飛機(jī)空中加油地面試驗技術(shù)通用化改進(jìn)

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川成都 610091)

引言

空中加油在現(xiàn)代軍事活動中具有非常重要的戰(zhàn)略地位，它能夠增加受油機(jī)的航程，增大有效載荷，延長續(xù)航時間。為考核飛機(jī)空中受油系統(tǒng)功能、性能是否滿足設(shè)計要求，在出廠前必須對飛機(jī)進(jìn)行空中加油地面模擬試驗，測試驗證飛機(jī)的空中加油性能(加油時間、加油流量/壓力)[1]。

1 試驗相關(guān)要求及現(xiàn)狀

空中加油地面試驗要求在整個流量(包括零流量)范圍內(nèi)，空中加油接頭入口處的燃油壓力應(yīng)調(diào)節(jié)到規(guī)定值[2-3]。目前，我國各主機(jī)廠主要利用地面燃油加油車加裝轉(zhuǎn)接裝置后與飛機(jī)空中受油頭對接這種形式來完成空中加油地面試驗。

然而，傳統(tǒng)的空中加油地面試驗方式在機(jī)型兼容性及使用維護(hù)上均存在一定程度的不足。本研究旨在通過分析研究，提出一種可兼容多機(jī)型使用且更易于機(jī)務(wù)操作維護(hù)的空中加油地面試驗技術(shù)方案。

2 傳統(tǒng)試驗方法簡介

2.1 試驗方式

如圖1為傳統(tǒng)的飛機(jī)空中加油地面試驗形式，試驗時機(jī)務(wù)人員的操作步驟如下：

(1) 首先完成空中加油地面試驗組件供油端與試驗架的對接；

(2) 將空中加油地面試驗組件加油端與地面燃油加油車相連；

(3) 通過空中加油地面試驗架完成加油管路與飛機(jī)空中受油頭的對接；

(4) 啟動加油車供油，進(jìn)行空中加油地面模擬試驗。

圖1 傳統(tǒng)的空中加油地面試驗形式

試驗過程中，燃油流動方向為：加油車→加油軟管→空中加油地面試驗組件→空中加油地面試驗架→加油軟管→空中加油頭→飛機(jī)空中受油頭→飛機(jī)加油總管→飛機(jī)油箱。

2.2 存在的問題

上述試驗方法工裝設(shè)備連接方便，操作簡單，但存在如下弊端：

(1) 系統(tǒng)缺少回路，油液只能單一方向流動，無法進(jìn)行自循環(huán)清洗及除水，油液污染度控制存在風(fēng)險隱患；

(2) 受限于飛機(jī)燃油加油車固定的加油壓力以及空中加油地面試驗組件(工作原理如圖2所示)不具備燃油增壓、調(diào)壓功能，傳統(tǒng)試驗方法存在加油壓力固定、加油功能單一、自動化控制程度低、機(jī)型兼容性差的缺點。一旦遇到科研或其他特殊型號飛機(jī)空中加油壓力、加油流量需求超出飛機(jī)燃油加油車的加油能力，則傳統(tǒng)的空中加油地面試驗方式無法滿足試驗要求，須新研空中加油壓力匹配的地面設(shè)備來完成空中加油地面試驗，這無疑增加了設(shè)備購買成本以及維護(hù)成本；

1.單向活門 2.流量計 3.壓力表 4、5.手動球閥圖2 空中加油地面試驗組件工作原理圖

(3) 空中加油地面試驗組件在長期的使用維護(hù)過程中，供油管路上各成附件安裝固定處極易發(fā)生密封件失效，從而導(dǎo)致頻發(fā)漏油現(xiàn)象；

(4) 空中加油地面試驗結(jié)束后，在拆卸管路時，由于加油管路里殘留有余油，管路較重，給機(jī)務(wù)拆卸管路帶來極大不便，同時也易造成壞境污染。

3 試驗方法改進(jìn)分析

圍繞傳統(tǒng)試驗方法使用中暴露出來的問題，經(jīng)分析，系統(tǒng)可作如下改進(jìn)：

(1) 增加回路，構(gòu)建系統(tǒng)閉環(huán)油路，在供油路上設(shè)置兩級過濾裝置，在回油路上增設(shè)除水過濾器，使系統(tǒng)具備自循環(huán)清潔、除水功能，系統(tǒng)油液清潔度可以得到充分保證；

(2) 優(yōu)化改進(jìn)油源端，使油源具備加油增壓及調(diào)壓功能，能按預(yù)設(shè)的要求輸出一定壓力和流量的燃油，以此提高自動化控制程度和機(jī)型兼容性；

