周圍結(jié)構(gòu)的擠壓或切割出現(xiàn)破損，燃油泄漏;

管接頭與周圍結(jié)構(gòu)之間存在相對位移，管接頭從管體上被拉脫出現(xiàn)漏油;

在受到撞擊后發(fā)動機脫離機體，與之相連的供油管路受到拉扯而損壞;

安裝在管路上的設備與結(jié)構(gòu)一起移動，與之連接的管路受到拉扯而損壞;

直升機發(fā)生側(cè)翻，油箱中的燃油從通氣管路中流出。

2? 防止燃油泄漏的措施

2.1 燃油系統(tǒng)抗墜毀設計

為保證直升機在墜毀后燃油能包容在系統(tǒng)中，燃油系統(tǒng)應采用抗墜毀設計技術(shù)。

（1）燃油箱。

當今現(xiàn)役直升機安裝的燃油箱有橡膠軟油箱、金屬油箱、尼龍油箱等。然而直升機可生存撞擊試驗表明金屬油箱和尼龍油箱在受到撞擊后易于撕裂或被刺穿，而滿足MIL-T-27422B抗墜毀標準要求的橡膠軟油箱能夠滿足燃油的包容要求。對于民用直升機，燃油箱也可按照TSO-C80、CCAR29.952及CCAR29.963要求進行研制。軟油箱與油箱艙之間不能存在硬連接，油箱側(cè)壁可采用尼龍搭扣固定，頂部利用掛繩懸掛在油箱艙結(jié)構(gòu)上。油箱接頭具有變形補償功能，以便補償周圍結(jié)構(gòu)與油箱之間存在的相對位移，防止油箱接頭從油箱壁上撕裂。油箱安裝采用易斷連接，如易斷螺栓、易斷片等，在直升機墜毀時，易斷片斷裂，油箱與結(jié)構(gòu)脫離，防止油箱被結(jié)構(gòu)撕裂。圖2是某型直升機油箱下部連接，在受到撞擊后，易斷連接件斷裂，附件安裝板與油箱一起向上移動，與結(jié)構(gòu)分離。

（2）燃油管路及接頭。

燃油系統(tǒng)管路采用抗墜毀柔性軟管，盡量布置在機身主要承力結(jié)構(gòu)附近，同時可對周圍結(jié)構(gòu)的變形提供長度補償。在進行軟管布置時，可預留20%～30%的長度，且軟管自身也可實現(xiàn)拉長20%而無燃油泄漏。在直升機撞擊時，管路與油箱以及管路與管路之間存在比較危險的相對運動，則在這些部位需要安裝易斷自封閥，閥脫開后每一側(cè)的燃油泄漏量不大于5滴/min。管路在結(jié)構(gòu)上的固定采用易碎卡箍，以便結(jié)構(gòu)變形時管路與結(jié)構(gòu)分離。

（3）燃油系統(tǒng)設備。

與燃油包容性關系較密切的設備主要有燃油泵、放泄閥、油量傳感器以及通氣閥等。

燃油泵通常安裝在油箱底部，燃油泵的安裝必須具有足夠的強度;

放泄閥放泄口能夠得到有效保護，防止墜毀時直接觸碰地面從而打開閥門;

油量傳感器采用易斷設計，受到撞擊后能夠自行折斷，防止刺破油箱;

安裝油箱通氣閥，以便在直升機發(fā)生側(cè)翻時防止油箱中燃油從通氣口溢出。

2.2 試驗驗證

為了驗證燃油系統(tǒng)在可生存撞擊條件下墜毀時燃油能夠包容在系統(tǒng)中，對燃油系統(tǒng)進行抗墜毀試驗。試驗通常按系統(tǒng)級和部件級分別進行。

