天麟

【摘 要】飛機燃油箱內(nèi)水分影響飛機安全并增加維護負擔。目前只能通過定期手動地面排空油箱以防止油箱腐蝕和細菌生長。與此同時，為降低飛機燃油箱可燃性，機載制氮系統(tǒng)（OBIGGS）被引入到最新研飛機中，通過產(chǎn)生富氮氣體（NEA）對油箱進行惰化。由于富氮氣體干燥且溫度較燃油稍高，可有效降低飛機燃油箱內(nèi)水分。

【關鍵詞】燃油污染物；機載制氮系統(tǒng)；富氮氣體；無油空間

Water Reduction within Fuel Tanks Using OBIGGS

GUAN Tian-lin

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， Powerplant and Fuel Systems Dept.， Shanghai 201210， China）

【Abstract】Water contamination affects the aircraft safety and increase the maintenance cost. Currently aircraft have to be drained manually on ground at regular intervals to prevent corrosion and bacterial growth. Meanwhile， in order to reduce the aircraft fuel tank flammability， an On Board Inert Gas Generation System （OBIGGS） was applied to provide inert gas into the fuel system in the modern aircraft. Since the OBIGGS introduces dry and warm Nitrogen Enriched Air into the tank， it reduces the humidity of the ullage air. Hence it is considered to be a potential solution to the water contamination.

【Key words】Fuel contamination； OBIGGS； NEA； Ullage

0 引言

飛機燃油系統(tǒng)是飛機上最為關鍵的機載系統(tǒng)之一，為發(fā)動機和輔助動力裝置安全可靠地所需燃油。然而，燃油內(nèi)水分和微生物等燃油污染物不可避免地會影響飛機飛行安全，可能會導致發(fā)動機停車、油量測量系統(tǒng)故障以及燃油泵入口結冰等情況。這一問題已日漸受到飛機燃油系統(tǒng)設計人員以及地面維護人員的關注。

2008年英國航空BA38航班一架B777從北京飛往倫敦途中準備進場著陸時，由于飛機發(fā)動機燃油滑油熱交換器內(nèi)的冰晶導致燃油流動受阻無法改變發(fā)動機推力，最后飛機在希斯羅機場緊急著陸。飛機途經(jīng)蒙古、西伯利亞以及北歐的上空，環(huán)境溫度可低至-74°C，盡管飛機燃油溫度持續(xù)受到監(jiān)控并無低溫告警，但是燃油中含有的水分結冰仍可導致巨大危險。

同時，飛機燃油系統(tǒng)起火或爆炸也是導致飛機失事的主要原因之一。1996年，環(huán)球航空TWA800號班機一架B747在紐約肯尼迪國際機場起飛后約12分鐘在紐約長島上空由于油箱內(nèi)燃油蒸汽產(chǎn)生火花導致爆炸。此后，美國適航當局對適航條款進行了修訂，增加了降低油箱可燃性的相關條款。目前，最近新研飛機比如B787和A350均安裝飛機惰化系統(tǒng)，采用機載制氮系統(tǒng)（On Board Inert Gas Generation System）降低油箱可燃性，通過OBIGGS產(chǎn)生的富氮氣體（Nitrogen Enriched Air）不斷替代燃油箱中無油空間內(nèi)的空氣，使得此空間內(nèi)的氧氣濃度值低于適航條款所要求的最高氧氣濃度值。

1 燃油污染物

飛機燃油箱內(nèi)燃油污染物通常以水、微粒和微生物存在，污染物的累積可能會導致燃油箱腐蝕、燃油泵濾網(wǎng)結冰堵塞等情況。

1.1 燃油中的水分

飛機燃油箱中的水通常以三種形式存在：溶解水、懸浮水和游離水。溶解水是燃油的正常組成部分，并不會對發(fā)動機供油性能造成影響。溶解水并不能通過沉淀、過濾或分離的方法去除。懸浮水通常呈云霧狀，懸浮在燃油中。由于水密度比航空燃油大，游離水在飛機燃油箱底部單獨占據(jù)了一部分空間。游離水和懸浮水會對燃油箱造成潛在危險，這兩種形式的水可能會吸附在系統(tǒng)部件表面，在低溫狀態(tài)下結冰。

