宋 彪，王 旭，張 歡

（沈陽航空航天大學a.安全工程學院；b.能源與環(huán)境學院，沈陽 110136）

自1959年起，全世界共發(fā)生17起油箱點燃事故，導致542人死亡，11架飛機失蹤。導致此類油箱起火爆炸事故的原因主要包括：燃油箱外著火加熱至自燃溫度；油箱內(nèi)靜電；閃電；燃油泵體、閥體或管線損壞和人為原因等。從1990年至今，全世界使用的波音飛機至少有3起飛機空中解體是由于飛機的中央翼油箱（center wing tank，CWT）發(fā)生點燃爆炸造成的。較為代表性的是1996年TWA800航班，一架服役25年B747空中解體共造成230人死亡[1]，美國國家交通運輸安全委員會（nationaltransportationsafetyboard，NTSB）事故調(diào)查認為是由于CWT外部短路產(chǎn)生能量通過油量指示系統(tǒng)（fuel quantity indication system，F(xiàn)QIS）接線將短路高壓引入CWT，致使放電點燃油箱間隙混合氣。同時，NTSB不排除位于CWT下方空調(diào)系統(tǒng)工作所產(chǎn)生的熱輻射，致使油氣混合氣達到自燃溫度引燃的可能性。

由于可燃物質(zhì)（即航空煤油）具有不可替代性，聯(lián)邦航空局（federal aviation administration，F(xiàn)AA）頒布的FAR25.981（a）、（b）、（c）已根據(jù)修訂案 Amendment 25-102進行修正[2]，要求提高油箱內(nèi)點火源防護并使運輸類飛機可燃蒸汽點燃、爆炸概率最小化。還以咨詢通告的方式于2008年9月發(fā)布AC25.981-1C燃油箱點火源防護導則[3]和AC25.981-2A燃油箱可燃性降低方法[4]作為官方的推薦方法。2001年6月按照SFAR88要求對取得型號認證（type certificates，TCs）和補充型號認證（supplemental type certificates，STCs）的承運人必須按照14 CFR25.981的要求減少油箱點火源，提高系統(tǒng)安全性。歐洲航空安全局（European aviation safety agency，EASA）也在CS-25中傾向于點火源隔控[5]。但FAA和EASA以咨詢通告修正規(guī)章缺少對燃油箱防火安全硬件系統(tǒng)化的分析，可能會造成風險認知缺失。

隨著復合材料取代鋁鎂合金作為客機油箱的主要應用材料，復合材料結構油箱是否能按規(guī)章要求至少達到鋁制油箱防火安全性要求仍需討論。

1 燃油箱火災要素

燃油箱在飛機正?；蚴Сｏw行過程中所要達到的功能是防火抑爆和結構穩(wěn)固貯存燃油。由于飛機燃油箱使用環(huán)境和情況具有一定的特殊性，因此根據(jù)事故調(diào)查結論分別對火災要素給予說明。

1.1 點火源

依據(jù)事故調(diào)查結論存在4種主要能量會導致飛機燃油箱內(nèi)的油汽混合氣被點燃或達到混合氣自燃溫度。

1.1.1 電火花和電弧

電火花和電弧是因接線問題出現(xiàn)的高電勢向低電勢放電的過程。實驗室測得電火花點燃碳氫燃油蒸汽的最小點火能是200 μJ。因此電氣或電子系統(tǒng)可能引進電子能量到油箱內(nèi)的系統(tǒng)（如油量指示系統(tǒng)（fuel quantity indication system，F(xiàn)QIS）），無論在正常工作或失效運行情況下，任何在油箱內(nèi)產(chǎn)生的火花或電弧能量必須小于200 μJ。另外，由環(huán)境條件產(chǎn)生的瞬間電流，例如：雷擊，可能在油箱內(nèi)制造電火花和電弧，應該被限制在200 μJ[6]（實驗方法參考SAE document ARP 5416）。

1.1.2 電器元件加熱達到能量界限

在電阻細絲被加熱時出現(xiàn)熱離子輻射，離子被激發(fā)后會高速碰撞繼續(xù)進行能量傳遞，大量離子作同向運動形成較大電流，隨之也會產(chǎn)生較大熱量，使之達到混合汽自燃溫度或點燃。這個過程中，還會在加熱電阻絲產(chǎn)生的電流周圍形成一個大小成正比的磁場，在此磁場中會提升整體的離子能量[7]。

實驗分析顯示，當大約100 mA電流存在于每平方毫米線路截面面積時將可以點燃混合的可燃蒸汽。因此對于能在油箱內(nèi)產(chǎn)生電能的電氣或電子系統(tǒng)（如FQIS），需要對該系統(tǒng)產(chǎn)生進入油箱的電流加以限定。