(3) 增設(shè)管路余油抽除功能，在加油結(jié)束后對加油軟管內(nèi)余油進(jìn)行抽除，以此減輕機(jī)務(wù)維護(hù)的工作負(fù)擔(dān)。

此外，考慮到由于空中壓力加油流量大，加油過程中流量的快速變化會導(dǎo)致壓力的大幅波動，特別是加油過程中時，由于加油活門快速關(guān)閉，必然產(chǎn)生劇烈的壓力沖擊。壓力沖擊會引起強(qiáng)烈振動，極易導(dǎo)致系統(tǒng)管路、連接件等斷裂，系統(tǒng)附件及密封裝置損壞；沖擊壓力還會引起噪聲、聯(lián)接件松動、漏油等不良后果，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此，關(guān)于空中加油地面試驗組件供油路密封件高頻失效問題應(yīng)為壓力加油沖擊壓力所致。

近些年來國內(nèi)對空中加油系統(tǒng)以及液壓流體管路系統(tǒng)的壓力沖擊開展了部分研究工作，魏映等[4]、李正祥等[5]分析了液壓沖擊的原因及危害后提出了預(yù)防液壓沖擊的措施，周瑞祥等[6]研究了飛機(jī)地面壓力加油管路系統(tǒng)通向油箱的管路壓力脈動問題，任偉等[7]研究了飛機(jī)壓力加油過程沖擊壓力的周期性變化，李小剛等[8-9]對飛機(jī)空中加油系統(tǒng)壓力沖擊抑制優(yōu)化進(jìn)行了仿真分析，王佳等[10]、王成賓等[11]研究驗證了蓄能器緩沖液壓沖擊的效果。

因此，為有效減少液壓沖擊所帶來的危害，為系統(tǒng)增設(shè)蓄能器是很有必要的。

4 通用化改進(jìn)情況

4.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

通過上述分析，本研究提出一種集加油、增壓、自循環(huán)、控制等多功能為一體，并可兼容多型飛機(jī)使用的高效率飛機(jī)空中加油地面試驗技術(shù)方案。

如圖3所示，系統(tǒng)增壓、調(diào)壓裝置的核心部件由增壓泵6、安全閥12和調(diào)壓閥13構(gòu)成：增壓泵6為變量泵，由大功率變頻電機(jī)5驅(qū)動，可根據(jù)不同工況的需要調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速，為系統(tǒng)提供不同的供油流量，滿足不同機(jī)型的可調(diào)輸出流量需求；安全閥12用于保證系統(tǒng)輸出壓力不會超過飛機(jī)受油口的安全壓力值，安全閥設(shè)定好后，用安全螺母進(jìn)行固定，防止由于抖動產(chǎn)生變化；調(diào)壓閥13為電液比例溢流閥，其調(diào)定壓力與輸入電流成比例，系統(tǒng)根據(jù)操作人員預(yù)設(shè)的壓力需求，將輸入指令轉(zhuǎn)換成電流信號實時調(diào)節(jié)閥的開度，從而調(diào)整加油流量，直至主油路壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值。

1、11.油箱 2、10單向活門 3.供油粗濾 4、21.進(jìn)油取樣閥5.電機(jī) 6.增壓泵 7.手動球閥 8.補(bǔ)油箱 9.液位計 12.安全閥13.調(diào)壓閥 14、19、20、22、26.電磁閥 15.除水過濾器16.抽油泵 17.流量計 18.供油精濾 23.壓力計 24.壓力指示器25.蓄能器 27.加油軟管 28.抽油放氣閥 29.加油接頭圖3 改進(jìn)優(yōu)化后的技術(shù)方案

系統(tǒng)采用旁路溢流的方法進(jìn)行無級調(diào)壓，可實現(xiàn)調(diào)壓加油和定壓加油，匹配不同機(jī)型空中加油地面試驗加油壓力的使用需求，大大提高了機(jī)型兼容性。溢流到調(diào)壓支路的燃油進(jìn)入補(bǔ)油箱，當(dāng)補(bǔ)油箱裝滿后，后續(xù)的調(diào)壓余油從補(bǔ)油箱的頂部排出，流經(jīng)單向閥10后回油到主油箱。

系統(tǒng)通過集成PLC智能控制技術(shù)、觸摸屏操作、傳感器反饋技術(shù)，實現(xiàn)電子閉環(huán)自動控制。另外，系統(tǒng)設(shè)有手動控制方式，可作應(yīng)急備份使用。

