袁斐 鞠月嬋

摘 要：該文對直升機油箱內(nèi)影響燃油蒸氣濃度的因素進行了分析，給出燃油蒸氣點燃的邊界條件。針對可能存在的點火源從電火花、細絲加熱、摩擦火花以及熱表面點燃等方面進行分析，并針對點燃源從設(shè)計、試驗以及安全性分析方面提出油箱系統(tǒng)研制時所采取的措施，以減少燃油蒸氣點燃的可能性。最后通過對某型直升機油箱內(nèi)電氣設(shè)備的點燃防護分析，給出點燃防護的分析方法。

關(guān)鍵詞：燃油蒸氣；點燃源；安全性分析

中圖分類號：V231 文獻標志碼：A

0 前言

隨著軍、民用直升機的大量普及以及相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，航空技術(shù)發(fā)達的國家在直升機研制過程中，對于FAR29.963油箱內(nèi)設(shè)備的溫度要求已不足以保證直升機的安全，已將燃油箱點燃防護要求作為設(shè)計要求予以貫徹。而我國還未對直升機燃油箱的點燃防護進行過研究，相關(guān)設(shè)備的研制廠家也未對設(shè)備的安全進行分析，該文對直升機燃油箱內(nèi)蒸氣點燃的防護技術(shù)進行分析、研究，對直升機燃油系統(tǒng)的研制具有一定的指導(dǎo)意義。

1 影響可燃蒸氣濃度因素

油箱內(nèi)的可燃蒸氣一直充滿油箱上部的無油空間，影響可燃蒸氣濃度的因素主要有燃油閃點、溫度、油液晃動以及在加油時可能出現(xiàn)的霧化。燃油的閃點越低，可燃蒸氣就能在越低的燃油溫度下形成。燃油的晃動、濺潑或霧化能夠?qū)е氯加拖鋬?nèi)液面上方空間燃油分子濃度增加，從而顯著增大可燃性蒸氣的暴露時間，燃油溫度升高能顯著增加燃油箱內(nèi)的可燃蒸氣。在進行加油時，大量氣泡破滅，促使油箱上部可燃蒸氣濃度增加。

2 可燃蒸氣點燃條件

油箱中的可燃蒸氣能夠點燃的條件如圖1所示，圖中曲線是采用JetA噴氣燃料測得的數(shù)據(jù)，國內(nèi)RP3噴氣燃料與之類似。在易燃區(qū)域兩側(cè)的限制條件分別是上邊界和下邊界。上邊界為富油條件，油氣濃度較大不能點燃；下邊界為貧油條件，油氣濃度較小而不能點燃。在海平面高度，下邊界溫度為低于燃油閃點10 ℉，上邊界溫度為高于燃油閃點62.5 ℉。上述邊界條件也可采用油氣比確定，在海平面高度下邊界條件的油氣比為0.032，在60 000 ft時線性增加到0.043；在海平面上邊界條件的油氣比為0.24，在60 000 ft時線性降低到0.142。由上下邊界圍成的區(qū)域為易燃區(qū)域，從海平面高度直到60 000 ft，點燃所需能量逐漸增加，在海平面高度附近，所需能量為0.17 mJ～0.2 mJ，在60 000 ft附近所需能量接近25 000 mJ。

3 燃油蒸氣點燃源分析

3.1 可能存在的點燃源

在油箱內(nèi)可能存在的點燃源包括：未包容的電火花/電弧；細絲加熱；摩擦火花；熱表面點燃或自燃。

3.1.1 未包容的電火花/電弧

由于電氣系統(tǒng)故障、閃電或其他電氣問題，使2個彼此絕緣的元器件之間出現(xiàn)電壓差，產(chǎn)生電火花。當(dāng)2個導(dǎo)電元器件彼此接觸時可能會發(fā)生電弧或熱熔火花。

電氣絕緣的零部件由于燃油撞擊、晃動，或者燃油在管路中流動等會產(chǎn)生電荷積聚。如果不添加防靜電劑，國內(nèi)燃油的電導(dǎo)率為0.1 pS/m～10 pS/m，燃油電傳導(dǎo)率太低，燃油表面將積聚大量靜電荷，一旦產(chǎn)生的電壓超過燃油上部空間油氣混合物擊穿電壓時，可能會產(chǎn)生火花。存在電荷積聚的零部件和附近的油箱接地點之間產(chǎn)生的放電也可能產(chǎn)生足夠的能量來點燃燃油蒸氣。

