基于AMESim仿真的直升機燃油箱惰化仿真分析

韓 楊

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

飛機燃油系統(tǒng)起火或爆炸是導(dǎo)致飛機失事的主要原因之一，飛機燃油箱的防火防爆能力關(guān)系到飛機整體的生存能力及機上工作人員和乘客的人身安全[1,2]。因此，燃油箱惰化技術(shù)應(yīng)運而生。

燃油箱惰化是采用一系列技術(shù)措施，使飛機燃油箱氣相空間的氧濃度在整個飛行過程中低于支持燃油箱中的燃油和燃油蒸汽燃燒或爆炸所需要的氧濃度[3]。現(xiàn)代固定翼飛機多利用機載制氮系統(tǒng)產(chǎn)生的富氮氣體沖洗燃油箱上部氣相空間，使氣相空間的氧濃度低于所要求的極限氧濃度值。有研究表明，當燃油箱中氣相空間的氧氣濃度低于9%時，即使有點火源或在被23mm口徑燃燒彈擊中的情況下也不會發(fā)生燃燒或爆炸。

本文采用仿真軟件AMESim搭建了直升機燃油箱沖洗惰化的系統(tǒng)模型。通過數(shù)值仿真得到?jīng)_洗惰化平均氧濃度變化的一般規(guī)律；同時進行全包線沖洗惰化仿真，觀察直升機沖洗惰化效果；分析沖洗惰化一維仿真的特點。本文研究結(jié)果可為直升機燃油箱惰化系統(tǒng)的工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 燃油箱惰化數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

1)富氮氣體、氣相空間中的氧氣和氮氣、燃油蒸汽及其混合氣體可視為理想氣體；

2)燃油箱為大空間結(jié)構(gòu)，相對進出口的流通面積大，流阻小，進出口的壓力相差不大，因此將富氮空氣視為不可壓氣體，即進出口體積流量相等；

3)富氮氣體溫度與燃油溫度相等；

4)在任意壓力下，富氮氣體流量恒定；

5)燃油中溶解氧不溢出；

6)富氮氣體充入燃油箱氣相空間后與空間內(nèi)原有的氣體充分混合；

7)流出燃油箱的氣體的氧濃度就等于氣相空間的氧濃度[4]。

1.2 惰化模型建立

單艙燃油箱沖洗惰化過程如圖1所示。

圖1 單艙沖洗惰化示意圖

由于流入和流出燃油箱的體積流量相等，即：

(1)

根據(jù)氧氣的守恒，在dt微元時間內(nèi)凈流入燃油箱的氧氣體積等于氣相空間內(nèi)氧氣體積的變化，列出微分方程如下:

VU(XO，U(t)+dx(O，U)(t))-VUxO，U(t)

(2)

將公式(1)代入到公式(2)并化簡得：

(3)

令x=xO,NEA-xO,U(t)，則dx=-dxO,U(t)，代入公式(3)得：

(4)

對公式(4)進行積分：

(5)

積分得：

(6)

將x0=xO,NEA-xo,amb，xt=xO,NEA-xO,U(t)代入上式，其中xo,amb為外界大氣環(huán)境氧濃度，由上式可得：

(7)

將上式左側(cè)轉(zhuǎn)化為燃油箱惰化率的形式，得：

(8)

通過上式就可以求出沖洗惰化過程中氣相空間氧濃度xO，U隨時間t的變化情況。同時，結(jié)合公式(1)以及公式(2)，則上式可以寫成無量綱參數(shù)形式，式中IR為惰化率，VTE為體積置換次數(shù)[5]。

IR=1-e-VTE

(9)

2 基于AMESim的模型建立

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，分別建立單艙燃油箱地面沖洗惰化和單艙燃油箱在全包線下的沖洗惰化仿真兩種模型。

2.1 單艙燃油箱地面沖洗惰化

在AMESim仿真軟件的Sketch mode中從Gas Mixture子模庫以及Aircraft Fuel System子模庫等選擇元件模型完成簡化模型的搭建如圖2。

在Sketch mode中完成系統(tǒng)仿真模型后，進行仿真模型的選擇和參數(shù)設(shè)定，包括燃油箱形狀、體積、燃油箱內(nèi)氣體成分、各組分濃度、燃油箱內(nèi)部溫度等。同時需要設(shè)定燃油箱入口沖入氮氣的溫度、濃度、流量，燃油箱出口處壓力、溫度以及出口處外界氣體的濃度。

2.2 單艙燃油箱在全包線下的沖洗惰化仿真

在AMESim仿真軟件的Sketch mode中從Gas Mixture子模庫以及Aircraft Fuel System子模庫等選擇元件模型完成簡化模型的搭建如圖4。模型二與模型一對比，模型二增加了一路燃油泵，控制惰化過程中燃油箱中燃油的消耗速率等。同時模型二中信號的輸入方式也有所變化。