1.1.3 摩擦火花

實驗經(jīng)驗表明，泵入口單向閥、導流片、螺母、螺栓、鉚釘、緊固件、保險絲、滾銷、開口銷、鉆、磨屑和元件碎屑等曾進入油泵并接觸到葉輪，有可能導致金屬沉淀物附著在油泵轉動和靜止的部件上。這種狀態(tài)下會導致摩擦火花的產(chǎn)生，在油液環(huán)境中會產(chǎn)生極大的點燃風險，因此當進行系統(tǒng)安全評估時應該被認定為一種失效狀態(tài)。

1.1.4 熱平面輻射

最早在AC25-8中提出概念，定義表面溫度達到油氣混合氣自燃溫度上下50℉區(qū)間內(nèi)即被認為是燃油箱內(nèi)燃油混合氣的點燃源。FAA歷史上曾界定400℉作為航空煤油的最高表面點燃溫度（最大表面溫度考慮油箱外側溫度）。對于遠程故障狀態(tài)有限的認知時間，可接受測量方法是提供有根據(jù)的真實熱表面點燃溫度（這里與燃油的自燃溫度不同），并要說明比燃油自燃溫度低50℉。

1.2 可燃條件

燃燒是通過點火源引發(fā)油氣和氧氣持續(xù)反應，并且釋放大量熱量的過程。因此燃燒的不是液態(tài)燃油本身而是油氣，油氣燃燒必須有適當?shù)挠蜌?氧氣比。

1）燃油蒸汽壓，是影響燃油箱易燃性的重要參數(shù)，某種試驗測得蒸汽壓燃燒油氣/氧氣比（按體積比）上限為4.7%、下限為0.6%[8]。

2）充足的氧氣濃度是油氣燃燒的必要條件。氧氣作為助燃氣，在空氣中氧氣正常含量為21%，油箱上部空間含有燃油蒸汽、空氣和惰性氣體?，F(xiàn)今Boeing系列飛機利用機載氮氣惰化技術（如油箱壓力轉換吸附的空氣分離技術、纖維膜空氣分離技術等），使油箱中氧氣濃度降到12%或以下[9]。

2 燃油箱防火安全性影響分析

2.1 燃油箱防火安全性FMEA應用

由于故障類型和影響分析方法（failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA）按照功能使用順序針對某一系統(tǒng)可以進行逐步故障模式分析，降低對部件功能分析的遺漏可能性，同時容易找到部件間的聯(lián)系，在進行功能改進和設備研發(fā)時便于添加信息。故FMEA方法也是FAA常用于檢查造成特定故障、部件失效及相近系統(tǒng)失效的定性、定量分析方法。依照GJB 1391－2006[10]，對飛機燃油系統(tǒng)中燃油箱、供油組件、油量顯示系統(tǒng)、油管及閥體和線路電纜等10個部件分別進行防火安全故障及影響分析，如表1所示。其中對于燃油箱的防火安全故障影響主要圍繞以上4種點火源進行討論。

受飛機燃油箱內(nèi)燃油晃動和飛濺的影響，可燃條件根據(jù)油箱內(nèi)蒸汽壓和溫度等改變不斷變化。因此很難準確預測燃油箱點燃性和消除油箱內(nèi)的可燃性蒸汽，所以飛機燃油箱內(nèi)總可能存在可燃的燃油混合氣，即認為燃油箱內(nèi)始終是可燃的，那么燃油箱內(nèi)如果出現(xiàn)點火源，即認為是災難性事故。

表1 燃油箱防火安全性FMEA表（部分）Tab.1 Fuel tank fire safety FMEA table（part of the table）

2.2 風險狀態(tài)評估方法

2.2.1 風險優(yōu)先數(shù)

風險優(yōu)先數(shù)（risk priority number，RPN）是用來對評估項目風險狀態(tài)大小排序，進而采取相應措施。飛機燃油箱防火安全性元件故障模式的RPN等于該故障模式嚴重度等級（CR）、故障模式可能性等級（PR）和α（風險的探測系數(shù)）的乘積，為

RPN決定著系統(tǒng)設計和維修決策的順序，而且CR高且優(yōu)先數(shù)小的風險需要特別注意。

2.2.2 CR等級

本文針對FMEA整理的潛在失效部件及模式，將運用SFAR88（燃油箱系統(tǒng)故障容限評估要求）的三元素法“風險狀態(tài)”評估標準為嚴重度等級劃分提供規(guī)范方法，如表2所示。

