民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)技術(shù)研究

方慧波 王金彪

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

隨著民航的發(fā)展，飛機(jī)出行成為更多人的選擇[1]。民用飛機(jī)的飛行安全性成為所有民機(jī)人首要考慮的問題。因此，對飛機(jī)上最大的潛在火區(qū)發(fā)動機(jī)的防火就顯得尤其重要[2]。李淑艷[3]提供一種具有高速氣流流動防護(hù)區(qū)的通風(fēng)補(bǔ)償計算方法與管網(wǎng)設(shè)計準(zhǔn)則的發(fā)動機(jī)艙滅火劑用量計算的工程算法。李麗[4]介紹了民用飛機(jī)短艙滅火系統(tǒng)的試驗(yàn)要求、試驗(yàn)方案、試驗(yàn)結(jié)果可接受判據(jù)。景宏令[5]通過模擬真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證不同滅火劑用量下的滅火效果。本文介紹了一種適用于民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)的地面試驗(yàn)室試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。該地面試驗(yàn)室試驗(yàn)對后續(xù)機(jī)上試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

1 發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)

某民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)由綜合風(fēng)險數(shù)據(jù)集中器、兩個滅火瓶、“T”形單向閥、滅火導(dǎo)管、滅火噴嘴、發(fā)動機(jī)滅火控制板組成。在滅火時，滅火劑由滅火瓶釋放，通過滅火導(dǎo)管，向發(fā)動機(jī)的指定火區(qū)釋放滅火劑。滅火劑采用Halon1301。發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)可對任一發(fā)動機(jī)實(shí)施兩次有效滅火操作，或?qū)γ總€發(fā)動機(jī)各實(shí)施一次有效滅火操作。

根據(jù)CCAR25.1181定義，發(fā)動機(jī)艙為指定火區(qū)。發(fā)動機(jī)艙內(nèi)火區(qū)劃分為風(fēng)扇區(qū)和核心區(qū)。中國民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)試航條款25.1195(b)[6]要求滅火系統(tǒng)、滅火劑劑量、噴射速率和噴射分布必須足以滅火，必須通過真實(shí)或模擬的飛行試驗(yàn)來表明，在飛行中臨界的氣流條件下，每一指定火區(qū)內(nèi)滅火劑的噴射，可提供能熄滅該火區(qū)內(nèi)的著火并能使復(fù)燃的概率減至最小的滅火劑密集度。因此，為確保民用飛機(jī)的安全性，需要對發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。同時，為降低適航試驗(yàn)的周期和成本，先對發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)進(jìn)行地面試驗(yàn)室試驗(yàn)是很有必要的。

2 試驗(yàn)臺原理與組成

為模擬某民用飛機(jī)在飛行中臨界的氣流條件(風(fēng)車/ALT=5 000 ft/Ma=0.58/-84.1F時發(fā)動機(jī)的通風(fēng)流量)，本文建立了發(fā)動機(jī)滅火性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺，用于完成發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)。試驗(yàn)臺按照發(fā)動機(jī)艙內(nèi)形1∶1加工發(fā)動機(jī)艙，按照發(fā)動機(jī)外形1∶1加工發(fā)動機(jī)假件，按照飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)安裝滅火系統(tǒng)試驗(yàn)件。采用氣流模擬系統(tǒng)真實(shí)模擬發(fā)動機(jī)艙(含風(fēng)扇艙和核心艙)通氣入口的氣流流量。采用航電仿真系統(tǒng)模擬發(fā)動機(jī)艙滅火系統(tǒng)全部功能，包括滅火、告警、顯示、邏輯控制等。

民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)滅火性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺、氣流模擬系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。原理如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)原理簡圖

2.1 發(fā)動機(jī)滅火性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺

發(fā)動機(jī)滅火性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺如圖2所示，主要包括發(fā)動機(jī)假件、滅火瓶、滅火管路、滅火瓶安裝臺架及滅火管路支撐架等。試驗(yàn)臺為發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)的實(shí)施臺架，試驗(yàn)時，滅火劑經(jīng)由滅火管路釋放至發(fā)動機(jī)假件。

圖2 發(fā)動機(jī)滅火性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺簡圖

2.2 氣流模擬系統(tǒng)

氣流模擬系統(tǒng)[7]用于模擬飛行過程中的發(fā)動機(jī)真實(shí)的氣流情況。本系統(tǒng)采用鼓風(fēng)機(jī)作為供氣源頭，通過分支管路將氣流輸送到發(fā)動機(jī)試驗(yàn)?zāi)M艙。采用氣流調(diào)節(jié)閥、質(zhì)量流量計來實(shí)現(xiàn)流量控制，各支管流量由各分支管路在真實(shí)飛行過程中發(fā)動機(jī)上的氣流情況決定。對于民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)來說，發(fā)動機(jī)試驗(yàn)艙的氣流流量與滅火劑濃度是最重要的兩個試驗(yàn)參數(shù)，氣流流量的控制精度關(guān)系到整個試驗(yàn)的結(jié)果，因此，每條支路的氣流流量控制由高精度的氣體流量計通過測試系統(tǒng)實(shí)時顯示，并可通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到試驗(yàn)要求的通風(fēng)流量。

氣流模擬系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)及其配套設(shè)備、模擬系統(tǒng)管路、氣流調(diào)節(jié)閥、流量計等組成，其原理圖如圖3所示。

