飛機(jī)惰化系統(tǒng)燒膜故障的分析

□ 何予東

航空工業(yè)新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司 河南新鄉(xiāng) 453049

1 飛機(jī)惰化系統(tǒng)概述

飛機(jī)燃油系統(tǒng)燃燒或爆炸是造成飛機(jī)失事的主要原因之一。1996年7月環(huán)球航空TWA800次航班發(fā)生飛行事故后,燃油箱的安全性受到高度重視。

燃燒或爆炸指可燃物與氧氣發(fā)生激烈的氧化反應(yīng),反應(yīng)中伴隨放熱和發(fā)光效應(yīng)。具體而言,發(fā)生燃燒或爆炸必須具備三個(gè)條件,一是要有足夠的氧化劑,二是要有足夠的可燃物質(zhì),三是要有一定能量的點(diǎn)火源。按照燃燒反應(yīng)過(guò)程的控制因素,燃燒分為擴(kuò)散燃燒和動(dòng)力燃燒。飛機(jī)燃油箱內(nèi)的燃燒實(shí)際上是燃油箱內(nèi)燃油蒸氣與空氣預(yù)混氣的燃燒,屬于動(dòng)力燃燒范疇。飛機(jī)燃油箱內(nèi)燃燒或爆炸的形成過(guò)程如圖1所示。

圖1 飛機(jī)燃油箱內(nèi)燃燒或爆炸形成過(guò)程

依據(jù)燃燒或爆炸必須具備的三個(gè)條件,可以從三個(gè)方面防止飛機(jī)燃油箱燃燒或爆炸,一是切斷可燃物,二是杜絕點(diǎn)火源,三是阻斷氧化劑或降低氧化劑濃度。

為降低燃油箱上部氣相空間的氧氣濃度,工程實(shí)踐中常采用換氣方式,通過(guò)向燃油箱上部氣相空間注入一定量的氮?dú)?來(lái)稀釋氧氣的濃度。傳統(tǒng)的做法是工程師在飛機(jī)上安裝大型液氮瓶,飛行前將液氮注入液氮瓶中,在氧氣濃度高時(shí)或戰(zhàn)斗狀態(tài)下,打開(kāi)液氮瓶將氮?dú)庾⑷肴加拖渲?進(jìn)行惰性氣體保護(hù),進(jìn)而避免燃油箱燃燒或爆炸。

目前,通常采用飛機(jī)惰化系統(tǒng)。飛機(jī)惰化系統(tǒng)的核心部件是空氣分離裝置,根據(jù)不同的空氣分離方法,空氣分離裝置可以分為分子篩空氣分離裝置和滲透膜空氣分離裝置。分子篩空氣分離裝置基于變壓吸附技術(shù),利用分子篩中吸附劑對(duì)空氣中氮?dú)夂脱鯕獾牟煌剿俣?通過(guò)循環(huán)改變分子篩吸附和解吸壓力,實(shí)現(xiàn)氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x。滲透膜空氣分離裝置基于中空纖維膜空氣分離技術(shù),在壓差作用下,通過(guò)中空纖維膜對(duì)空氣中的氮?dú)夂脱鯕鈱?shí)現(xiàn)選擇性透過(guò),將空氣分離為富氮?dú)怏w和富氧氣體。

發(fā)生故障的飛機(jī)惰化系統(tǒng)主要由空氣調(diào)節(jié)組件、滲透膜空氣分離裝置、空氣分配組件組成,原理如圖1所示。從環(huán)控引氣總管引入一定流量的空氣,經(jīng)過(guò)空氣散熱器總成將溫度調(diào)節(jié)至所需溫度,利用滲透膜空氣分離裝置將空氣中的氧氣分離出來(lái),排出機(jī)外,剩余的氣體即為富氮?dú)怏w。通過(guò)空氣分配組件將富氮?dú)怏w填充至燃油箱上部氣相空間,降低氣相空間中的氧氣濃度,進(jìn)而達(dá)到燃油箱惰化的作用。

圖2 飛機(jī)惰化系統(tǒng)原理

2 故障現(xiàn)象

2021年7月10日,某部隊(duì)在地面檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)飛機(jī)惰化系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng),并伴隨超溫報(bào)警。查看飛機(jī)參數(shù),發(fā)現(xiàn)飛機(jī)惰化系統(tǒng)出口溫度超過(guò)120 ℃,并且持續(xù)上升,最高達(dá)到187 ℃,持續(xù)時(shí)間為32 min。氧氣濃度高達(dá)18%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)12%的氧氣濃度上限要求值。飛機(jī)惰化系統(tǒng)關(guān)閉后,下游余壓高達(dá)300 kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于101 kPa的正常要求值。對(duì)滲透膜空氣分離裝置進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)滲透膜空氣分離裝置的流阻異常變大,并且內(nèi)部中空纖維膜已被高溫灼傷,收縮變形,局部碳化,有燒糊味。 滲透膜空氣分離裝置經(jīng)歷的異常高溫已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)130 ℃的最高耐受溫度,判定為飛機(jī)惰化系統(tǒng)燒膜故障。