如圖4所示，控制器通過接收來自控制面板上觸摸屏或按鍵的輸入指令以及傳感器的反饋信號，通過邏輯分析、綜合運算后，輸出離散I/O量、D/A模擬量用于控制電機(jī)啟停、閥門通斷、壓力閥開度、油泵轉(zhuǎn)速等動作。運行過程中控制程序不斷采集壓力傳感器信號、流量傳感器等信號，在與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的要求值進(jìn)行比較后，實時輸出相應(yīng)的調(diào)整信號，使得系統(tǒng)值始終保持與預(yù)設(shè)值相同。

圖4 電氣控制原理框圖

4.2 其他優(yōu)化改進(jìn)說明

(1) 系統(tǒng)具備自循環(huán)油路以及抽油回路，可進(jìn)行加油前的自循環(huán)清潔、除水以及加油結(jié)束后對加油軟管余油進(jìn)行抽除；

(2) 在供油路上串入蓄能器25，消除試驗過程中可能存在的液壓沖擊，設(shè)備使用壽命得到提升；

(3) 在補(bǔ)油箱的底部設(shè)置手動球閥7，便于在啟動燃油增壓泵時，對吸油管進(jìn)行補(bǔ)油排氣，防止燃油增壓泵內(nèi)進(jìn)入大量的空氣；

(4) 當(dāng)空中加油頭采用其他國際型號時，加油頭與加油軟管之間的機(jī)械接口具有防錯措施[12]。此外，為保證空中加油頭的快速更換，加油頭與供油軟管之間采用了快卸自封接頭進(jìn)行連接。

4.3 具體工作模式介紹

改進(jìn)后，系統(tǒng)可分別實現(xiàn)自循環(huán)清洗、空中加油、余油抽除工作模式。

1) 自循環(huán)清潔、除水工作過程

在控制面板上啟動“循環(huán)清潔”工作模式，自動控制程序自動斷開電磁閥19、26，接通電磁閥14、20、22。燃油由油箱1抽出，經(jīng)單向閥2，在供油粗濾3處過濾較大的雜質(zhì)，經(jīng)燃油增壓泵6、流量計17后，在供油精濾18處過濾較小的雜質(zhì)，然后過電磁閥20、電磁閥22，在除水過濾器15處進(jìn)行除水后，經(jīng)電磁閥14后回到油箱。在自循環(huán)一段時間后，可從取樣閥4、21處取樣化驗，檢查油液污染度是否達(dá)標(biāo)。

2) 空中加油工作過程

系統(tǒng)自循環(huán)清潔、除水工作完畢后，經(jīng)采樣化驗檢查油液污染度合格后，可進(jìn)行空中加油。

在控制面板上啟動“空中加油”工作模式，自動控制程序自動斷開電磁閥14、19、22，接通電磁閥20、26。燃油從油箱1抽出，經(jīng)單向閥2、供油粗濾3，經(jīng)燃油增壓泵6增壓，及調(diào)壓閥13根據(jù)預(yù)設(shè)壓力需求進(jìn)行旁路調(diào)壓后，流經(jīng)流量計17、供油精濾18、電磁閥20、電磁閥26、加油軟管27和空中加油頭29，最后進(jìn)入飛機(jī)。

3) 余油抽除工作過程

在空中加油地面試驗結(jié)束后，為方便加油軟管的拆卸，可對管路余油進(jìn)行抽除，以減輕加油軟管的重量。

首先，手動擰開空中加油頭轉(zhuǎn)接組件上的排氣閥28，然后在控制面板上啟動“余油抽除”工作模式，自動控制程序自動斷開電磁閥14、20、22，接通電磁閥19、26，啟動抽油泵16。加油軟管內(nèi)殘余的燃油流經(jīng)電磁閥26、電磁閥19、抽油泵16進(jìn)入補(bǔ)油箱7，在補(bǔ)油箱裝滿油的情況，燃油經(jīng)單向閥回到油箱內(nèi)部。

5 實際應(yīng)用情況

改進(jìn)后的空中加油地面試驗設(shè)備主要由油罐、顯控系統(tǒng)(含增壓調(diào)壓組件、抽油組件和電氣控制組件)、傳感器系統(tǒng)、管道系統(tǒng)等部分組成。

