何 杰，徐 海,傅春暉,許寧鑫

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心，遼寧 沈陽 110299)

0 引言

一氧化碳是一種無色、無味的窒息性氣體，不易被察覺，可能在不知不覺中影響人體神經系統(tǒng)[1-2]。飛機也存在一氧化碳污染座艙的問題，不僅影響機組人員及乘客的健康，而且會降低機組人員的操作能力[3]。當前民用直升機大多采用燃油發(fā)動機提供動力,發(fā)動機會排放含有一氧化碳的尾氣[4]。直升機艙室加溫主要通過發(fā)動機引氣實現(xiàn)，加溫過程可能使一氧化碳進入艙室，引起人體神經行為功能的改變[5]。因此，對直升機艙室一氧化碳濃度進行分析是非常重要的。適航規(guī)章中對直升機艙室的通風做出了明確要求。

1 條款要求

CCAR29部R2中29.831對直升機艙室一氧化碳的要求[6]如下：

(a)每個客艙和機組艙必須通風，每個機組艙必須有足夠的新鮮空氣(每名機組成員每分鐘不得少于283升)，以使機組成員在執(zhí)勤時不致過度不適和疲勞。

(b)機組艙和客艙的空氣不得含有達到有害或危險濃度的氣體和蒸汽。

(c)在前飛時，艙內空氣中的一氧化碳濃度不得超過二萬分之一。如果在其他情況下超過了這個值，則必須有相應的使用限制。

(d)必須有措施保證在通風、加溫或其他系統(tǒng)或設備出現(xiàn)任何合理而可能的故障時，仍能滿足本條(b)和(c)的要求。

目前飛機引氣污染很難通過分析或仿真方法進行有效評估[7]。為了驗證直升機前飛時艙內的一氧化碳水平是否滿足條款要求，最直接有效的驗證方法是飛行試驗驗證，需要開展直升機環(huán)控系統(tǒng)一氧化碳濃度試飛，以驗證條款符合性。

2 設計原理

直升機環(huán)控系統(tǒng)主要為直升機提供通風、加溫、制冷、除霧等功能，為機上人員和設備提供適宜的艙內環(huán)境。其中，通風通過風扇抽吸內循環(huán)空氣或外循環(huán)空氣實現(xiàn)；加溫是以發(fā)動機引氣作為熱源，對內循環(huán)和/或外循環(huán)空氣加熱到適宜溫度后分配到艙室(圖1)。

圖1 環(huán)控工作原理示意圖

3 試驗分析

3.1 一氧化碳來源分析

傳統(tǒng)構型直升機大多采用渦軸發(fā)動機作為動力，燃料為航空燃油。以某型民用直升機為例，燃油燃燒不充分會產生一氧化碳，隨發(fā)動機尾氣排放到空氣中。不同送風形式對艙內空氣的污染影響程度不同[8]。直升機艙室一氧化碳的來源可能有三方面：第一，排放到空氣中的發(fā)動機尾氣通過直升機艙室結構的縫隙進入艙室；第二，受旋翼下洗氣流影響，發(fā)動機排放到空氣中的尾氣，可能通過發(fā)動機進氣口再次被吸入發(fā)動機，通過環(huán)控引氣進入艙室；第三，受旋翼下洗氣流以及大氣環(huán)境風向影響，排放到空氣中的尾氣可能通過環(huán)控進氣口被吸入艙室，如圖2所示。

環(huán)控系統(tǒng)工作時，會向艙室輸入空氣，艙內空氣壓力大于艙外空氣壓力，所以發(fā)動機尾氣通過直升機結構縫隙進入艙室的可能性很小。故艙內一氧化碳主要來源于環(huán)控系統(tǒng)，包括前文提到的環(huán)控引氣和環(huán)控進氣口進入的發(fā)動機尾氣，需要通過飛行試驗評估直升機前飛時的艙內一氧化碳濃度水平。

圖2 直升機尾氣可能流向

3.2 測試項目分析

按照AC-29-2C Certification of Normal Category Rotorcraft[9]要求，在正常工作條件下應對客艙和機組成員艙內的一氧化碳進行監(jiān)測，通常用一氧化碳測試儀進行這種評定，3.4節(jié)中對艙內測點進行了說明，并對窗戶開與關、加溫開與關、內外循環(huán)開與關、內/外循環(huán)空氣量大小等不同組合進行檢測，以保證所有的情況都經過評定。

針對直升機前飛時艙內一氧化碳濃度嚴酷程度進行以下分析：

1) 對于窗戶，窗戶“關”狀態(tài)更嚴酷，因為窗戶“開”狀態(tài)，外界新鮮空氣會進入艙室；

2) 對于加溫，加溫“開”狀態(tài)更嚴酷，因為加溫工作時，發(fā)動機引氣會進入艙室，測試時，應考慮艙內外溫度有較大差異；

3) 對于內循環(huán)或外循環(huán)工作模式，均需要考慮，因為均存在一氧化碳來源；

4) 對于內外循環(huán)空氣氣量大小，小風量工作狀態(tài)更嚴酷；

5) 對于故障情況，可通過關閉環(huán)控系統(tǒng)來模擬故障，包含單個艙室或多個艙室情況。

綜上，直升機艙室一氧化碳濃度測定，除滿足規(guī)章中規(guī)定的前飛以外，需考慮門窗關閉、環(huán)控加溫工作、內/外循環(huán)工作模式、最小內/外循環(huán)空氣量等要求。

