張鐵純, 郭 江,, 李志寶, 段澤民,4, 司曉亮

(1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院,天津 300300; 2.安徽省飛機(jī)雷電防護(hù)省級實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 3.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 4.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)的引燃源防護(hù)是雷電防護(hù)最重要的任務(wù)之一。當(dāng)飛機(jī)遭受雷擊時,幾千安培的電流通過機(jī)體進(jìn)行傳導(dǎo)。在燃油箱內(nèi),小于1 A的電流產(chǎn)生的火花都可能釋放足夠的能量點(diǎn)燃燃油蒸氣并引起火災(zāi)或爆炸[1]。盡管傳統(tǒng)金屬燃油箱具有良好的導(dǎo)電性[2-3],在蒙皮結(jié)合處的導(dǎo)電性也較好,但若燃油箱組件沒有足夠的防護(hù),則仍有可能引發(fā)災(zāi)難性事故。

遭受雷擊時,結(jié)構(gòu)件間接觸面處產(chǎn)生的電弧是燃油蒸氣的引燃源之一。電弧成因主要是由于導(dǎo)電部件間的接觸面熔化而形成空氣或其他氣體的電離,當(dāng)接觸面的電流密度超過其載流能力時會產(chǎn)生電弧,造成熔化或燃燒的物質(zhì)從接觸區(qū)噴射,引燃燃油蒸氣。例如,從檢修門與適配裝置間產(chǎn)生電弧;電流傳導(dǎo)至搭接不良的油箱蒙皮結(jié)合處時產(chǎn)生電弧;電流流過搭接不良的油箱內(nèi)部組件時產(chǎn)生的熱顆粒簇射等。

國內(nèi)對飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究已有報(bào)道[4-7],但關(guān)于飛機(jī)燃油箱雷電防護(hù)的研究尚處于起步階段,關(guān)于燃油箱檢修口蓋具體結(jié)構(gòu)的雷電防護(hù)研究很少。飛機(jī)燃油箱檢修口蓋在設(shè)計(jì)上應(yīng)為雷電流提供低阻抗的通路,使強(qiáng)大的雷電電流安全通過而無過熱,在任何間隙處都不會發(fā)生起弧[8-9]。防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)檢修口蓋的實(shí)際情況采取適當(dāng)?shù)睦纂姺雷o(hù)措施,盡可能減少雷電對飛機(jī)的危害。

本文利用COMSOL Multiphysics有限元軟件對傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋進(jìn)行雷電流仿真,通過電流密度分布識別出潛在的起弧位置,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)際起弧位置與仿真結(jié)果一致?；趯鹘y(tǒng)檢修口蓋防護(hù)設(shè)計(jì)缺陷的分析,設(shè)計(jì)了新型檢修口蓋,并通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了新型檢修口蓋引燃源防護(hù)的有效性。

1 傳統(tǒng)檢修口蓋引燃源防護(hù)

1.1 檢修口蓋防護(hù)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,使用加強(qiáng)板,通過緊固件將油箱壁板與檢修口蓋相連接。

圖1 傳統(tǒng)檢修口蓋的結(jié)構(gòu)示意圖

飛機(jī)遭遇雷擊時,強(qiáng)大的雷電流在通過檢修口蓋的過程中,由于導(dǎo)電表面接觸面積較小或緊固件間配合面存在間隙,因此可能會造成緊固件連接表面或其他接觸表面的電流密度過大,產(chǎn)生電弧,引燃燃油蒸氣[10]。針對此潛在的引燃源,傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋采取的防護(hù)方式見表1所列。

表1 傳統(tǒng)檢修口蓋引燃源防護(hù)

1.2 檢修口蓋電流密度分布研究

本試驗(yàn)利用COMSOL Multiphysics有限元軟件對上述傳統(tǒng)檢修口蓋進(jìn)行雷電流分布進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真注入的雷電流分量D波形(單極性脈沖電流波)如圖2所示,其中脈沖電流表達(dá)式為:

