張 毅 周興明 王夢蕾 徐 濤

（1. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所；2. 應(yīng)急救生與安全防護湖北省重點實驗室）

民航飛機固體化學(xué)氧氣發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀

張 毅1,2周興明1,2王夢蕾1,2徐 濤1,2

（1. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所；2. 應(yīng)急救生與安全防護湖北省重點實驗室）

民用航空客機的巡航高度通常在8400m～12000m，空氣稀薄的高空更適合飛機飛行，但也會危及飛機乘員的生命安全。目前，全增壓機艙已經(jīng)成為幾乎所有飛行器的通用設(shè)計。如果飛機在飛行過程中出現(xiàn)增壓系統(tǒng)故障或結(jié)構(gòu)受損，并導(dǎo)致座艙釋壓，飛機將無法維持座艙內(nèi)部與外界環(huán)境之間的壓力差，座艙壓力可能會達到飛行高度壓力，這時，空氣中的氧氣就不足以維持機上人員的生存需求。當人體長時間處于高空缺氧的環(huán)境中時，就會引起頭痛、記憶力及判斷力減退、運動不協(xié)調(diào)等情況，嚴重缺氧還會導(dǎo)致驚厥、昏迷甚至死亡，直接威脅機上人員的生命安全。

《美國聯(lián)邦航空條例》和大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則CCAR-121-R2規(guī)定：任何飛行高度在4500m以上的飛機都必須為每位乘客提供可持續(xù)使用10min的氧氣，而這10min的時間足夠確保飛機從巡航高度緊急下降至3000m左右的高度，從而確保乘客的生命安全[1]。

民航飛機客艙氧氣系統(tǒng)介紹

民航客機氧氣系統(tǒng)主要作為一種安全保障措施，在座艙增壓失效的情況下，向機上人員提供氧氣。目前，民航客機的氧氣源有兩種：一種是用高壓氧氣瓶儲存氧氣，簡稱“氣氧”；另一種是使用固體化學(xué)氧氣發(fā)生器，簡稱“固氧”。

圖1 澳大利亞快達航空公司的波音747機載氧氣瓶發(fā)生爆炸

氣氧是一種常規(guī)供氧裝置，早期機型的駕駛艙和客艙都采用氣氧作為氧源，具有供氧時間長和可間斷使用等優(yōu)點，但客艙面積較大，氣氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管路繁多，檢測維護工作量大，體積和重量也較大，易發(fā)生故障。歷史上就曾發(fā)生過氣氧泄露和爆炸事故。例如，2008年6月28日晚，美國ABX航空公司的B767-200貨機在地面啟動發(fā)動機前，緊接駕駛艙的區(qū)域發(fā)生了火災(zāi)，造成飛機嚴重損壞。調(diào)查結(jié)果顯示，此次起火的原因可能是因為飛機氧氣系統(tǒng)管路設(shè)計缺陷，飛機電線與導(dǎo)電的氧氣系統(tǒng)部件之間沒有適當?shù)拈g隙而造成的。2008年7月25日，澳大利亞快達航空公司一架波音747-400飛機在高空飛行時，機腹部位突然裂開一個寬達3m的“破洞”，造成飛機緊急釋壓。初步調(diào)查顯示，該飛機機腹破裂的原因可能是飛機上氧氣瓶內(nèi)高壓氧氣突然泄漏并發(fā)生爆炸而引起的[2]。

為保證飛行員有充足的氧氣供應(yīng)，目前，大型民航客機的駕駛艙仍采用高壓氧氣瓶供氧。乘務(wù)員緊急使用的便攜式氧氣設(shè)備也使用氣氧。除此之外，客艙內(nèi)廣大乘客頭頂上方的旅客服務(wù)組件（PSU）、衛(wèi)生間上方的廁所服務(wù)組件（LSU）、乘務(wù)員座椅上方的乘務(wù)員服務(wù)組件（ASU）均采用固體化學(xué)氧氣發(fā)生器提供氧氣[3]。