另外，坦克艙室人體可耐受70 ppm的一氧化碳時間限制為60 min[10]，結合直升機有起飛、爬升、平飛(或懸停)、下降、著陸等任務剖面，直升機存在長時間懸停作業(yè)的情況，因此增加直升機懸停狀態(tài)的一氧化碳情況。

3.3 單個項目測試時間分析

按照理論分析，每一種測試項目的穩(wěn)定工作時間越長越好，但是也需要對直升機單架次運行時間、試飛代價等因素進行綜合考慮。根據(jù)環(huán)控加溫工作原理，艙內初始空氣會被環(huán)控系統(tǒng)送入艙室的混合空氣不斷稀釋。其中內循環(huán)模式時送入艙室的空氣為發(fā)動機引氣和內循環(huán)空氣的混合空氣；而外循環(huán)模式時提供的是發(fā)動機引氣和外循環(huán)空氣的混合空氣。以單個艙室環(huán)控內循環(huán)工作為例進行估算，如圖3示意，內循環(huán)工作時最大引氣輸送量與單個艙室風扇最低吸風量相同,經計算得到，每經過約40 s，艙室空氣會被完全更換一次。艙內初始空氣濃度隨內循環(huán)工作時間的變化如圖4所示。

圖3 內循環(huán)模式空氣流動示意

根據(jù)圖4計算結果可知，環(huán)控內循環(huán)工作大約300 s(5 min)后，初始艙內空氣已接近于0，測試時不同項目穩(wěn)定工作不小于10 min，可以消除不同測試項目之間的累加影響。

圖4 內循環(huán)工作時初始艙內空氣濃度的變化

3.4 測點及溫度環(huán)境分析

為了實現(xiàn)發(fā)動機引氣達到全開狀態(tài)，推薦艙內外初始溫度低于5 ℃，艙內目標加溫溫度高于20 ℃。

直升機座艙為非密封座艙，環(huán)控加溫時送入艙室的空氣會與直升機艙內空氣及結構進行換熱，最終實現(xiàn)艙內溫度平衡?？梢詼y試艙內環(huán)控出風口，也可以測試穩(wěn)定后的艙內情況。但對于非密封座艙，測試出風口嚴酷于穩(wěn)定后的艙室，試驗時選取便于測試人員接近的出風口進行測試。如圖5所示，駕駛艙選取儀表板上的出風口，客艙選擇下部艙門上的出風口。

綜合以上分析確定某直升機環(huán)控系統(tǒng)一氧化碳測試項目，如表1所列。

4 試飛驗證

4.1 測試設備

根據(jù)實際測試環(huán)境的可實施性及操作的便捷性，采用符合我國規(guī)定的有關室內環(huán)境空氣污染控制和室內空氣質量的標準或法規(guī)[11]，且識別精度高的一氧化碳檢測儀報警儀[12]進行測試。試飛試驗前應對測試設備進行調零和標定，確保測試設備工作正常，測試數(shù)據(jù)準確。

4.2 試飛測試

根據(jù)第3節(jié)分析結果，關閉駕駛艙和客艙門、窗，在直升機懸停和前飛狀態(tài)下進行試飛試驗。試驗過程中通過視頻進行數(shù)據(jù)記錄，以前飛時駕駛艙和客艙外循環(huán)為例展示，如圖7、圖8所示。最終各測試項目試飛測試結果如表1所示，通常用測試的最大值來衡量直升機艙內一氧化碳水平。

表1 試飛測試項目及結果

根據(jù)表1試飛測試結果，不使用環(huán)控系統(tǒng)且直升機艙門、窗關閉時，測試結果為0 ppm，艙內空氣中不存在一氧化碳。使用加溫時，無論是懸停還是前飛，駕駛艙和客艙在外循環(huán)工作模式下的一氧化碳測試值均大于內循環(huán)工作模式。說明在直升機懸停或前飛時，受旋翼下洗氣流及外界環(huán)境風向影響，發(fā)動機尾氣會通過環(huán)控進氣口吸入艙室；而通過發(fā)動機引氣引入艙室的一氧化碳很少，且直升機前飛時發(fā)動機尾氣基本不會通過發(fā)動機引氣引入艙室。

5 結論

經過飛行試驗驗證，某民用直升機艙內一氧化碳濃度為4 ppm, 滿足CCAR29.831(c)、(d) 要求的前飛時艙內空氣中一氧化碳濃度不得超過二萬分之一(50 ppm)的要求，獲得了適航當局的認可。本適航符合性驗證工作為民用直升機艙內空氣污染的準確評估提供了有效的分析及驗證思路，直升機懸停情況不可忽視，對運輸類旋翼航空器型號合格審定中關于一氧化碳的相關驗證工作具有重要參考意義。