3.1.2 細絲加熱

當(dāng)安裝在油箱中的設(shè)備如油箱測量系統(tǒng)的電流超過25 mA RMS時，導(dǎo)線發(fā)熱可能會成為點火源。

3.1.3 摩擦火花

燃油泵的入口單向閥、螺母、螺釘、卡箍以及一些結(jié)構(gòu)上的碎片可能會被吸入泵內(nèi)，與葉輪發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生火花。

3.1.4 熱表面

如果設(shè)備表面溫度可能會達到燃油自燃溫度，則該設(shè)備就是一個點火源。燃油自燃溫度隨燃油類型以及壓力變化而變化。對于JETA燃油，在一個大氣壓下為450 ℉。

3.2 點燃防護措施

安裝在油箱內(nèi)的電氣設(shè)備通常包括燃油泵、油量傳感器、液面信號器、溫度傳感器以及燃油閥等，這些設(shè)備都可能成為潛在的點火源，同時還包括靜電以及閃電。針對上述點火源，需從設(shè)計保證、試驗驗證以及安全性分析等方面予以防護。

3.2.1 設(shè)計保證

電源線布置在機外，一旦出現(xiàn)故障不會在油箱內(nèi)部產(chǎn)生熱源或電弧。

燃油系統(tǒng)電源線與其他設(shè)備線路隔離，并進行屏蔽，同時可安裝抑制器以防止誘導(dǎo)大電流進入油箱導(dǎo)線中。

燃油泵入口在整個工作期間始終淹沒在燃油中。對于儲油箱，采用引射泵進行輸油，以避免電動燃油泵干轉(zhuǎn)而超溫。

與機體結(jié)構(gòu)進行良好地搭接，搭接通道采取冗余設(shè)計。

安裝在油箱中的系統(tǒng)設(shè)計電流不超過25 mA RMS。故障條件下電流限制到50 mA RMS，閃電瞬間感應(yīng)的尖峰電流為125 mA。

油箱周圍不能布置任何易產(chǎn)生高溫的管路、設(shè)備，以防止油箱內(nèi)燃油溫度升高。

合理布置油箱進油口和管路，以降低燃油霧化和噴濺程度。壓力加油口應(yīng)設(shè)置在油箱較低的部位。

3.2.2 試驗驗證

安裝在軍機油箱中的所有部件則需按照GJB150A或MIL-STD-810E進行防爆試驗，在民機上按RTCA DO160D進行試驗驗證，以表明在燃油蒸氣中的防爆性能。燃油泵需要進行干運轉(zhuǎn)試驗，以表明其溫度升高不會超過燃油自燃溫度，并保留約50 ℉的安全裕度。安裝在燃油箱鄰近的可燃液體泄漏區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備，同樣應(yīng)滿足防爆安全要求。

3.2.3 安全性分析

對油箱系統(tǒng)進行故障模式及影響分析，并對其進行安全性評估：不管其發(fā)生的概率有多小，任一單點故障都需要考慮；任一單點故障與任一未表明其發(fā)生概率為極不可能的潛在故障組合；所有未表明其發(fā)生概率為極不可能的故障組合。

4 點燃防護符合性分析

為了降低各點燃源點燃油箱內(nèi)部燃油蒸氣的概率，在系統(tǒng)研制過程中，需要對油箱內(nèi)部各電氣設(shè)備進行點燃防護分析，以便及早采取措施，完善設(shè)計。分析時需要考慮所有的影響因素，并針對影響因素進行符合性分析，從而表明油箱系統(tǒng)研制滿足油箱蒸氣點燃防護要求。表1為某型直升機油箱內(nèi)電氣設(shè)備的點燃防護分析，針對各影響因素給出了具體的解決措施。

5 結(jié)論

油箱內(nèi)始終會存在燃油蒸氣，完全消除點燃源是不可能的。但可以通過對可燃源的辨識，進而從設(shè)計、試驗以及安全性分析等方面采取措施來降低油箱內(nèi)燃油蒸氣被點燃的概率，從而提升直升機的安全性。

參考文獻

[1]CCAR-29-R1.運輸類旋翼航空器適航規(guī)定[S].中國民用航空局，2002.

[2]CCAR-25-R4.運輸類飛機適航標準[S].中國民用航空局，2011.