依據(jù)滲透膜空氣分離裝置中空纖維膜受損情況,初步分析飛機(jī)惰化系統(tǒng)燒膜故障的觸發(fā)條件有兩個(gè)。一個(gè)條件是飛機(jī)惰化系統(tǒng)出口引氣超溫,另一個(gè)條件是飛機(jī)惰化系統(tǒng)出口引氣超溫時(shí)未及時(shí)關(guān)閉高溫引氣。

3 故障排查

針對(duì)飛機(jī)惰化系統(tǒng)燒膜故障的兩個(gè)觸發(fā)條件,對(duì)飛機(jī)惰化系統(tǒng)出口引氣超溫和出口引氣超溫后未及時(shí)關(guān)閉高溫引氣的原因開(kāi)展隔離排查。使用萬(wàn)用表歐姆擋,測(cè)量電磁閥開(kāi)線圈組件之間的電阻為10.11 Ω,滿足10±1 Ω的要求值,說(shuō)明開(kāi)線圈組件工作正常。測(cè)量電磁閥關(guān)線圈組件之間的電阻為無(wú)窮大,不滿足10±1 Ω的要求值,說(shuō)明關(guān)線圈組件內(nèi)部線路斷路。

綜合上述檢測(cè),判斷電磁閥關(guān)線圈組件內(nèi)部線路的斷路是由于上次飛行結(jié)束后電磁閥未能關(guān)閉,導(dǎo)致本次飛行時(shí),在飛機(jī)惰化系統(tǒng)沒(méi)有啟動(dòng)的情況下,電磁閥一直處于打開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)引氣時(shí),高溫引氣未經(jīng)冷卻,直接流過(guò)飛機(jī)惰化系統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)組件,到達(dá)滲透膜空氣分離裝置,導(dǎo)致滲透膜空氣分離裝置長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下炙烤。啟動(dòng)飛機(jī)惰化系統(tǒng)的瞬間,溫度傳感器立即將檢測(cè)到的溫度值傳遞至惰化控制盒。惰化控制盒判斷超溫后立即關(guān)閉飛機(jī)惰化系統(tǒng),造成飛機(jī)惰化系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)的假象。也就是說(shuō),實(shí)際上飛機(jī)惰化系統(tǒng)已經(jīng)正常啟動(dòng)了,啟動(dòng)后因超溫立即關(guān)閉,但由于電磁閥故障,無(wú)法關(guān)斷高溫引氣,引起燒膜故障。

4 原因分析

4.1 電磁鐵分解

分解電磁閥內(nèi)的電磁鐵,檢查內(nèi)部線路中的插針、導(dǎo)線、焊點(diǎn),均連接牢靠,外觀完好。測(cè)量焊點(diǎn)電阻為0.01 Ω,滿足技術(shù)要求。電磁鐵內(nèi)部線路檢查如圖3所示。

圖3 電磁鐵內(nèi)部線路檢查

分解線圈組件,發(fā)現(xiàn)關(guān)線圈外圍填充的環(huán)方混合膠膠體已被高溫烤焦,并已脆化,拆解過(guò)程中自然碎裂。測(cè)量關(guān)線圈引出線兩端,電阻值為無(wú)窮大,并且關(guān)線圈組件中的漆包線局部已被燒斷。線圈組件分解如圖4所示。

