湯振宇+孫曉+李信良

【摘 要】民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)作為機(jī)翼燃油箱區(qū)域內(nèi)布置的主要系統(tǒng)之一，其相關(guān)的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)對機(jī)翼燃油箱防爆有著重要作用。本文結(jié)合液壓系統(tǒng)布置原則，運(yùn)用EMA3D仿真軟件對機(jī)翼燃油箱內(nèi)液壓導(dǎo)管電流、電壓進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究了液壓導(dǎo)管的搭接對閃電防護(hù)的影響。

【關(guān)鍵詞】機(jī)翼；液壓系統(tǒng)；閃電防護(hù)；搭接

【Abstract】Due to be one of the main systems disposed in wing fuel tank， hydraulic system lightning protection design is very important to aircraft fuel tank protection. Based on hydraulic system layout and software EMA3D， the lightning currents and voltages on hydraulic pipes inside of the fuel tank are simulated， and the bond of hydraulic pipes impact on lightning protection is the focus in this paper.

【Key words】Wing； Hydraulic System； Lightning Protection； Bond

0 引言

民用飛機(jī)被閃電擊中時(shí)，閃電不僅可能會引起結(jié)構(gòu)件的融化、燒毀或變形，還有可能在燃油箱內(nèi)的管路、線纜等部件上產(chǎn)生誘導(dǎo)電壓和電流，過大的電壓、電流引起的火花、電弧極易點(diǎn)燃燃油蒸氣，進(jìn)而導(dǎo)致燃油箱爆炸[1]。由于燃油箱爆炸引發(fā)空難是災(zāi)難性的，民用飛機(jī)燃油箱閃電防護(hù)工作受到各國航空局的重點(diǎn)關(guān)注。液壓系統(tǒng)是飛機(jī)上不可或缺的二次能源系統(tǒng)，主要為飛控系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)以及反推力系統(tǒng)等重要負(fù)載提供動力源[2]。液壓系統(tǒng)作為機(jī)翼燃油箱區(qū)域內(nèi)布置的主要系統(tǒng)之一，其相關(guān)的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)對機(jī)翼燃油箱防爆有著重要作用[3]。

1 研究對象

目前針對民用飛機(jī)燃油箱閃電防護(hù)的適航條款為25.954和25.981條款，其主要描述為燃油箱內(nèi)不得存在任何可能導(dǎo)致燃油或其蒸氣點(diǎn)燃的點(diǎn)火源存在。

閃電擊中飛機(jī)時(shí)，瞬態(tài)效應(yīng)為引起燃油箱內(nèi)部液壓管路出現(xiàn)瞬態(tài)電流、瞬態(tài)電壓。若電流和電壓值過大，產(chǎn)生的電弧或火花可能會成為點(diǎn)火源，點(diǎn)燃燃油蒸氣，引起燃油箱爆炸。

本文應(yīng)用EMA3D仿真軟件對燃油箱內(nèi)部液壓管路在遭受閃電擊中時(shí)電流和電壓值進(jìn)行了仿真計(jì)算，用于支持飛機(jī)液壓系統(tǒng)在機(jī)翼區(qū)域的設(shè)計(jì)工作。

2 機(jī)翼區(qū)域液壓系統(tǒng)布置特點(diǎn)

針對某型號民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)，梳理出了機(jī)翼區(qū)域液壓系統(tǒng)布置特點(diǎn)：

a）機(jī)翼燃油箱內(nèi)部布置的液壓系統(tǒng)均為導(dǎo)管，導(dǎo)管之間采用壓接接頭相連。

b）液壓導(dǎo)管進(jìn)出燃油箱處，均采用過框接頭形式與結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭接。

c）燃油箱內(nèi)部液壓導(dǎo)管每隔幾米，均采用過框接頭與結(jié)構(gòu)搭接。

d）導(dǎo)管與導(dǎo)管之間、導(dǎo)管與結(jié)構(gòu)或其他系統(tǒng)之間距離均不小于規(guī)定值。

3 仿真建模

本文所研究的民用飛機(jī)機(jī)翼實(shí)際CAD模型非常復(fù)雜，難于直接用于仿真。適當(dāng)?shù)暮喕⒑侠淼姆抡婺Ｐ驮陂W電防護(hù)仿真中具有關(guān)鍵作用。為盡可能真實(shí)的模擬飛機(jī)被閃電擊中后瞬態(tài)效應(yīng)，仿真模型的原理和假設(shè)如下。

a）用于仿真的分析模型只需重點(diǎn)關(guān)注零件模型中與電阻、電感和電容相關(guān)的飛機(jī)固有電磁特性。在仿真模型中，應(yīng)保證模型組件具有精確的尺寸、形狀和位置信息，因?yàn)檫@些參數(shù)與電感和帶內(nèi)容等電磁特性相關(guān)。同時(shí)，需要對仿真模型賦予適當(dāng)?shù)牟牧隙x，以確保電磁特性中的電阻特性正確。

b）對于不會影響電磁特性的小支架、墊圈及墊片，仿真模型中需要去除。同時(shí)采用剖分的面或線來描述結(jié)構(gòu)件或面板。

c）在涉及采用鉚釘、螺釘?shù)染o固件將部件連接起來處，仿真模型將相連部件用面或縫連接起來。

d）機(jī)翼區(qū)域管路走線均采用各向同性的線來表示，并對線賦予電阻特性。

e）仿真時(shí)，在規(guī)定的閃電流入點(diǎn)（參考AS5416），設(shè)置模擬閃電波形和幅值的仿真電流。同時(shí)在仿真模型各位置加載探針，記錄各區(qū)域電流、電壓變化。

