關(guān)于閃電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中可燃?xì)怏w混合物的研究

摘要：飛機(jī)燃油箱遭受雷擊時(shí)，可能產(chǎn)生引燃源發(fā)生燃油蒸汽的燃爆，對(duì)飛機(jī)飛行安全構(gòu)成威脅。為了評(píng)估燃油系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，采用可燃?xì)怏w法引燃源檢測(cè)是常用的試驗(yàn)手段，以檢測(cè)燃油箱遭受雷擊時(shí)燃油箱內(nèi)部可能產(chǎn)生的點(diǎn)火源?？扇?xì)怏w對(duì)于燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗(yàn)顯得尤為重要，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可燃?xì)怏w的選擇進(jìn)行了推薦和介紹，目前氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w是最常用的，但由于含氫混合可燃?xì)怏w存在一些局限性，對(duì)試驗(yàn)實(shí)施產(chǎn)生了一些不便。因此隨著試驗(yàn)技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，新的引燃源檢測(cè)的可燃?xì)怏w如乙烯-空氣混合可燃?xì)怏w，將被研究并推薦出來(lái)使用。

關(guān)鍵字：可燃?xì)怏w法、雷擊試驗(yàn)、氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w、乙烯-空氣混合可燃?xì)怏w

前言

由于航空燃油具有揮發(fā)性，以及燃油箱的晃動(dòng)、震動(dòng)、噴濺等會(huì)在液態(tài)燃油區(qū)上方存在著燃油蒸汽。燃油蒸汽和油箱上方的空氣混合形成燃油蒸汽/空氣混和物，在一定的濃度下，燃油蒸汽/空氣混和物在點(diǎn)火源的作用下發(fā)生點(diǎn)燃爆炸。燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗(yàn)，適用于雷擊區(qū)域的油箱結(jié)構(gòu)及部件，以驗(yàn)證因雷電附著或雷電傳導(dǎo)而產(chǎn)生的直接效應(yīng)及潛在的燃油蒸氣引燃源。燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗(yàn)，是在對(duì)燃油系統(tǒng)油箱及部件施加最高峰值200kA、最大電荷傳遞量200C的同時(shí)，結(jié)合可燃?xì)怏w法引燃源檢測(cè)方法，來(lái)檢測(cè)油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)大于等于200μJ的點(diǎn)火源?？扇?xì)怏w法引燃源檢測(cè)需要有嚴(yán)格的配比氣體和標(biāo)準(zhǔn)電火花源，對(duì)潛在的點(diǎn)火源能量比對(duì)精確，對(duì)潛在點(diǎn)火源的覆蓋范圍更廣，因此被工程廣泛認(rèn)可。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)可燃?xì)怏w法的介紹

實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行燃油系統(tǒng)油箱及部件的雷擊試驗(yàn)時(shí)，可參考以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。GJB3567-99《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》由于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)行時(shí)間較早，只是簡(jiǎn)單說(shuō)可用丙烷和空氣混合氣或者燃油空氣混合氣，沒有具體的操作指導(dǎo)，可操作性不強(qiáng)。而HB6167.25-2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》、RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》以及SAE ARP5416A《飛機(jī)雷電試驗(yàn)方法》，均明確了選用氫/氧/氬的混合氣體，同時(shí)限定了氫/氧/氬的濃度和可調(diào)范圍，對(duì)于點(diǎn)火源的設(shè)計(jì)也有明確的原理圖解，試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程也有典型的示例指導(dǎo)，因此氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w法引燃源檢測(cè)，具有更可觀的可操作性和更好的置信度。

可燃?xì)怏w的應(yīng)用情況

燃油箱閃電試驗(yàn)及可燃?xì)怏w法引燃源檢測(cè)的實(shí)施過(guò)程，簡(jiǎn)單概括起來(lái)如下：在燃油箱內(nèi)部充入可燃?xì)怏w，在油箱外部施加閃電電流，閃電電流如果造成燃油箱內(nèi)部打火等現(xiàn)象，引發(fā)可燃?xì)怏w燃爆，則證明該雷電防護(hù)設(shè)計(jì)不合理?？扇?xì)怏w法推薦使用氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w（5%-7%的氫氣），此種混合氣體有幾個(gè)局限性：混合氣體的擊穿特性、氫氣的爆炸特性以及電火花源對(duì)環(huán)境的敏感性。