民航飛機的應(yīng)急供氧系統(tǒng)主要由固體化學(xué)氧氣發(fā)生器、呼吸面罩和控制部件等組成。固氧是一種新型的產(chǎn)氧裝置，由啟動機構(gòu)、殼體、產(chǎn)氧藥柱、隔熱材料、過濾材料、安全泄壓閥、出氣嘴等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。拔掉啟動機構(gòu)安全銷和啟動拉索，壓縮狀態(tài)的彈簧推動撞針擊發(fā)啟動機構(gòu)中的火帽，受擊火帽釋放能量，點燃產(chǎn)氧藥柱產(chǎn)生氧氣，氧氣經(jīng)過濾層凈化后供人體使用。

固氧利用富含氧的氯酸鹽發(fā)生熱分解化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，其產(chǎn)氧過程類似于蠟燭燃燒，亦稱“氧燭”。固氧的產(chǎn)氧物質(zhì)主要是氯酸鹽或高氯酸鹽，產(chǎn)氧物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所放出的熱量不能維持自身連續(xù)反應(yīng)，需要向產(chǎn)氧物質(zhì)中加入提供熱量的金屬粉和降低反應(yīng)溫度的催化劑，同時加入的物質(zhì)還包括用于抑制和吸收有毒有害氣體的添加劑、反應(yīng)穩(wěn)定劑等，固氧產(chǎn)生的氣體經(jīng)過濾純化后供人體使用。固氧產(chǎn)氧時主要發(fā)生如下反應(yīng)：

2MClO3→2MCl+3O2↑

固氧儲存物是氯酸鹽或高氯酸鹽、金屬粉等固體物質(zhì)，其含氧密度接近于液氧；同高壓氣氧相比，除具有體積小、重量輕、攜帶方便、使用簡單、保質(zhì)期長等優(yōu)點外，其還具有如下顯著優(yōu)勢：

（1）安全可靠。固氧儲存、運輸和使用均較氣態(tài)氧和液態(tài)氧安全。固氧不像氣氧那樣需要高壓容器儲藏，也不像液氧那樣要求低溫，而且不存在由于管路安裝而帶來的泄漏等問題。目前，固體氧氣發(fā)生器的可靠性已經(jīng)達到了很高的水平。

（2）維護簡單。固氧基本不需要維護，僅需很少工作量的定期檢查和到期更換即可。

（3）固氧的安裝和使用非常簡單，無需復(fù)雜管路系統(tǒng)，啟動供氧裝置，就可以立即按設(shè)計要求供氧，無需其它調(diào)節(jié)操作。

固氧非常適合作為應(yīng)急供氧裝置使用。早在20世紀20年代，德國就已將固氧產(chǎn)品應(yīng)用于礦業(yè)救援工作中；二戰(zhàn)期間，德國和日本開展了航空固氧研制，為戰(zhàn)斗機駕駛員高空飛行提供氧氣，但因供氧純度不達標而未能得到廣泛應(yīng)用；二戰(zhàn)后期，英國、美國等國家先后研制了潛艇用固氧，取得了成功，如今，歐美國家常規(guī)潛艇日常供氧和核潛艇應(yīng)急供氧裝置均大量使用固氧。1967年后，固氧研究重點轉(zhuǎn)移到軍用和民用飛機的應(yīng)急供氧系統(tǒng)，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，并研制出了民航固氧產(chǎn)品，克服了氣氧體積大、質(zhì)量重、控制復(fù)雜、檢修困難、存在安全隱患等缺點，并迅速在民航應(yīng)急供氧系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

國外企業(yè)及其固氧產(chǎn)品介紹

民航固氧是民航旅客應(yīng)急救生系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，目前僅有美國AVOX系統(tǒng)公司和B/E宇航公司等兩家公司生產(chǎn)。我國現(xiàn)役民航飛機和國產(chǎn)飛機所需的民航固氧完全依賴進口。