在Sketch mode中完成系統(tǒng)仿真模型后，進行仿真模型的選擇和參數(shù)設(shè)定，設(shè)置內(nèi)容與單個燃油箱地面沖洗惰化相似，但是要將全包線下外界大氣壓力的變化、富氮氣體濃度的變化以及流量變化等以函數(shù)的形式進行輸入，同時要增加燃油泵參數(shù)設(shè)定以及燃油消耗速度設(shè)定。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 單艙燃油箱地面沖洗惰化仿真分析

3.1.1 濃度一定，流量改變的情況下，沖洗惰化速率的變化情況

地面狀態(tài)下，富氮氣體濃度為95%，沖洗流量分別為33.3×10-3m3/s、2.22×10-3m3/s、1.11×10-3m3/s。數(shù)值計算所得的體積氧濃度隨時間變化的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，三種流量的富氮氣體使氣相空間內(nèi)的體積氧濃度下降到9%的時間分別為950s、1450s、2850s。這組數(shù)據(jù)充分說明富氮氣體在濃度相同的情況下，沖洗流量越大，所需的時間越少，效率越高。

將所得到的數(shù)據(jù)做無量綱處理，即惰性氣體需求量與油箱氣體空間體積比值(即VTE：體積置換次數(shù))(如圖5)。從圖5中可看出，三條曲線基本重合。這說明，富氮氣體的濃度一定時，體積置換次數(shù)與富氮氣體沖洗流量無關(guān)，即說明富氮氣體需求量相同。由此可知，對空燃油箱A進行富氮氣體濃度95%的沖洗惰化并使體積氧濃度到達9%以下所需的富氮氣體體積為1.8倍燃油箱A體積。

3.1.2 流量一定，濃度改變的情況下，沖洗惰化速率的變化情況

地面狀態(tài)下，分別以濃度為99%、95%、92%的富氮氣體對燃油箱進行沖洗，并保證沖洗流量為。數(shù)值計算所得的氧體積濃度隨時間變化的關(guān)系如圖6所示。

從圖6中可以看出，三種濃度的富氮氣體使氣相空間內(nèi)體積氧濃度下降到9%的時間分別為900s、1500s、3500s。這組數(shù)據(jù)充分說明在單位時間內(nèi)沖洗流量相同的情況下，富氮氣體濃度越高，所需要的時間越少，效率越高。

對所得到的數(shù)據(jù)做無量綱化處理，處理結(jié)果如圖7所示。從圖可知，富氮氣體濃度越高，所需的置換次數(shù)越少，所需要的富氮氣體總量越少；但所需富氮氣體濃度越高，對機載制氮系統(tǒng)的制氮效率要求越高。

3.2 單艙燃油箱全包線沖洗惰化仿真。

選取某一工況下完整飛行包線，包線如表1所示。

表1 飛行包線

在先前階段的研究中，為了提高富氮氣體利用率，降低機載制氮系統(tǒng)的壓力，對直升機在各個不同階段的富氮氣體需求量進行了分析，現(xiàn)按照所得結(jié)果對此仿真進行邊界條件設(shè)置。

選取載油率為95%的燃油箱A，在整個飛行包線內(nèi)：起飛爬升階段以5kg/h，氮氣濃度為95%的富氮氣體進行沖洗；在平飛巡航階段以1kg/h，氮氣濃度為98%的富氮氣體進行沖洗；在俯沖降落階段以2.56kg/h，氮氣濃度為91%的富氮氣體進行沖洗。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 全包線沖洗惰化仿真結(jié)果

從圖8可以得知，如果從惰化開始，沖洗濃度以及沖洗流量達到了所設(shè)置的標準值，則在大約350s，燃油箱中體積氧濃度就可以下降到9%，在后續(xù)的沖洗惰化過程中，平均體積氧濃度始終維持在9%以下。在4100s，燃油箱上部氣相空體積氧濃度到達最低，約為4.8%。隨著直升機俯沖下降，進行沖洗的富氮氣體濃度下降，燃油箱內(nèi)體積氧濃度開始上升，最大濃度約為6.2%。因此，在整個飛行過程中，可以保證燃油箱始終處于惰化狀態(tài)。

同時，AMESim完成計算的時間為10s左右，計算代價小，計算趨勢穩(wěn)定。

4 結(jié)論

結(jié)合燃油箱沖洗惰化的工作原理，對影響沖洗惰化的參數(shù)進行研究。研究結(jié)果表明富氮氣體濃度以及富氮氣體流量均可對惰化過程產(chǎn)生影響。同時，通過仿真可知直升機在指定飛行包線內(nèi)按一定的惰化程序進行燃油箱惰化，基本能保證燃油箱始終都處于惰化狀態(tài)。同時，采用AMESim進行仿真計算,代價小，計算趨勢穩(wěn)定，在短時研究周期中占有優(yōu)勢。