飛機燃油系統(tǒng)閃電試驗可燃?xì)怏w配比研究

姜 亮，劉春陽，姚永杰，熊 秀

（1.中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210；2.中國民用航空上海航空器適航審定中心，上海 200335； 3.西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

0 引言

飛機燃油系統(tǒng)閃電試驗是飛機燃油箱防爆安全設(shè)計驗證的一項重要試驗，也是適航審查的重點。該試驗可以表明飛機遭遇閃電時會否在燃油箱內(nèi)產(chǎn)生點火源，進(jìn)而引發(fā)燃油蒸氣點燃爆炸[1-2]。由于真實的燃油蒸氣成分復(fù)雜且難以制備[3-4]，國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)一般都建議采用混合的可燃?xì)怏w來模擬替代真實的燃油蒸氣，并要求混合的可燃?xì)怏w可被200 μJ 能量的電火花點燃[5-12]。

目前，國內(nèi)外開展的燃油系統(tǒng)閃電試驗中大多采用氫氣（H2）、氧氣（O2）和氬氣（Ar）混合制成可燃?xì)怏w的方法。文獻(xiàn)[13]通過試驗研究提出了采用點燃能量更小的敏感氣體氫氣作為點火源的探測氣體，以提高點燃概率。文獻(xiàn)[3，14-15]對點燃可燃?xì)怏w的標(biāo)準(zhǔn)電火花源進(jìn)行了研究，給出了電極間隙等關(guān)鍵影響因素，并提出了用于計算理論能量的方法。文獻(xiàn)[16]對氫氣點燃的動態(tài)過程進(jìn)行記錄，并對點燃后的壓力進(jìn)行了測量。文獻(xiàn)[17-18]結(jié)合試驗研究，給出了采用混合可燃?xì)怏w檢測點火源的具體應(yīng)用。

由于氫氣的點燃能量小，點燃后釋放的壓力小、溫度低，且易于同其他氣體混合，最新版試驗標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A、DO-160G等均推薦優(yōu)先采用氫氣、氧氣和氬氣這3 種氣體混合制成可燃?xì)怏w的方法，并要求可燃?xì)怏w配比要滿足在200 μJ 電火花能量下的點燃概率不小于90%。

上述標(biāo)準(zhǔn)中推薦的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)調(diào)節(jié)范圍為5%～7%，化學(xué)當(dāng)量為1.2[6，10]。但試驗研究發(fā)現(xiàn)，采用普通精度的浮子流量計、試驗腔體內(nèi)氣體置換不均勻、氣體密封泄露等因素，都會導(dǎo)致可燃?xì)怏w中氫氣配比體積分?jǐn)?shù)的輕微變化，引起混合氣體點燃所需的最小點燃能量出現(xiàn)較大的波動，進(jìn)而導(dǎo)致燃油系統(tǒng)閃電試驗欠考核或過嚴(yán)考核，從而影響試驗驗證的有效性；此外，氫氣體積分?jǐn)?shù)的大小影響可燃?xì)怏w燃爆沖擊能量的大小，對試驗人員及試驗件的安全有一定的影響[19]。

為此，本文針對飛機燃油系統(tǒng)閃電試驗中采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃?xì)怏w配比開展研究，對可燃?xì)怏w不同配比下的最小點燃能量以及相關(guān)的點燃影響因素進(jìn)行試驗研究，以期為燃油系統(tǒng)閃電試驗驗證及防護(hù)設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考和依據(jù)。

1 研究內(nèi)容

本文對飛機燃油系統(tǒng)閃電試驗采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃?xì)怏w配比開展的研究，主要包括兩方面。1） 研究不同可燃?xì)怏w配比體積分?jǐn)?shù)下，氣體點燃所需的最小電火花點燃能量。其中，氫氣的體積分?jǐn)?shù)分別選取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%。初始?xì)錃怏w積分?jǐn)?shù)為3.5%，化學(xué)當(dāng)量為1.2。調(diào)制好可燃?xì)怏w配比體積分?jǐn)?shù)，通過逐步調(diào)節(jié)電火花的點燃能量值，直至氣體被點燃，以獲取不同配比體積分?jǐn)?shù)下的最小點燃能量。2） 研究200 μJ電火花能量下，滿足90%點燃概率的可燃?xì)怏w配比比例及影響因素。將電火花能量調(diào)節(jié)在200 μJ 以內(nèi)，通過調(diào)節(jié)氣體配比體積分?jǐn)?shù)，使200 μJ 能量的電火花能點燃可燃?xì)怏w并且滿足90%的點燃概率。通過多次試驗，記錄可燃?xì)怏w配比及相應(yīng)的點燃概率。氣體的點燃為概率事件，為此，針對不同的氣體配比體積分?jǐn)?shù)，需要分別進(jìn)行多組試驗測量和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 研究方法