圖4 線圈組件分解

4.2 關(guān)線圈熱源分析

為查找關(guān)線圈高溫熔斷的原因,制訂方案進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。對(duì)驗(yàn)證件進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)、頻繁開(kāi)關(guān)試驗(yàn)、長(zhǎng)時(shí)間通斷電試驗(yàn)。常規(guī)性能試驗(yàn)時(shí),對(duì)驗(yàn)證件進(jìn)行電阻測(cè)試,以及絕緣電阻、抗電強(qiáng)度試驗(yàn),測(cè)試和試驗(yàn)合格,滿足要求。頻繁開(kāi)關(guān)試驗(yàn)時(shí),對(duì)驗(yàn)證件進(jìn)行通斷電,連續(xù)通斷電共200次,然后復(fù)測(cè)線圈電阻及絕緣電阻,結(jié)果合格。頻繁開(kāi)關(guān)試驗(yàn)如圖5所示。長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)時(shí),模擬飛機(jī)上環(huán)境溫度25 ℃,對(duì)驗(yàn)證件進(jìn)行通電,通電時(shí)間為30 min,達(dá)到電流穩(wěn)定后,測(cè)量線圈溫度為220.5 ℃左右;模擬飛機(jī)上環(huán)境溫度85 ℃,對(duì)驗(yàn)證件進(jìn)行通電,通電時(shí)間為30 min,達(dá)到電流穩(wěn)定后,測(cè)量線圈溫度為228.5 ℃左右;對(duì)試驗(yàn)件在高溫下連續(xù)通電,60 h后出現(xiàn)斷路,故障復(fù)現(xiàn)。長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)如圖6所示。

圖5 頻繁開(kāi)關(guān)試驗(yàn)

圖6 長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)

4.3 機(jī)理分析

在環(huán)境溫度85 ℃下通電30 min,關(guān)線圈組件內(nèi)部溫度已達(dá)到228.5 ℃,而漆包線的最高使用溫度為220 ℃,關(guān)線圈組件內(nèi)部溫度已超過(guò)漆包線的使用極限。關(guān)線圈組件在228.5 ℃下長(zhǎng)時(shí)間使用,線圈局部出現(xiàn)點(diǎn)式燒蝕,漆包線相鄰的兩處破損處會(huì)發(fā)生拉弧短路,短路處溫度再次升高,使相鄰部位的漆包線絕緣漆層發(fā)生軟化后脫落。漆包線裸線接觸后短路,溫度急劇升高,使線圈熔斷,即關(guān)線圈產(chǎn)生斷路。

5 改進(jìn)措施

為減小電磁鐵內(nèi)線圈組件長(zhǎng)時(shí)間通電產(chǎn)生的溫升,對(duì)電磁鐵進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),增大線圈電阻,由10±1 Ω增大至47±3 Ω,由此避免長(zhǎng)時(shí)間通電造成的線圈溫升過(guò)高。為進(jìn)一步提升電磁閥的可靠性,避免電磁鐵內(nèi)的線圈組件出現(xiàn)故障導(dǎo)致電磁閥無(wú)法關(guān)閉,將自鎖式電磁鐵更改為常閉式電磁鐵,保證電磁閥在異常情況下可以依靠?jī)?nèi)部的復(fù)位彈簧關(guān)閉電磁閥。改進(jìn)后電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖7所示。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,電磁鐵由線圈控制,銜鐵帶動(dòng)頂桿及壓片,控制微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。當(dāng)線圈通電后,銜鐵克服彈簧力、摩擦力,帶動(dòng)頂桿、壓片向下動(dòng)作,壓片壓緊微動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕,對(duì)外輸出接通信號(hào),頂控板燈熄滅,線圈斷路。當(dāng)線圈斷電時(shí),彈簧復(fù)位,銜鐵在彈簧力的作用下帶動(dòng)頂桿、壓片向上動(dòng)作,微動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕彈開(kāi)。

圖7 改進(jìn)后電磁鐵結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證常閉式電磁鐵能否長(zhǎng)時(shí)間通電,裝配十個(gè)線圈盒,抽取其中兩個(gè),對(duì)應(yīng)電阻分別為最大和最小,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)。試驗(yàn)中,線圈工作正常,線圈內(nèi)部漆包線溫度為115 ℃,遠(yuǎn)低于漆包線最高使用溫度。試驗(yàn)后檢查線圈內(nèi)部漆包線,未發(fā)現(xiàn)破損、燒蝕,外觀良好,線圈也沒(méi)有異常。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明常閉式電磁鐵長(zhǎng)時(shí)間通電情況下可靠性較高。兩個(gè)線圈的長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 線圈1長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)飛機(jī)惰化系統(tǒng)燒膜故障進(jìn)行分析,確認(rèn)了故障原因,并實(shí)施了改進(jìn)措施。針對(duì)本起故障,在進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),建議考慮設(shè)置備份機(jī)構(gòu)。產(chǎn)品無(wú)論可靠性多高,都會(huì)存在發(fā)生故障的概率,若故障發(fā)生后產(chǎn)生的危害性很大,那么設(shè)置備份機(jī)構(gòu)是可靠和有效的措施。后續(xù)使用飛機(jī)惰化系統(tǒng),除在入口處設(shè)置引氣關(guān)斷閥外,建議在出口處設(shè)置引氣超溫關(guān)斷閥,這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性與可靠性。

表2 線圈2長(zhǎng)時(shí)間通電試驗(yàn)結(jié)果