飛機燃油溫度變化特性高溫地面暴曬試驗研究

王 鑫，張志強

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

由于夏天地面高溫及暴曬的原因，飛機起飛前油箱燃油溫度處于較高的狀態(tài)，當發(fā)動機以大功率、飛機以大爬升率爬升時，隨著外界大氣壓力、溫度的降低，在管道或燃油泵出口附近的燃油壓力和溫度會相應地降低，溶解在燃油中的空氣和輕質餾分析出，在管道或燃油泵葉輪處形成氣塞或氣蝕，造成發(fā)動機供油中斷，導致飛行事故[1]。同時隨著航空科技的發(fā)展，燃油作為機上的冷卻熱沉，溫度升高將影響液壓、電子設備及發(fā)電機滑油的冷卻效果。而且軍機在定型試飛過程中，民機在適航審定過程中也均需開展高溫燃油試驗。

隨著航空技術的發(fā)展以及國防戰(zhàn)略布局的需要，對飛機適應復雜環(huán)境的能力提出了更高的要求。在地理位置上我國南部沿海主要是亞熱帶、熱帶氣候，因此要求飛機能在這類高溫環(huán)境下正常工作[2-3]，而飛機燃油系統(tǒng)在高溫環(huán)境中良好的工作性能是保障飛行安全的前提條件。飛機燃油系統(tǒng)高空性試飛要求有高溫環(huán)境[4-5]，通常采取的方法為使用燃油加溫裝置將燃油加熱到一定溫度后輸入飛機油箱內，在缺少燃油加溫裝置的情況下，飛機暴曬法也是進行燃油高溫試驗的一種備選方法。但目前機內燃油溫度在暴曬后的溫度變化特性不得而知。

本文選用2架飛機，一架飛機在烈日下暴曬，另一架在機庫內停放，在高溫天氣進行飛機暴曬對比試驗，研究飛機暴曬法對機內燃油溫度變化特性的效果。獲得的燃油溫度隨暴曬時間的變化規(guī)律，可指導飛機燃油系統(tǒng)優(yōu)化設計及使用限制設計。

1 試驗設計

飛機暴曬試驗選用兩架飛機，一架飛機在烈日下暴曬，另一架在機庫內停放，在高溫天氣進行對比試驗。

1.1 試驗條件

1.1.1 試驗液

RP-3噴氣燃料(GB6537)，固體顆粒污染度應不劣于《航空工作液固體污染度分級》(GJB420B)中規(guī)定的8級。

1.1.2 試驗環(huán)境

晴天高溫天氣，太陽直接暴曬區(qū)域，氣象最高溫度不低于35 ℃，試驗過程中風速不高于5 m/s。

1.1.3 測試設備及要求

試驗所涉及到的主要設備包括：加油車，牽引車，供電設備，紅外測溫儀，工業(yè)探針溫度計，放油桶，口蓋拆除專用設備，消防設備等。試驗所用測量儀器、儀表經(jīng)標定并校驗合格。測試設備測量精度和測量范圍要求見表1，其余未提及的設備儀表精度不低于0.5級，傳感器精度不低于0.5%Fs。

表1 試驗設備要求

1.2 測試點布置及測量方法

飛機共布置5個油箱分別為1號油箱、2號油箱(分為2-1油箱、2-2油箱和2-3油箱)、3號油箱(包括3L油箱和3R油箱)、4號油箱。其中3號油箱布置在左右機翼上，油箱與機翼蒙皮之間的間隔較小，其他油箱布置在機身各處，油箱與機身蒙皮之間的間隔較大。飛機暴曬試驗主要進行蒙皮溫度、燃油溫度測量，蒙皮溫度通過紅外測溫儀進行非接觸測量獲得，油箱內燃油溫度通過工業(yè)探針溫度計直接接觸測量獲得，傳感器的測點選取需測量方便且具有代表性。測試點布置及測試設備情況見表2。

以SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件行數(shù)據(jù)統(tǒng)計學分析，計數(shù)資料以[n（%）]表示、計量資料以（±s）表示，分別行 χ2檢驗或t檢驗，結果以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