1.2 水分的來源

飛機燃油箱中可能產(chǎn)生潛在危險的水分主要是以下兩種方式引起的：燃油中溶解水的沉淀以及濕冷空氣產(chǎn)生的凝結水。

水在燃油中的溶解度主要取決于燃油溫度的變化，溫度越高，燃油溶解水的能力越強。在飛機爬升或巡航階段，由于高海拔導致燃油溫度降低，水分從燃油中沉淀。凝結水由于潮濕的空氣進入油箱而產(chǎn)生，尤其是在飛機下降的過程中，潮濕的熱空氣從通氣口進入油箱內(nèi)，與冷的油箱壁面接觸產(chǎn)生凝結水。

1.3 水分的影響

1.3.1 結冰

盡管對于一般航空燃油，冰點遠小于零攝氏度，比如Jet A為-40°C，Jet A1為-47°C，但是隨著燃油溫度的降低，燃油中的水滴濃度在 4°C ～10°C 附近時開始減少。 當溫度接近水的冰點時，冰晶開始形成。然而，由于水中存在雜質(zhì)，結冰通常發(fā)生在-3°C～-1°C。這些冰晶最終會導致系統(tǒng)部件的阻塞，影響供油性能。圖1顯示了引言部分所提到的一架B777由于結冰阻塞的發(fā)動機燃油/滑油熱交換器。

1.3.2 發(fā)動機停車

盡管燃油中的溶解水并不會影響供油性能，但是大量的游離水和懸浮水可能會導致發(fā)動機停車。此外，如果燃油泵濾網(wǎng)阻塞，會影響發(fā)動機入口燃油流量，一旦不能滿足發(fā)動機耗油需求，發(fā)動機也會停車。

1.3.3 燃油箱腐蝕

研究表明，燃油箱腐蝕主要來源于水分，水分中的氯離子會破壞鋁合金結構上的氧化膜。

1.3.4 微生物生長

飛機燃油箱內(nèi)的水分為微生物增長提供了環(huán)境，如圖2所示。微生物通過環(huán)境與燃油接觸，最終導致各種各樣的問題，例如堵塞、油箱結構腐蝕、燃油測量故障等。

1.4 減少水分的措施

目前，消除飛機燃油箱內(nèi)水分主要有以下兩種途徑：油箱加油前標準質(zhì)量控制檢測手段和定期排空油箱維護。

在對飛機燃油箱進行加油前，對于燃油中水分含量進行監(jiān)測，一般水分含量不超過30ppm。對于排空油箱維護，飛機主制造商一般建議每天進行維護，各航空公司根據(jù)其不同航線以及不同飛機有所不同。

2 機載制氮系統(tǒng)（OBIGGS）

美國聯(lián)邦航空局（FAA）在1996年一架B747在紐約長島上空由于燃油箱爆炸失事的事故后對運輸類飛機頒布了一系列新的條款，旨在滿足燃油箱可燃性的要求。雖然條款中并沒有建議用什么方法實現(xiàn)這一要求，但是現(xiàn)役最新飛機波音787以及空客A350都采用了機載制氮系統(tǒng)（OBIGGS），通過產(chǎn)生富氮氣體，對油箱內(nèi)無油空間進行惰化，使之降低氧氣濃度，滿足燃油箱可燃性要求。

FAA也對增加燃油箱安全性作了一系列的研究，包括基于A320和B747的中央翼油箱的惰化系統(tǒng)影響分析。圖3為FAA為B747SP設計的一個OBIGGS的系統(tǒng)構架。通過一組三個空氣分離器（ASM）分離氧氣和氮氣，最終將產(chǎn)生的富氮氣體充入燃油箱內(nèi)。圖中紅色部分的熱空氣源為發(fā)動機引氣，而在波音787中，由于沒有發(fā)動機引氣系統(tǒng)，因而采用客艙引氣并用壓氣機增壓的形式作為OBIGGS的氣源。在富氮氣體進入燃油箱前，設置雙流量閥，其作用是在不同的飛行階段控制不同的富氮氣體流量。低流量模式下，在相對較低的流量下產(chǎn)生相對高純度的富氮氣體，而在高流量模式下，在相對較高的流量下產(chǎn)生相對較低純度的富氮氣體。這兩種模式分別為滿足爬升/巡航和下降階段的無油空間的氧氣濃度要求。