圖3 AVOX系統(tǒng)公司固氧系列產(chǎn)品

圖2 固氧結(jié)構(gòu)示意圖

AVOX系統(tǒng)公司是民用和軍用航空市場上設(shè)計、制造和維修呼吸防護設(shè)備的全球領(lǐng)導(dǎo)者。AVOX系統(tǒng)公司是Zodiac（卓達）宇航集團旗下公司，而Zodiac宇航集團是全球十大商用飛機制造商之一。AVOX系統(tǒng)公司的產(chǎn)品包括化學(xué)氧和氣態(tài)氧供給設(shè)備、乘客和船員口罩，以及通用航空配件等。通過加入Zodiac宇航集團，AVOX系統(tǒng)公司已成為一家產(chǎn)業(yè)鏈完整的航空氧氣系統(tǒng)供應(yīng)商。AVOX系統(tǒng)公司的產(chǎn)品廣泛供應(yīng)給歐洲空中客車集團、美國波音公司、加拿大龐巴迪公司、巴西航空公司、法國達索集團、美國豪客比奇公司、美國賽斯納飛行器公司、美國洛克希德·馬丁公司、日本本田公司、日本三菱集團等知名飛機制造企業(yè)，已累計生產(chǎn)民航固氧產(chǎn)品100多萬發(fā)。

B/E宇航公司的主要業(yè)務(wù)是為軍用和民用飛機提供內(nèi)部系統(tǒng)工程設(shè)計和加工、整體安裝、認證服務(wù)等產(chǎn)品或服務(wù)，如機內(nèi)餐飲設(shè)備、廚房設(shè)施、旅客服務(wù)系統(tǒng)、盥洗室、隔墻、衣櫥、空氣控制閥、照明系統(tǒng)與各種設(shè)備開關(guān)等，飛機座椅、內(nèi)飾系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)是該公司的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，已擁有為軍用和民用飛機提供氧氣輸送系統(tǒng)等氧氣產(chǎn)品100多年的歷史。在收購德爾格公司后，B/E宇航公司的民航固氧產(chǎn)品的市場份額進一步擴大，累計生產(chǎn)民航固氧產(chǎn)品30多萬發(fā)，累計飛行時間超過30億個小時。B/E宇航公司是化學(xué)制氧設(shè)備的全球領(lǐng)導(dǎo)者，在民航固氧產(chǎn)品輕量化設(shè)計和成本降低方面擁有專利技術(shù)，通過了最新的血氧飽和度認證，其供氧系統(tǒng)具有質(zhì)輕、安全、可靠、靈活度高等特點，已廣泛應(yīng)用于美國波音公司和歐洲空客集團等公司的飛機上。圖5是B/E宇航公司生產(chǎn)的3P-15min民航固氧產(chǎn)品，可為3名旅客提供15min氧氣，已在波音、空客等多型民航飛機上得到了廣泛應(yīng)用。

圖4 B/E宇航公司的固氧系列產(chǎn)品

國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器研究進展

目前，國內(nèi)從事固體化學(xué)氧氣發(fā)生器研發(fā)生產(chǎn)的單位主要有湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所、惠州大亞灣太極鮮氧實業(yè)有限公司、中國兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所、北京科技大學(xué)等。各單位雖然都生產(chǎn)固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品，但產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域卻各有側(cè)重，例如，惠州太極公司主要服務(wù)于礦業(yè)生存急救和個體保健兩大領(lǐng)域，兵器衛(wèi)生所研制的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器主要用于高原缺氧防護方面，北京科技大學(xué)研制的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器主要用于礦用救生艙及避難硐室等。