圖3 氣流模擬系統(tǒng)原理圖

2.3 航電仿真系統(tǒng)

航電仿真系統(tǒng)通過ARINC429、CAN總線信號、離散信號及模擬量信號等與綜合風(fēng)險數(shù)據(jù)集中器進(jìn)行信息交互，提供綜合風(fēng)險數(shù)據(jù)集中器工作所需的外部信號，并記錄綜合風(fēng)險數(shù)據(jù)集中器反饋的狀態(tài)信號。在民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)中，航電仿真系統(tǒng)用于控制滅火瓶爆炸帽，釋放滅火劑至發(fā)動機(jī)試驗(yàn)艙。

2.4 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和滅火劑濃度測試系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機(jī)、測控機(jī)柜、測試傳感器、調(diào)節(jié)閥門和數(shù)據(jù)線纜以及系統(tǒng)軟件等組成。計算機(jī)選擇PXI工控機(jī)，內(nèi)置AD板卡、DA板卡和串口卡。測控機(jī)柜選擇琴臺式結(jié)構(gòu)。測試傳感器通過測試線纜連接至測控機(jī)柜。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集發(fā)動機(jī)艙內(nèi)及滅火管路上安裝的壓力傳感器數(shù)據(jù)、氣流模擬系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)、滅火瓶溫度數(shù)據(jù)等。

FAA聯(lián)邦適航規(guī)章條款FAR25.1195提出滅火劑濃度與民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果休戚相關(guān)，一套高精度、可靠的滅火劑濃度測試系統(tǒng)就顯得尤其重要。依據(jù)測量動力裝置艙內(nèi)滅火劑濃度的通用指南[8]，本文中滅火劑濃度測試系統(tǒng)采用微壓差來測量滅火劑濃度。該測量方法是利用氣體的粘性阻力特性，當(dāng)被測氣體流經(jīng)一定長度的毛細(xì)管后會產(chǎn)生相應(yīng)的壓力差，濃度不同的氣體粘性不同，所產(chǎn)生的壓力差也就不同，利用微壓差傳感器測量這個壓力差并經(jīng)運(yùn)算后即可得到對應(yīng)的濃度值，間接的測量滅火劑濃度。依據(jù)Hagen-Poiseuille Equation[9]，當(dāng)氣體為低速層流氣體時，毛細(xì)管兩端的壓力差與流量的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

整理得到式(2)：

(2)

式中：

Q為體積流量(m3/s)；R為毛細(xì)管半徑(m)；△P為毛細(xì)管壓差(Pa)；L為毛細(xì)管長度(m)；μ為被測氣體粘度(Pa·s)。

由于被測氣體通過毛細(xì)管時為微流速層流氣體，可得Q是常數(shù)，毛細(xì)管的半徑和長度均為已知，故式(2)中壓力差與粘度成正比，氣體粘度與濃度成正比，所以被測氣體濃度與壓力差成正比，計算可得被測氣體中滅火劑濃度。

滅火劑濃度測試系統(tǒng)主要由計算機(jī)、真空泵、氣體過濾器、氣體流量控制器、氣流加熱器、氣體層流壓差測量裝置等組成，采用12采樣點(diǎn)法測試滅火劑濃度，以確定滅火劑釋放時，在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的分布和濃度。

3 試驗(yàn)步驟和結(jié)果

參考中國民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)試航條款25.1195，按下述試驗(yàn)步驟，進(jìn)行發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)。

發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)步驟如下：開啟氣流模擬系統(tǒng)，調(diào)節(jié)至目標(biāo)流量(風(fēng)車/ALT=5 000 ft/Ma=0.58/-84.1F時發(fā)動機(jī)的通風(fēng)流量)，開啟滅火劑濃度測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將發(fā)動機(jī)滅火瓶放到低溫箱冷凍，冷凍完成后取出滅火瓶并迅速安裝，把滅火瓶表面的溫度傳感器和測試系統(tǒng)進(jìn)行連接，連接完成后，當(dāng)測試系統(tǒng)檢測到滅火瓶的溫度達(dá)到釋放溫度時，按下航電仿真系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)滅火瓶釋放按鈕，釋放滅火劑，滅火劑濃度測試系統(tǒng)對其釋放的滅火劑進(jìn)行采集。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。所有的采樣點(diǎn)均滿足試驗(yàn)判據(jù)[10]：滅火劑釋放時發(fā)動機(jī)艙火區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的滅火劑體積濃度達(dá)到或超過6%并能保持0.5 s。

圖4 滅火劑濃度曲線

4 結(jié)論

文中民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)設(shè)備按照試驗(yàn)技術(shù)要求進(jìn)行研制、調(diào)試、驗(yàn)收，圖4為一次民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)滅火系統(tǒng)地面試驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果。該結(jié)果顯示氣流模擬系統(tǒng)能穩(wěn)定、高精度地為發(fā)動機(jī)滅火性能驗(yàn)證試驗(yàn)臺提供氣流，滅火劑濃度測試系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集到發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的滅火劑濃度，滿足試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計目標(biāo)。本次試驗(yàn)結(jié)果能為設(shè)計改進(jìn)提供依據(jù)，并可以有效地支持民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)防火系統(tǒng)機(jī)上試驗(yàn)。