I(t)=I0(e-α t-e-β t)(1-e-γ t)2

(1)

其中,I0=109 405 A;α=22 708 s-1;β=1 294 530 s-1;γ=10 847 100 s-1;t為時間。

圖2 雷電流分量D波形

仿真設(shè)置檢修口蓋螺釘上表面中心處為雷電注入點(diǎn),注入雷電流分量D波,設(shè)置油箱壁板側(cè)面接地,計(jì)算緊固件及整個結(jié)構(gòu)上電流密度的分布。仿真所得t=6.4 μs傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋上的電流密度如圖3所示。由整體結(jié)構(gòu)的電流密度分布仿真可知,在雷電注入點(diǎn)處電流密度最大,這也說明了在螺栓處容易產(chǎn)生電弧;雷電流從注入點(diǎn)在向油箱壁板側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)的過程中電流密度明顯降低;雷電流從緊固件傳導(dǎo)至檢修口蓋壁板中,鉚釘及盤形螺母與油箱壁板的接觸面電流密度較高為最易產(chǎn)生電弧處,即圖3的A、B處附近易產(chǎn)生電弧。

圖3 t=6.4 μs時電流密度分布

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋進(jìn)行雷電引燃源試驗(yàn),通過暗室檢測引燃源,觀察燃油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)電弧,判斷防護(hù)是否有效。傳統(tǒng)檢修口蓋實(shí)物如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)檢修口蓋

選取檢修口蓋的螺釘中心位置為注入點(diǎn),即位于圖4中的C處,油箱模擬件壁板接地。試驗(yàn)原理如圖5所示[11-12]。

圖5 燃油箱引燃源試驗(yàn)原理圖

雷電流波形發(fā)生器將雷電流注入試驗(yàn)件,通過在暗室中的照相系統(tǒng)檢測在燃油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)雷電起弧。本試驗(yàn)的傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋實(shí)際安裝位置位于飛機(jī)的雷電2A區(qū),則試驗(yàn)注入的的雷電流分量組合為D+B+C*,試驗(yàn)中采集到的電流波形如圖6所示。

圖6 典型雷電流試驗(yàn)波形

在傳統(tǒng)檢修口蓋的雷電引燃源試驗(yàn)中,檢測到電弧,如圖7所示。

從圖7可看也，試驗(yàn)結(jié)束后,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)口蓋油箱內(nèi)側(cè)的鉚釘與盤型螺母配合面周圍(圖3中位置B周圍)的密封劑缺失,而盤型螺母與油箱壁板接觸面附近(圖3中位置A附近)處仍包覆密封劑,故判斷試驗(yàn)中發(fā)生電弧的位置為鉚釘與盤型螺母配合面處,即圖3中的位置B。

圖7 火花瞬間

2 新型檢修口蓋引燃源防護(hù)

2.1 檢修口蓋防護(hù)設(shè)計(jì)

結(jié)合傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋進(jìn)行電流密度仿真與試驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)檢修口蓋在螺釘處電流密度高,在遭受雷擊時會在燃油箱內(nèi)部產(chǎn)生電弧,產(chǎn)生的電弧極有可能點(diǎn)燃燃油蒸氣,造成嚴(yán)重災(zāi)難?；谏鲜龇治?開展新型檢修口蓋的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)檢修口蓋的螺釘貫穿油箱壁板,與內(nèi)部燃油蒸氣相接觸,該結(jié)構(gòu)不可避免地成為雷電防護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。綜合考慮可知,新型檢修口蓋在設(shè)計(jì)上考慮了避免燃油箱內(nèi)外界直接相通的結(jié)構(gòu),因此從根本上消除了雷電直擊造成內(nèi)部打火的風(fēng)險(xiǎn)。