通過試驗，對飛機燃油系統(tǒng)閃電試驗采用的氫氣、氧氣和氬氣可燃?xì)怏w配比進(jìn)行研究。

2.1 試驗裝置

試驗設(shè)備及布置，如圖1所示。

圖1 可燃?xì)怏w點燃試驗布置Fig.1 Setup for flammable gas ignition test

主要試驗裝置及作用說明如下。

1） 動態(tài)氣體配比系統(tǒng)：用于產(chǎn)生試驗所需的可燃?xì)怏w；氫氣、氧氣和氬氣氣瓶內(nèi)的壓縮氣體經(jīng)減壓閥輸出至流量計，并經(jīng)過氣體混合腔均勻混合后再通過充氣管路輸送進(jìn)入試驗腔體；氣體配比體積分?jǐn)?shù)可以通過計算機管理的高精度質(zhì)量流量計進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)和精確控制。

2） 標(biāo)準(zhǔn)電火花源：用于產(chǎn)生0～300 μJ能量可調(diào)節(jié)的電火花，是試驗中的關(guān)鍵設(shè)備，其工作原理如圖2所示，充電電容和放電電極并聯(lián)，可調(diào)的直流高壓電源對充電電容進(jìn)行充電，當(dāng)電容的充電電壓達(dá)到氣體擊穿電壓時，電極兩端產(chǎn)生電火花放電[20-21]。

圖2 電火花源原理圖Fig.2 Schematic diagram of spark source

圖3 試驗使用的相機Fig.3 Camera used in the test

電火花能量的計算公式如下：

式（1）中：E為電火花能量；C為充電電容值；V為電極放電的擊穿電壓值。

根據(jù)式（1），通過對充電電容和放電電壓的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)對電火花能量的控制。其中：充電電容的大小可通過可調(diào)電容的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)；放電電壓主要受放電電極的距離、形狀，以及氣體環(huán)境的影響。電極間隙距離越大，所需的擊穿電壓值越大，試驗中，電極的間隙控制在1.6 mm左右。

3） 試驗腔體：用于試驗中可燃?xì)怏w的存儲。該腔體選用透明有機玻璃材料，以便從外部觀察腔體內(nèi)電極的放電現(xiàn)象；腔體上表面及兩側(cè)表面設(shè)有3 個泄壓口，試驗中當(dāng)腔體內(nèi)可燃?xì)怏w燃爆時，泄壓口薄板將被吹起打開，以泄放氣體燃爆產(chǎn)生的沖擊壓力[22]。

在試驗腔體斜對角位置設(shè)有2 個管路連接口，用于充氣管路和排氣管路的連接。試驗腔體內(nèi)的可燃?xì)怏w環(huán)境通過氣體體積置換的方式獲得。試驗研究表明，對腔體進(jìn)行5倍體積的氣體置換，可以使腔體內(nèi)的混合氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99%以上[3]。

4） 相機：用于試驗現(xiàn)象的觀察和過程記錄。由于電火花的放電能量較小，難以用肉眼準(zhǔn)確觀察。同時，考慮到可燃?xì)怏w燃爆對試驗人員的安全影響，試驗中，采用加裝長焦鏡頭的相機對試驗腔體內(nèi)電極之間的電火花產(chǎn)生情況進(jìn)行觀測和記錄。

2.2 試驗條件

試驗在常溫常壓大氣環(huán)境下進(jìn)行，試驗區(qū)域應(yīng)保持良好的通風(fēng)，氣體配比系統(tǒng)、試驗腔體、排氣管路出口位置應(yīng)禁止有明火及高溫源，周圍配置滅火器及氫氣體積分?jǐn)?shù)檢測儀，確保氣體的使用安全。

試驗時，試驗腔體內(nèi)的濕度應(yīng)盡可能?。ńㄗh一般小于60%）。氣體點燃后，應(yīng)對試驗腔體內(nèi)的水蒸汽進(jìn)行烘干處理，確保試驗腔體干燥。

試驗前，應(yīng)檢查標(biāo)準(zhǔn)電火花源的電極，確保電極表面無臟污、燒蝕。

2.3 試驗步驟

電火花點燃?xì)怏w試驗的步驟如下。

1） 根據(jù)圖1 所示的試驗布置，連接放置好氣體配比系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)電火花源、試驗腔體、充氣管路、排氣管路和相機等設(shè)備。