表2 三元素法“風險狀態(tài)”評估標準Tab.2 Three elements risk state evaluative criteria

CR隨機隊平均可燃性暴露評估時間（flammability exposure evaluation time，F(xiàn)EET）變化的劃分邊界依據(jù)是：根據(jù)FAR26.39要求任何具備油箱正常情況下是空的、部分油箱位于機身結構區(qū)域內(nèi)、油箱FEET超過7%這3點性征的燃油箱被視為災難性風險狀態(tài)[11]。按照FAR25附錄N的要求，使用燃油箱系統(tǒng)可燃性降低措施（flammability reduction means，F(xiàn)RM）的任一燃油箱FEET達到3%即為高風險狀態(tài)。當出現(xiàn)FRM工作，但燃油箱沒有惰性化并且可燃或者FRM不工作，燃油箱可燃情況時FEET不得超過1.8%，因此當FEET超過1.8%時被認為是中等風險狀態(tài)，具體CR等級評分如表3所示。

2.2.3 PR等級

PR評價某個故障模式發(fā)生的可能性，是單位飛行小時數(shù)的故障模式失效次數(shù)。該值在不同元件失效模式產(chǎn)生的概率應視情而定，表4是根據(jù)金屬結構故障的概率分布進行分級評定。

2.3 防火組件管理

根據(jù)RPN的優(yōu)先順序結論，運用邏輯思維導圖方法——樹圖分析法，系統(tǒng)地設計防火元件的功能效用作為燃油箱防火手段。如圖1和圖2中所示，使用樹圖分析方法以飛機燃油系統(tǒng)為對象，針對抑制燃油箱內(nèi)、外部點火源產(chǎn)生或形成穩(wěn)定燃燒的部件和元件進

表3 故障模式嚴重度等級評分表Tab.3 Failure mode critical rating scale

表4 故障模式可能性等級評分表Tab.4 Failure mode probability rating scale

圖1和圖2中基于飛機燃油系統(tǒng)中燃油箱、供油組件、油量顯示系統(tǒng)、油管及閥體和線路電纜等多個部件中可能產(chǎn)生燃油箱內(nèi)、外部點火源的位置，分別設置探測器或防火阻燃元件以達到增強防火安全性的目的。

3 復合材料燃油箱的特殊失效

根據(jù)CCAR25部25.981（b）要求，如果機翼不屬于傳統(tǒng)非加熱鋁制機翼，必須在假定的與傳統(tǒng)的非加熱鋁制機翼油箱等效基礎上進行分析。但鋁鎂合金材料導熱系數(shù)為200～236 Wm-1K-1，碳纖維復合材料導熱系數(shù)為10～20 Wm-1K-1，防火、導熱性能上存在很大差異，因此復合材料油箱很容易局部過熱[12]。同時當溫度升高到復合材料基體玻璃化轉變溫度（Tg）會使其結構性能下降，拉伸性能基本不變但壓縮強度會降低20%～30%，甚至更多。在正常飛行過程中振動或油箱內(nèi)外壓差會引起油箱結構變形（如凸起等）。

例如：從材料學的角度看，濕/熱環(huán)境條件下，復合材料彈性模量和強度設計許用值將下降10%～20%（甚至部分材料性能會降低50%）。高溫情況使得基體吸濕變得容易，水分滲入基體會誘使其膨脹，從而使其塑性化或軟化，同時軟化作用還會導致基體玻璃化轉變溫度（Tg）降低，如用于Airbus的914C材料吸濕4.7%后，其Tg下降70℃之多[13]。

復合材料經(jīng)過長時間高溫烘烤、燒蝕或造成復合材料表面溫度達到T后，在飛機振動或晃動作用下，可能出現(xiàn)部分開裂、分層、脫膠、滲漏和變形等失效而造成二次事故。因此對復合材料燃油箱損傷容限評定的工作顯得尤為特殊且必要?？己说囊蠹礊椤笆Ｓ鄰姸取保笥谐跏既毕莸慕Y構必須能承擔設計載荷，具體載荷情況可參考CCAR25部25.571（b）。

圖1 燃油箱內(nèi)部點火源Fig.1 Fuel tank inside ignition sources

圖2 燃油箱外部點火源Fig.2 Fuel tank outside ignition sources

4 結語

運用FMEA和“三元素”方法，依照功能順序檢查評估各燃油箱防火安全功能部件的工作狀態(tài)和風險因素[14]。通過不斷識別風險，進而調(diào)整元件、系統(tǒng)的工作適用范圍和邊界條件來提高飛機燃油箱防火安全性。首先，必須在設計和安裝過程中確保任何位于或鄰近油箱的元件，在正常和預期失效狀態(tài)下，不能存在任何可燃油液蒸汽點燃源[15]。其次，要對使用中的復合材料抗燃燒特性進行分析和研究，結合其在某種火災失效狀態(tài)下給出功能安全界限。這樣會為正常進行飛機安全飛行以及維修檢測奠定良好基礎。

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[2]FAR 25.981，F(xiàn)uel Tank Ignition Prevention[S].2012.

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