3 利用OBIGGS降低油箱內(nèi)水分的潛在能力

由于OBIGGS提供干燥和溫度相對較高的富氮氣體，因而在飛機不同飛行階段，產(chǎn)生的富氮氣體可能會有效地減少燃油中水的沉淀以及外部濕冷空氣產(chǎn)生的凝結水。

首先，需假設OBIGGS的NEA富氮氣體出口浸沒在燃油中，如圖4所示。OBIGGS通過產(chǎn)生干燥的NEA富氮氣體，在燃油中形成氣泡，帶走一部分水分。溶解水擴散的速度和溫度以及燃油和氣體間的接觸面積有關。通過持續(xù)不斷的NEA供給，能有效地減少原本從燃油中沉淀的水分。此外，OBIGGS通過降低無油空間內(nèi)的相對濕度，增加了空氣在水蒸氣飽和前的含水能力，所以能有效延緩或減少凝結水的形成。不斷充入燃油箱內(nèi)的NEA也能使得外界進入燃油箱內(nèi)的空氣減少。所以，利用OBIGGS產(chǎn)生的富氮氣體，在首先滿足其本身降低燃油箱可燃性的功能下，有效地減少燃油箱內(nèi)的水分，起到附加的效果。

當然，對于OBIGGS所產(chǎn)生的富氮氣體，其本身溫度相對燃油溫度較高，由于燃油溫度對于燃油箱可燃性是一個重要的影響指標，所以NEA出口浸沒于燃油內(nèi)導致的油溫增加對于燃油箱可燃性的影響還需要進一步分析。

4 相對濕度的計算

無油空間中的濕空氣可以看成是干空氣和水蒸氣的混合物，故

Pair=Pdry+Ph

其中，Pair：空氣壓力（Pa）；

Pdry：干空氣壓力（Pa）；

Ph：水蒸氣壓力（Pa）。

而水蒸氣的分壓可以表示為：

Ph=？籽h×T×R/

其中，？籽h：水蒸氣密度（kg/m3）；

T：溫度（K）；

R：理想氣體常數(shù)8.314 J/（K·mol）；

MH2O：水的摩爾質(zhì)量0.018kg/mol。

飽和水蒸氣壓可用下式計算：

Psat=exp（13.7-5120/T）×101325

假設為ISA標準大氣狀態(tài)，大氣溫度和高度之間的關系如下式：

T=T0-0.0065h

其中，T0為海平面溫度

相對濕度可通過下式得出

？漬=Ph/Psat

5 結論

本文對飛機機載制氮系統(tǒng)（OBIGGS）對于降低飛機燃油箱內(nèi)水分的影響進行了理論分析，首先對燃油箱中水分的來源、影響及現(xiàn)狀進行了闡述，然后對OBIGGS系統(tǒng)構架進行了簡要描述，闡明了OBIGGS是作為降低燃油箱可燃性的一種有效地方式。最后，通過分析利用OBIGGS降低燃油箱內(nèi)水分的潛在能力，理論上可以得出，OBIGGS所產(chǎn)生的干燥的富氮氣體能有效減少燃油中水的沉淀以及由于外界濕熱空氣進入所產(chǎn)生的凝結水，并給出相對濕度的計算方法。但是，對于燃油溫度升高對于燃油箱可燃性的影響還需要進一步分析，畢竟， OBIGGS的主要功能是為了滿足降低燃油箱可燃性的要求，對于降低燃油箱內(nèi)的水分，只是附加的效果。其具體水分減少量還需后續(xù)進行數(shù)值模擬計算。

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[責任編輯：鄧麗麗]