2） 采用密封膠帶對試驗腔體的泄壓口薄板進(jìn)行密封，確保充氣時腔體內(nèi)的氣體不會發(fā)生泄漏。

3） 根據(jù)氣體配比體積分?jǐn)?shù)，計算氣體配比系統(tǒng)的流速和充氣時間，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，向試驗腔體內(nèi)充入可燃?xì)怏w。試驗腔體的體積為44 L，充入的可燃?xì)怏w的總體積應(yīng)不小于220 L。將混合氣體的總流速設(shè)置為60 L/min，充氣時間設(shè)置為240 s，可確保腔體不小于5倍體積的換氣。

4） 充氣完成后，斷開充氣管口連接，并對充氣管口進(jìn)行密封；同時去掉泄壓口薄板的3邊密封膠帶，僅保留1邊固定。

5） 設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電火花源，點燃可燃?xì)怏w。①針對不同氣體配比下的最小電火花點燃能量試驗。在試驗前，將標(biāo)準(zhǔn)電火花源的輸出電壓值調(diào)至1 個較小的值（2 kV 左右），確保放電電極不會擊穿，充電電容值調(diào)節(jié)至最小值（5 pF 左右）；打開標(biāo)準(zhǔn)電火花電源，緩慢調(diào)節(jié)放電電極的電壓輸出值，同時，通過相機鏡頭觀察放電電極，直至有電火花產(chǎn)生。若有電火花產(chǎn)生但氣體未點燃，則表明電火花能量太小，不能點燃?xì)怏w。關(guān)閉電源，緩慢增加充電電容值，使電火花的能量增加，并重新打開標(biāo)準(zhǔn)電火花源，直至有電火花產(chǎn)生且氣體能被點燃，則該能量值為電火花點燃的最小能量值。②針對200 μJ 電火花能量下的氣體配比驗證試驗。試驗前，將放電電容值設(shè)置為1 個固定值（26 pF左右），調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電火花源的電壓值，確保放電電極不會擊穿。打開標(biāo)準(zhǔn)電火花電源，緩慢調(diào)節(jié)放電電極的電壓輸出值，同時，通過相機鏡頭觀察放電電極，直至有電火花產(chǎn)生，觀察試驗腔體內(nèi)的可燃?xì)怏w是否能被點燃。

6） 使用相機記錄氣體點燃過程。

7） 測量記錄標(biāo)準(zhǔn)電火花源的充電電容值、電火花擊穿電壓值，計算電火花的能量值。

按照規(guī)定的試驗內(nèi)容和次數(shù)完成試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

可燃?xì)怏w點燃試驗結(jié)果如下：

1） 氫氣配比體積分?jǐn)?shù)分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%時（對應(yīng)數(shù)據(jù)組序號依次為1～7），可燃?xì)怏w最小點燃能量的試驗結(jié)果統(tǒng)計如表1 所示。每種氣體比例下的試驗次數(shù)為5次。

表1 不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下可燃?xì)怏w點燃試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Test results of flammable gas ignition test with different proportions of H2

2） 200 μJ 電火花能量下，將氫氣配比體積分?jǐn)?shù)調(diào)整為4.5%、5.0%，研究在該氣體配比下的點燃能量及點燃概率，試驗結(jié)果如表2 和表3 所示。每種氣體比例下的試驗次數(shù)為10次（對應(yīng)序號1～10）。

表2 4.5%氫氣體積分?jǐn)?shù)的點燃試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test results when H2 proportion is 4.5%

表3 5.0%氫氣體積分?jǐn)?shù)的點燃試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Test results when H2 proportion is 5.0%

3.2 試驗結(jié)果分析

1） 對表1 統(tǒng)計的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：數(shù)據(jù)組1 顯示，當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為3.5%時，即使電火花能量大于200 μJ，也無法使混合氣體被點燃；數(shù)據(jù)組2 顯示，在氫氣體積分?jǐn)?shù)為4.0%時，5 次試驗中氣體均被點燃，但平均最小點燃能量值為218.6 μJ，大于國內(nèi)外民航管理局可接受的燃油蒸氣最小電火花點燃能量值200 μJ[12]；數(shù)據(jù)組7 顯示，在6.5%氫氣體積分?jǐn)?shù)的5 次試驗中，氣體均可被點燃，但試驗中觀察到氣體被點燃時，試驗腔體上泄壓口薄板的打開動作非常劇烈，如圖4所示，試驗腔體頂部的泄壓口薄板被掀翻180°，表明該氫氣體積分?jǐn)?shù)下的氣體燃爆壓力顯著增加；閃電試驗如采用6.5%氫氣體積分?jǐn)?shù)的氣體將會導(dǎo)致試驗燃爆沖擊壓力過大，會增加試驗的安全風(fēng)險。

圖4 氣體點燃后試驗腔體照片F(xiàn)ig.4 Photo of test chamber when gas was ignited

因此，3.5%和4.0%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不能用于燃油系統(tǒng)閃電試驗；同時，6.5%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不推薦用于燃油系統(tǒng)閃電試驗。