設(shè)備采用分體固定式模塊化設(shè)計，各模塊組件獨立安裝固定。設(shè)備油罐組件安裝于地下油庫，受油組件安裝于油庫上前方，油罐組件通過埋于地下的不銹鋼吸油管道與室內(nèi)的增壓調(diào)壓組件、抽油組件連接。增壓調(diào)壓組件及設(shè)備其它部分安裝于機(jī)庫旁的設(shè)備間內(nèi)，通過埋地管道與油罐組件連接。油罐主體采用雙層304不銹鋼材質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過切割、折彎、焊接、打磨、清洗等工藝制造完成。油罐整體采用橢圓外形結(jié)構(gòu)，加入適量加強(qiáng)鋼梁，使油罐具有良好的壓力承受能力。在油罐內(nèi)部設(shè)置橫向、縱向擋波板，用于防止油罐在移動或是供回液時產(chǎn)生較大的沖擊。油罐底部兩側(cè)采用工字鋼制成固定，用于安裝時固定油罐，同時固定底座兩側(cè)開有叉車孔，方便使用叉車進(jìn)行短距離移動。油罐兩端設(shè)計有吊裝吊耳，方便進(jìn)行吊裝作業(yè)。

增壓調(diào)壓組件主體采用鈑金廂體進(jìn)行覆蓋，并開設(shè)維護(hù)保養(yǎng)艙門和進(jìn)出油管孔。設(shè)備設(shè)置專用的防爆供電接頭，電接頭采用三相五線制接頭形式。電動卷管器則設(shè)置在廂體外面，便于操作人員可直觀的操作。在廂體內(nèi)部鋪設(shè)隔音棉，燃油泵底座安裝減震塊，降低噪聲。

設(shè)備采用油、電隔離設(shè)計，防爆電氣箱、系統(tǒng)電氣控制部分與油路采用獨立布置。防爆電機(jī)、傳感器通過防爆電纜與電氣控制部分連接，避免電氣系統(tǒng)與油路系統(tǒng)混合布置產(chǎn)生的安全隱患。

設(shè)備所選器件(電機(jī)、防爆箱、油泵、球閥、傳感器等)均為符合國家標(biāo)準(zhǔn)防爆等級產(chǎn)品。所有電子元件都安裝于防爆控制箱內(nèi)，防爆箱密封件、管道密封圈及系統(tǒng)減震墊都選用環(huán)保阻燃材料硅橡膠。系統(tǒng)電纜全部采用防火阻燃硅橡膠電纜，裸露部分全部采用防爆軟管進(jìn)行防護(hù)。

設(shè)備設(shè)置有專用靜電接地電纜，各個模塊組件采用全金屬結(jié)構(gòu)，與靜電接地線可靠連接。加油軟管采用金屬紡織橡膠管，并可靠接地。

如圖5所示，通過軟件界面可選擇工作模式；參數(shù)更改設(shè)置則具備密碼保護(hù)鎖定功能，如圖6所示。

圖5 控制面板初始界面 圖6 密碼確認(rèn)界面

控制面板能實時顯示供油壓力、流量、電壓、液位、報警信息、污染度等關(guān)鍵參數(shù)，同時顯示過濾器壓差狀態(tài)、系統(tǒng)告警燈信息，并提供即時聲光警報信號。控制面板操作簡單方便，系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速準(zhǔn)確，能按預(yù)設(shè)的要求進(jìn)行供輸油。另外，設(shè)置有緊急停止按鈕，緊急情況時能夠快速停止系統(tǒng)運行。

系統(tǒng)具備邏輯控制、參數(shù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、記錄儲存、實時報警等功能，并可通過預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸端口進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、下載。

6 結(jié)論

基于傳統(tǒng)空中加油地面試驗存在的不足，本研究以問題為導(dǎo)向開展研究分析，對飛機(jī)空中加油地面試驗技術(shù)方案進(jìn)行了改進(jìn)。

改進(jìn)后空中加油地面試驗設(shè)備具有如下優(yōu)勢：

具備自循環(huán)清洗功能，試驗設(shè)備的油液污染度得到充分保證；在設(shè)備加油能力允許范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)壓，可以滿足不同空中加油壓力、流量需求的機(jī)型完成空中加油地面試驗，實現(xiàn)兼容多機(jī)型使用的目標(biāo)；對控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化升級后，實現(xiàn)設(shè)備操控智能化，提升了工作效率；試驗結(jié)束后的余油抽除功能則可以有效減輕機(jī)務(wù)工作者拆卸管路的工作負(fù)擔(dān)。

因此，本次飛機(jī)空中加油地面試驗技術(shù)通用化改進(jìn)是完全可行的。