相比于空氣，氬氣環(huán)境中的擊穿電壓更低，其主要機(jī)理是：氬氣為惰性氣體，平均自由行程短，無(wú)電子附著，不能有效減緩自由電子。研究發(fā)現(xiàn)，氬氣被認(rèn)為是在具有高雜散電容的火花系統(tǒng)中，在1.5-2.0 mm的間隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)200μJ能量的電壓電弧所需的擊穿電壓較低的一種氣體。電火花源200μJ的能量指的是在混合氣體環(huán)境中產(chǎn)生的電壓火花能量，混合氣體含有氫氣，如果直接在混合氣體中調(diào)試電壓火花能量，勢(shì)必有燃爆的危險(xiǎn)，導(dǎo)致調(diào)試工作很難開展。所以，電火花源能量的調(diào)試往往只能在空氣中進(jìn)行，然后在根據(jù)空氣中調(diào)試的情況，再根據(jù)燃爆當(dāng)量的情況適當(dāng)調(diào)整，對(duì)混合氣體進(jìn)行調(diào)試。在空氣中，電火花源的電極間隙在2mm時(shí)，擊穿電壓大概在7.95kV±5%，在這個(gè)電壓下，大約6pF的電容需，可以產(chǎn)生200μJ +0/-10%能量的火花。以此推斷，在混合氣體中電火花源電極間隙的擊穿電壓會(huì)小很多。實(shí)際情況下，在氫/氧/氬的混合氣體中，2mm的間隙電火花電壓約為4kV，此時(shí)再根據(jù)擊穿電壓調(diào)整電容值，獲得200μJ +0/-10%的能量。值得注意的是，影響電火花源電極間隙能否擊穿放電的因素，除了所處在的氣體環(huán)境、電極間的電壓電勢(shì)外，還有電極的表面清潔度，因此試驗(yàn)中需要清潔和拋光電極頭，保證電極有好的清潔度。

氫氣是一種易燃爆的氣體，所以試驗(yàn)中會(huì)存在燃爆的風(fēng)險(xiǎn)。燃爆造成的壓力上升與燃燒室的幾何形狀和容積有關(guān)，試驗(yàn)表明，在20L的容器中，5%、6%、7%的氫氣混合氣體燃燒后，峰值壓力分別為1.7倍大氣壓、2.2倍大氣壓、3.8倍大氣壓。因此，試驗(yàn)時(shí)需要對(duì)可能產(chǎn)生的點(diǎn)火源造成的爆炸壓力進(jìn)行泄放，防止壓力激增以及多次試驗(yàn)累積造成結(jié)構(gòu)損壞。

燃油箱試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要拆除維修口蓋等口蓋來(lái)充當(dāng)泄壓口或者在燃油箱蒙皮上開設(shè)泄壓口。油箱開設(shè)泄壓口會(huì)帶來(lái)一些問題，如影響雷電流分布。由于雷電流會(huì)在試驗(yàn)件整個(gè)表面迅速擴(kuò)散并傳導(dǎo)，無(wú)論是拆除維修口蓋作為泄壓口還是在油箱蒙皮上開設(shè)泄壓口，都會(huì)對(duì)燃油箱表面的電流分布產(chǎn)生一定的影響，造成電流分布失真。泄壓口開設(shè)的越大，對(duì)可能劇增的氣體排放效果越好，但同時(shí)也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響會(huì)越大。