新型檢修口蓋結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示,在結(jié)構(gòu)上取消了圖1中的加強(qiáng)板,去除了貫穿燃油箱壁板與燃油蒸氣直接接觸的緊固件,避免了潛在的引燃源,口蓋內(nèi)部利用橡膠密封圈阻止電弧生成物與燃油蒸氣接觸。新型檢修口蓋為反裝式結(jié)構(gòu),口蓋從燃油箱內(nèi)側(cè)安裝,利用內(nèi)部壓力結(jié)合橡膠密封圈形成更好的密封。通過使用夾持環(huán)將檢修口固定在燃油箱結(jié)構(gòu)壁板上,其中,黑色部分為不導(dǎo)電密封圈。

圖8 新型檢修口蓋結(jié)構(gòu)示意圖

考慮在遭受雷擊時,結(jié)構(gòu)間的接觸面處可能會由于承載過大的電流進(jìn)而產(chǎn)生電弧,新型檢修口蓋采取的防護(hù)方式見表2所列。

表2 新型檢修口蓋引燃源防護(hù)

2.2 檢修口蓋電流密度分布研究

對新型檢修口蓋進(jìn)行雷電流分布仿真計(jì)算,設(shè)置檢修口蓋螺釘上表面中心處為雷電注入點(diǎn),注入雷電流D波,設(shè)置油箱壁板側(cè)面接地。計(jì)算緊固件及整個結(jié)構(gòu)上電流密度的分布,驗(yàn)證新型檢修口蓋結(jié)構(gòu)與防護(hù)措施的合理性。

仿真所得t=6.4 μs傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋上的電流密度如圖9所示。由整體檢修口蓋的電流密度分布可知,在注入點(diǎn)處電流密度最大;雷電流從緊固件傳導(dǎo)至檢修口蓋壁板,緊固件與檢修口蓋的接觸面電流密度很高,但內(nèi)側(cè)壁板及安裝結(jié)構(gòu)電流密度較低,迫使雷電流沿外表面?zhèn)鬟f是相對合理的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方案。此外,結(jié)構(gòu)中沒有貫穿結(jié)構(gòu)、接觸燃油蒸氣的螺釘,避免了因電流密度過高所產(chǎn)生的電弧生成物引燃燃油蒸氣的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 t=6.4 μs時電流密度分布

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對新型燃油箱檢修口蓋進(jìn)行雷電引燃源試驗(yàn),通過暗室檢測引燃源,觀察燃油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)電弧,驗(yàn)證其引燃源防護(hù)是否有效。

新型燃油箱檢修口蓋實(shí)物如圖10所示,其安裝、接地及試驗(yàn)方法與傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋相同。對新型燃油箱檢修口蓋進(jìn)行雷電流注入,試驗(yàn)中未檢測到電弧如圖11所示，驗(yàn)證了新型口蓋引燃源防護(hù)設(shè)計(jì)的有效性。

圖10 新型檢修口蓋

圖11 新型檢修口蓋試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過電流分布仿真與雷電引燃源試驗(yàn)研究了燃油箱檢修口蓋的雷電防護(hù)性能,對比2種檢修口的防護(hù)設(shè)計(jì)可以得出以下結(jié)論:

(1) 傳統(tǒng)檢修口蓋的制造與安裝相比新型檢修口蓋較為簡單,但大量緊固件的使用增加了防護(hù)失效的風(fēng)險(xiǎn),同時也增加了后期維護(hù)工作量。

(2) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),新型檢修口蓋未檢測到電弧,而傳統(tǒng)檢修口蓋檢測到電弧。經(jīng)證明是電弧造成緊固件處密封膠失效,進(jìn)而形成電弧噴射,后期應(yīng)該對密封膠的種類、涂敷厚度等進(jìn)行研究。

(3) 新型檢修口蓋通過定期檢查并更換密封圈保證防護(hù)的有效性,相比傳統(tǒng)檢修口蓋的引燃源防護(hù),無貫穿螺釘安裝的新型燃油箱檢修口蓋更為安全可靠,為今后飛機(jī)燃油箱檢修口蓋引燃源防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。