表2 測試點布置

1.3 試驗方法

為得到暴曬條件下飛機燃油溫度的變化規(guī)律，選用2架飛機，01架飛機在烈日下暴曬，02架飛機在機庫內停放，在高溫天氣進行飛機暴曬對比試驗，獲得暴曬條件下飛機燃油溫度的變化規(guī)律。具體的試驗方法如下。

a.加油

將兩架飛機牽引至規(guī)定停放點，其中01架置于地面暴曬處停放，02架置于機庫停放，飛機停機姿態(tài)為正常停放狀態(tài)。使用燃油溫度相同的加油車對兩架飛機進行加油直至飛機滿油，記錄總加油量和加油車燃油溫度，記錄加油車的加油量，整個加油過程需在上午9∶00前完成。全機滿加油后通過2號油箱放沉淀活門、3L油箱放沉淀活門、3R油箱放沉淀活門分別放出100 kg燃油。

b.測試

上午9∶00，01架飛機開始進行暴曬，1小時后每整點對表2中的測試點進行一次測量，并將所有測試參數(shù)的測量結果進行記錄。兩架飛機需同時進行測量，并按相同的測量順序進行測量，所有測試點的測量均在20分鐘內完成。

2 試驗結果及分析

試驗期間各個整點的氣象溫度、02架機所處機庫的地表溫度、試驗場無遮擋處的地表溫度、01架機下方的地表溫度以及風速見表3。

表3 氣象參數(shù)

圖2為01架機不同位置蒙皮溫度隨時間的變化情況。01架機同一油箱的上蒙皮溫度明顯高于下蒙皮溫度，溫度差最大可達37 ℃。由于各個油箱所處的位置不同，受蒙皮外形的影響，在相同環(huán)境的暴曬下，蒙皮的溫度升高情況也有所不同。但是試驗數(shù)據(jù)顯示，不同位置處的上蒙皮溫度隨著時間的推移，呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，從9∶00開始試驗，約在13∶00飛機油箱上蒙皮溫度達到峰值，從13∶00到16∶00試驗結束，這段時間內雖然環(huán)境溫度持續(xù)上升，但是飛機上蒙皮溫度上升緩慢，甚至出現(xiàn)下降趨勢。試驗數(shù)據(jù)表明持續(xù)暴曬并不能使飛機上蒙皮溫度線性升高，當環(huán)境溫度與地表溫度增加到最高溫度前，飛機上蒙皮的溫度已經(jīng)接近最大值，數(shù)據(jù)顯示，飛機在這種環(huán)境下暴曬4小時就可以使蒙皮溫度達到最大值。這是由于隨著時間的推移，機身內低溫的燃油充當了冷凝劑的角色，將飛機上蒙皮的熱量吸收，使得飛機上蒙皮的溫度不能持續(xù)升高。

圖3為02架機不同油箱燃油溫度隨時間的變化情況。從圖3可以看出，在試驗期間不同燃油箱內的下部燃油溫度隨著時間的推移基本不變，在同一時刻不同燃油箱內的下部燃油溫度基本相同，燃油箱內的下部燃油溫度變化幅度不超過1 ℃。

圖4為01架機不同油箱燃油溫度隨時間的變化情況。從圖4中可以看出，01架機各個油箱內的下部燃油溫度隨著時間的推移逐漸增大，其中3號油箱內的下部燃油溫度隨著時間推移幾乎成線性增加。這是由于安裝在機翼內的3號油箱，其上下表面均受到周圍環(huán)境溫度的影響較大，相比機身油箱內的溫升情況，3號油箱受高溫暴曬的影響更大。

位于機身的1號、2號、4號油箱內的下部燃油溫度普遍溫升較慢，而且在13∶00后油箱下部油溫基本趨于穩(wěn)定。以1號油箱上部油溫為例，其在試驗的整個階段溫度的變化速率較下部油溫更快，這是由于機身燃油箱上部油溫受蒙皮溫度的影響更直接，在13∶00之后油箱上蒙皮溫度開始下降，導致油箱上部燃油溫度變化減緩。

3 結論

本文選用一架飛機在烈日下暴曬與另一架機庫內停放的飛機進行比對，獲得了飛機在高溫地面暴曬條件下燃油溫度變化的第一手試驗數(shù)據(jù)，為燃油系統(tǒng)設計和燃油系統(tǒng)試驗提供數(shù)據(jù)支撐，為飛機在高溫環(huán)境的作戰(zhàn)部署提供支撐。試驗結果表明：

(a)連續(xù)暴曬不能使該飛機蒙皮溫度持續(xù)線性升高，當環(huán)境溫度與地表溫度增加到最高區(qū)域前蒙皮溫度已接近極值并趨于穩(wěn)定，4小時的暴曬能夠使得飛機蒙皮溫度達到最大值；

(b)該飛機在暴曬后各油箱燃油溫度逐漸增大，機翼油箱燃油溫度隨時間推移幾乎成線性增加，機身油箱燃油溫度在暴曬4小時前增速較快，4小時后增速放緩；

(c)在暴曬4小時后油箱上部油溫明顯高于下部油溫，機翼油箱油溫高于機身油箱油溫，通過飛機暴曬法對飛機各個油箱內油溫的作用效果并不相同。