此外，200μJ的電壓火花能量對(duì)潮濕的混合可燃?xì)怏w并不敏感，濕度過(guò)高往往導(dǎo)致混合氣體不能被200μJ的電壓火花點(diǎn)燃。標(biāo)準(zhǔn)ARP 5416A建議，試驗(yàn)中應(yīng)選擇干燥的混合氣體。濕度過(guò)高時(shí)，應(yīng)采取措施如加熱、換氣等，提高試驗(yàn)腔體或燃油箱內(nèi)部的干燥度，提高200μJ電壓火花點(diǎn)燃混合氣體的成功率，提升氫/氧/氬可燃?xì)怏w法引燃源檢測(cè)的置信度。如此，氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w法也存在諸多不便。

新的混合氣體

氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w法應(yīng)用十分廣泛，但需要注意的是，標(biāo)準(zhǔn)ARP 5416A第7.7.2.1節(jié)只是推薦使用氫/氧/氬混合可燃?xì)怏w，沒有指定必須使用，同時(shí)也沒有明確說(shuō)明允許使用其他混合氣體或者哪種氣體混合物適用。又比如以前的標(biāo)準(zhǔn)，推薦的混合氣體是丙烷-空氣混合物，當(dāng)量比從1.05到1.15到1.2不等，同樣沒有將氣體唯一限定。隨著燃油系統(tǒng)部件的雷電試驗(yàn)研究不斷加深，替換氫/氧/氬氣體混合可燃?xì)怏w的研究也越來(lái)越多，國(guó)外學(xué)者提出使用另一種能滿足200μJ最小點(diǎn)火能量目標(biāo)的燃料-空氣混合物，即乙烯-空氣。乙烯很容易得到，而且比氫和乙炔的危害小。相比于其他碳?xì)浠衔?，尤其是?dāng)需要200μJ能量的點(diǎn)火閾值時(shí)，乙烯的燃燒焓非常適合。

之所以選擇200 μJ作為閾值，是因?yàn)橐酝难芯繑?shù)據(jù)表明，燃料中典型烷烴與空氣混合時(shí)，其最小點(diǎn)火能僅略高于200μJ。有數(shù)據(jù)研究表明，甲烷-空氣、丙烷-空氣、己烷-空氣這幾類烷烴混合物的最小著火能量均在200μJ以上，而乙烯對(duì)200μJ電壓電弧敏感，乙烯-空氣混合氣體可以在200μJ電壓電弧下點(diǎn)火，乙烯-空氣的點(diǎn)火特性更接近于典型噴氣燃料替代品的點(diǎn)火特性。乙烯-空氣混合氣體的最小點(diǎn)火能隨混合氣體濃度的變異性要小于氫/氧/氬混合氣體，容易滿足ARP 5416的10次點(diǎn)燃9次的要求。

結(jié)論

隨著標(biāo)準(zhǔn)ARP 5416A的公開修訂，新的可燃混合氣體可能會(huì)反映在下一個(gè)版本中。除去氫氧/氬/氣混合氣體，乙烯-空氣是合理的替代混合氣體，值得被推薦，用以評(píng)估潛在的點(diǎn)火源靈敏度為200μJ能量的火花，仍然是燃油箱雷擊試驗(yàn)的關(guān)鍵。其他混合氣體可能也合適，但都應(yīng)基于預(yù)期的點(diǎn)火源形式，適用于可燃?xì)怏w法引燃源檢測(cè)的方法。新混合氣體的性能，應(yīng)通過(guò)由SAE閃電委員會(huì)成員進(jìn)行輪詢，以及實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次驗(yàn)證測(cè)試來(lái)確定。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GJB3567-99《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗(yàn)方法》

[2] HB6167.25-2014《民用飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)方法》

[3] RTCA DO-160G. “Environmental Condition and Test Procedures for Airborne Equipment.” 2010.

[4]SAE Aerospace. Aerospace Recommended Practice ARP 5416/EUROCAE ED-105 Aircraft Lightning Test Methods REV. A. 2013.

[5] 熊秀、駱立峰、范曉宇、謝健，飛機(jī)燃油系統(tǒng)雷電試驗(yàn)引燃源檢測(cè)方法研究

[6]高 志 崇，氫氣爆炸反應(yīng)壓力探討，泰 安 師 專 學(xué) 報(bào)，2002年