（1）系統(tǒng)級試驗。

對軍機而言，油箱系統(tǒng)連同周圍結(jié)構(gòu)須按照MIL-T-27422B進行全尺寸油箱墜落試驗，墜落高度65ft;對民機而言，墜落試驗須滿足CCAR29.952條要求，墜落高度50ft。軍、民用直升機使用環(huán)境不同，則墜落試驗高度不同，更主要的是由于民機缺少足夠的墜毀事故調(diào)查數(shù)據(jù)來確定更高的墜落高度。

墜落試驗成功的唯一判據(jù)是無泄漏，從而表明墜毀后能夠包容燃油，即使油箱內(nèi)部設備損壞，油箱艙結(jié)構(gòu)破裂。圖3（a）為某型機油箱墜落試驗后油箱艙復材壁板破損，圖3（b）為油箱內(nèi)部油量傳感器斷裂，但系統(tǒng)無泄漏，通過墜落試驗。

（2）部件級試驗。

針對燃油包容性所進行的部件級試驗項目見表1。諸如燃油泵、放泄閥等設備通常隨油箱系統(tǒng)一起進行試驗。

3? 燃油包容性評估

在燃油系統(tǒng)設計階段應對燃油的包容性進行評估，主要評估系統(tǒng)中各部件抗墜毀特性，從而保證在直升機墜毀后其對燃油的包容性。評估可采用評分法從以下3個方面進行：（1）在直升機墜毀后對燃油包容性的影響程度;（2）燃油系統(tǒng)部件所能利用的抗墜毀技術(shù)水平;（3）抗墜毀技術(shù)在燃油系統(tǒng)部件中的落實程度。上述3個方面分別對應表2中的A、B、C項，每一項按1～5分進行打分。A項中的5分表明該部件對于墜毀后燃油能否被有效包容影響最大，在設計過程中需要重點關注，1分基本無影響。B項中的5分表明當前該部件已經(jīng)具有較好的抗墜毀技術(shù)水平，1分完全不具有抗墜毀性，需要重新設計。C項中的5分表明該產(chǎn)品已經(jīng)較好地落實了當前的抗墜毀技術(shù)水平，1分未落實。

通過評估，有助于改進設計以提高燃油系統(tǒng)對燃油的包容性。表中軟油箱對燃油的包容性評分為5分，并且所能利用的抗墜毀技術(shù)水平為5分，即油箱可采用抗墜毀軟油箱，但其落實水平僅3分，表明油箱抗墜毀技術(shù)并未落實到當前的油箱設計中，需要對燃油箱進行設計更改。

對于燃油系統(tǒng)部件的評估除分析其自身的固有設計特性外，還需要考慮安裝位置。如在可預期的墜毀條件下，能夠表明加油接頭周圍的結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變形，則加油接頭可賦予低分。

4? 結(jié)語

在直升機可生存的撞擊墜毀條件下，采用抗墜毀燃油系統(tǒng)能夠很好地解決墜毀后燃油的包容性問題，能夠最大限度地避免燃油泄漏。利用評分法對燃油系統(tǒng)的包容性進行評估，有助于燃油系統(tǒng)采用當前最新的抗墜毀技術(shù)。

參考文獻

[1] 運輸類旋翼航空器適航規(guī)定：CCAR-29-R1[S].2002.

[2] Advisory Circular， Certification of transport category rotorcraft ：AC29-2C [S]. Washington， D.C.： FAA， 2014.

[3] Roy G. Fox. Realistic Civil Helicopter Crash Safety， Crashworthy Design of Rotorcraft[R]. Atlanta，Georgia： Gerogia Institute of Technology， April 1986.

[4] H.P.Scheuerman. Crash Resistant Fuel Systems Demonstrations and Evaluation. Report： No. FAA-RD-71-27[R]. Atlantic City， New Jersey： National Aviation Facilities Experimental Center， August 1971.

[5] Richard L.Boitnott， Akif O.Bolukbasi， Sotiris Kellas. Helicopter Fuel Bladder Drop Tests and Analyses[R]. Washington， D.C.： American Helicopter Society， May 1994.