圖5 B/E宇航公司的3P-15min民航固氧外觀

湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所是我國固體火箭發(fā)動機推進劑研究機構(gòu)，在化學(xué)產(chǎn)氣領(lǐng)域積累了深厚的技術(shù)基礎(chǔ)，利用相關(guān)技術(shù)研制出了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器，現(xiàn)已在高空跳傘缺氧防護和高原缺氧救生領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1989年，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所了解到，國內(nèi)航線飛機上配備的固體氧氣發(fā)生器全部依賴進口，價格昂貴。為了打破這一局面，該研究所充分利用其軍工專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，組織人員開展了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的研制開發(fā)工作，僅用一年多時間就研發(fā)出了民航用固體氧氣發(fā)生器的樣機，經(jīng)檢測，產(chǎn)品各項技術(shù)性能指標均達到美國道格拉斯飛機公司標準，符合衛(wèi)生規(guī)范要求，可供人體呼吸使用，填補了國內(nèi)空白。該項目于1991年4月通過了原航天部組織的技術(shù)鑒定。但該項目最終被擱置。之后，該研究所又開展了其它系列產(chǎn)品如傘兵用固體氧氣發(fā)生器和煤礦井下工人救生用啟動器等產(chǎn)品的研制工作。20世紀90年代初期，我國空軍急需高空跳傘供氧裝置，要求該研究所研制單兵可隨身攜帶的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器。該研究所解決了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器啟動、穩(wěn)定產(chǎn)氧和氣體凈化等技術(shù)難題。1994年，該研究所研制的傘兵用固體氧氣發(fā)生器成功通過了空軍裝備部的產(chǎn)品定型鑒定，研制的高空跳傘固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品已列裝部隊，提高了空降兵的作戰(zhàn)范圍和作戰(zhàn)能力。隨后，該研究所研制開發(fā)了預(yù)警機駕駛員高原救生固體化學(xué)產(chǎn)氧器。目前，該研究所研發(fā)的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器已實現(xiàn)批量供應(yīng)，成為軍工技術(shù)轉(zhuǎn)民用又服務(wù)軍工的典范[4]。

湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所利用固體火箭推進劑軍工技術(shù)為民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的設(shè)計和藥柱配方的研究提供技術(shù)支持。自20世紀80年代開始開展固體化學(xué)氧氣發(fā)生器技術(shù)和生產(chǎn)工藝研究至今，該研究所先后攻克了固體化學(xué)氧氣發(fā)生器啟動技術(shù)、低溫穩(wěn)定燃燒產(chǎn)氧技術(shù)、降低環(huán)境溫度對固體化學(xué)氧氣發(fā)生器燃燒產(chǎn)氧影響技術(shù)、穩(wěn)定產(chǎn)氧技術(shù)、氣體凈化技術(shù)等難關(guān)，擁有固體氧氣發(fā)生器配方和工藝核心技術(shù)，是國內(nèi)首家開展民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器研制的單位。借鑒國外最新民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的設(shè)計理念，充分利用自有技術(shù)，該研究所開展了3人15min民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的研制工作，研制出的民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器樣品如圖6所示。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所逐漸掌握了固體氧氣發(fā)生器設(shè)計、配方和工藝等核心技術(shù)，培育了一支成熟的固體氧氣發(fā)生器供氧裝置產(chǎn)業(yè)化隊伍，建成了年產(chǎn)萬套供氧裝備的生產(chǎn)線，具備了一定的民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。同時，在國內(nèi)競爭對手方面，目前，暫未有國內(nèi)其他單位發(fā)布關(guān)于民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的相關(guān)研究報道。

圖6 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器樣品參加2016年珠海航展

民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景展望

民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器市場主要包括新飛機首次裝備民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器和現(xiàn)役飛機民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器到期更換兩個方面。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器有限定的壽命期，自生產(chǎn)日算起一般為10年，到期必須更換。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器從出廠到裝機交付用戶，需要一定的時間，會損耗產(chǎn)品的壽命，故實際壽命短于10年。飛機壽命一般為25年～30年，民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器在飛機壽命期內(nèi)需要更換2～3次。此外，民航飛機每年都會發(fā)生因故障必須向乘客供氧的事件，固體化學(xué)氧氣發(fā)生器屬一次性使用產(chǎn)品，民航飛機上使用過的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器必須立即補充。據(jù)粗略估算，國內(nèi)外民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的市場需求超過7億美元，但目前僅有美國兩家公司壟斷生產(chǎn)，市場空間巨大。