2） 標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A 要求可燃?xì)怏w被200 μJ電火花（燃油蒸氣的最小點燃能量）點燃的概率不得小于90%。對表2 中的10 次試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；在4.5%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)下，10 次試驗中出現(xiàn)了1 次氣體點燃能量大于200 μJ 的情況，氣體可被200 μJ 能量點燃的概率為90%，剛好處于標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5416A試驗要求的臨界值。

因此，閃電試驗中，如氫氣配比體積分?jǐn)?shù)按4.5%進(jìn)行配置，則仍存在200 μJ 電火花能量下點燃概率不能滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)要求（點燃概率不小于90%）的較大風(fēng)險，故4.5%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不推薦優(yōu)先用于燃油系統(tǒng)閃電試驗。

3） 對表3 中的10 次試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在5.0%氫氣配比體積分?jǐn)?shù)下，10 次試驗的氣體全部被點燃，點燃概率為100%。其中，最小的點燃能量為154 μJ，最大的點燃能量為184 μJ。

根據(jù)試驗結(jié)果，10 次試驗中電火花能量值均小于200 μJ。因此，閃電試驗中氣體采用5.0%氫氣配比體積分?jǐn)?shù)可將200 μJ 及以上能量的全部點火源都檢測出來。10 次試驗中的最小點燃能量為154 μJ，該點燃能量值距離200 μJ 能量值的差距并不大，因而不會導(dǎo)致試驗被過度考核。

4） 對不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下的最小點燃能量值進(jìn)行繪圖統(tǒng)計，如圖5所示。曲線整體趨勢顯示，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大，點燃?xì)怏w所需的最小點燃能量逐漸降低。

圖5 最小點燃能量值統(tǒng)計Fig.5 Statistics of minimum ignition energy

因此，氫氣配比體積分?jǐn)?shù)為5.5%和6.0%時的氣體點燃能量將比氫氣配比體積分?jǐn)?shù)為5.0%時的氣體點燃能量更低，也因此會導(dǎo)致閃電試驗被嚴(yán)重的過度考核。氫氣配比體積分?jǐn)?shù)越高，試驗過嚴(yán)考核的程度就越大。

5） 對不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下的放電電極擊穿電壓值進(jìn)行統(tǒng)計，如圖6所示。數(shù)據(jù)曲線顯示，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增大，放電電極的平均擊穿電壓整體呈增大趨勢。但擊穿電壓值的分散性較大，這是因為除了氣體特性外，擊穿電壓值還與電極間隙、電極的燒蝕、電極表面的清潔程度等相關(guān)。空氣中的擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可燃?xì)怏w中的擊穿電壓，因此，在閃電試驗中應(yīng)盡可能保持放電電極的狀態(tài)不變，電極上的輸出電壓值應(yīng)略大于放電間隙的擊穿電壓值。若試驗中放電電極狀態(tài)發(fā)生變化，則需要采用可燃?xì)怏w重新進(jìn)行點燃能量的驗證。

圖6 放電電極擊穿電壓值Fig.6 Breakdown voltage of discharge electrode

4 結(jié)論

本文對飛機燃油系統(tǒng)閃電試驗中可燃?xì)怏w配比進(jìn)行了試驗研究和分析，并得出以下結(jié)論：1） 推薦燃油系統(tǒng)閃電試驗，優(yōu)先采用5.0%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)，可確保200 μJ 及以上能量的全部點火源被試驗檢出，同時也避免了閃電試驗被嚴(yán)重的過度考核；2） 隨著氫氣配比體積分?jǐn)?shù)的增大，可燃?xì)怏w被點燃所需的點燃能量逐漸降低，氫氣配比體積分?jǐn)?shù)越高，燃油系統(tǒng)閃電試驗被過嚴(yán)考核的程度就越大，故5.5%和6.0%的氫氣配比體積分?jǐn)?shù)不推薦被優(yōu)先采用；3） 考慮氣體燃爆沖擊影響，燃油系統(tǒng)閃電試驗中，不推薦采用6.5%及以上氫氣配比體積分?jǐn)?shù)的可燃?xì)怏w，如采用，必須充分評估氣體燃爆沖擊壓力對試驗腔體及試驗件的安全影響；4） 電火花點燃可燃?xì)怏w的擊穿電壓值呈現(xiàn)一定的分散性，因此，閃電試驗操作中應(yīng)盡可能地確保放電電極的間隙、表面清潔度等狀態(tài)的穩(wěn)定。本文試驗數(shù)據(jù)及研究結(jié)論可為飛機燃油系統(tǒng)閃電防護(hù)設(shè)計及閃電試驗提供指導(dǎo)和重要參考。