簡化后的機(jī)翼區(qū)域仿真模型如圖1所示。

4 閃電仿真結(jié)果分析

建立在上述仿真模型的基礎(chǔ)上，通過EMA3D仿真軟件，得出不同情況下機(jī)翼燃油箱液壓管路上的電流、電壓分布與變化。

在注入200kA的閃電電流時(shí)，在燃油箱內(nèi)部液壓管路上檢測的最大電流為18.2A，最大電壓為0.3V。根據(jù)碳?xì)浠?空氣混合物最小點(diǎn)火能量E約為200μJ，結(jié)合公式1，可知燃油箱內(nèi)部液壓管路電壓遠(yuǎn)小于產(chǎn)生火花的閥值。

其中C為導(dǎo)管與其他組件間電容，V為電壓。

根據(jù)第2節(jié)機(jī)翼區(qū)域液壓系統(tǒng)布置特點(diǎn)，液壓導(dǎo)管在進(jìn)出燃油箱處均采用過框接頭與結(jié)構(gòu)搭接，燃油箱內(nèi)部液壓導(dǎo)管每隔幾米，均采用過框接頭與結(jié)構(gòu)搭接。

仿真結(jié)果顯示，進(jìn)出機(jī)翼燃油箱的液壓管路，位于燃油箱外部部分和內(nèi)部部分的管路電流差異很大。在閃電電流的流入點(diǎn)和流出點(diǎn)設(shè)置為飛機(jī)左右翼尖，閃電電流值為200kA的情形下，與21肋附近后梁相連的液壓導(dǎo)管燃油箱外部區(qū)域段電流值大約為4.5kA，燃油箱內(nèi)部管路段電流為1A，約為外部電流的0.02%，如圖2所示。因此，液壓導(dǎo)管在進(jìn)出燃油箱處采用過框接頭與主結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭接的布置，極大的減少了燃油箱內(nèi)液壓導(dǎo)管的電流，對燃油箱的防爆有重要作用，因此需采取嚴(yán)格的措施保證進(jìn)出燃油箱處的搭接。

同時(shí)，在燃油箱內(nèi)部每隔一定距離液壓導(dǎo)管采用過框接頭與結(jié)構(gòu)搭接，仿真結(jié)果顯示不同的搭接距離對燃油箱內(nèi)部的管路電流影響不大，搭接距離值越大，燃油箱內(nèi)部管路電流值越小。在閃電電流為主起落架附著-前機(jī)身離開，電流值為200kA的情形下，燃油箱內(nèi)部搭接距離為2m的液壓導(dǎo)管最大電流為5.7A，如圖3所示，將搭接距離調(diào)整為5m時(shí)，燃油箱內(nèi)部液壓導(dǎo)管最大電流為2.5A，如圖4所示。

5 總結(jié)

本文建立在飛機(jī)仿真數(shù)模的基礎(chǔ)上，通過EMA3D軟件，針對機(jī)翼燃油箱區(qū)域液壓導(dǎo)管的布置特點(diǎn)，開展了一系列的液壓系統(tǒng)閃電防護(hù)研究。研究表明，液壓導(dǎo)管進(jìn)出燃油箱時(shí)與主結(jié)構(gòu)的過框搭接極大的降低了燃油箱內(nèi)部液壓導(dǎo)管的閃電電流，在制造時(shí)該部位搭接性能需重點(diǎn)關(guān)注；燃油箱內(nèi)部的液壓導(dǎo)管與主結(jié)構(gòu)的搭接，對液壓導(dǎo)管的電流影響不大，在飛機(jī)的搭接設(shè)計(jì)時(shí)，可合理的選用搭接距離。在民用飛機(jī)燃油箱閃電防護(hù)設(shè)計(jì)論證時(shí)，需結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)共同研究。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張斌，岳鵬，薛勇，等.民機(jī)燃油箱防爆閃電防護(hù)新適航要求研究.分析報(bào)道，vol.119，no.4，pp.31-35，2015.

[2]李艷軍.飛機(jī)液壓傳動與控制.北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[3]夏鶴鳴，范平，韓定邦.民用飛機(jī)機(jī)翼液壓管路設(shè)計(jì)探討.機(jī)械制造與自動化， vol.41，no.2，pp.32-33，2012.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]