航空產(chǎn)業(yè)承擔(dān)著實現(xiàn)國家夢想和促進經(jīng)濟增長的雙重任務(wù)，得到了國家的一貫重視和支持。隨著國產(chǎn)C919大型客機總裝下線及成功首飛、首架ARJ21飛機交付用戶，我國已進入國產(chǎn)飛機時代。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器作為民航飛機必備的裝備，目前完全依賴進口。為滿足國內(nèi)對民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的迫切需求和支持航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開展民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器國產(chǎn)化研制工作勢在必行。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的國產(chǎn)化研制成功，也必將使國產(chǎn)飛機和國內(nèi)現(xiàn)有民航飛機擺脫對國外民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的依賴，打破我國民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器完全依賴進口的局面，將有助于推動我國航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)也必將隨著民航飛機的發(fā)展在我國得到持續(xù)、長久的發(fā)展。

固體化學(xué)氧氣發(fā)生器因其突出的優(yōu)點，廣泛適用于民航乘客緊急供氧、空間站備份氧、常規(guī)潛艇供氧裝置/核潛艇應(yīng)急供氧裝置、消防逃生呼吸防護裝置、高空跳傘、戰(zhàn)地醫(yī)療急救、礦山救護、保健養(yǎng)生等領(lǐng)域。固體化學(xué)氧氣發(fā)生器技術(shù)改變了應(yīng)急救生呼吸防護產(chǎn)品的發(fā)展方向。民航飛機固體化學(xué)氧氣發(fā)生器國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)項目實施后，將進一步提高固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)品的安全性、可靠性和小型輕量化等產(chǎn)品性能，將促進我國應(yīng)急救生呼吸防護系統(tǒng)采用更多的固體化學(xué)氧氣發(fā)生器[5]產(chǎn)品。

結(jié)束語

民航飛機旅客固體化學(xué)氧氣系統(tǒng)在座艙失壓的情況下，可以為客艙內(nèi)的乘客和乘務(wù)員提供應(yīng)急呼吸用氧，是保障飛行安全和人員健康的重要系統(tǒng)。目前，美國AVOX系統(tǒng)公司和B/E宇航公司壟斷著世界民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器市場。湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所利用自有技術(shù)研制出了民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器樣品，且具備了一定的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的國產(chǎn)化研制成功必將打破國外企業(yè)對我國現(xiàn)役民航飛機和國產(chǎn)飛機所需民航固體化學(xué)氧氣發(fā)生器的壟斷和控制，推動我國航空產(chǎn)業(yè)及應(yīng)急救生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 施興燦, 雷鳴俊. 民用飛機旅客氧氣系統(tǒng)研究[J]. 科技信息,2011, (22): 429～430

2 李勇, 謝孜楠. 飛機氧氣系統(tǒng)引發(fā)著火案例的調(diào)查研究[J]. 中國民用航空, 2010, 112(4): 68～70

3 顧錚. 大型民用客機的氧氣系統(tǒng)[J]. 航空知識, 2006, (3): 62～63

4 四院42所. 堅持軍民結(jié)合 發(fā)揮綜合優(yōu)勢 推進軍轉(zhuǎn)民持續(xù)發(fā)展[J]. 航天技術(shù)與民品, 1998, (2):27～29

5 林天更 , 李俊彬 , 關(guān)兵峰 , 等 . 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所應(yīng)急產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路淺析[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2014, (8): 49～51

研究項目：國防科工局軍工技術(shù)推廣專項“十三五”第二批項目“民航飛機固體化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)業(yè)化研究”。