王宏泳 李華垚 季曉亮

摘要：遠(yuǎn)程噴氣燃料補(bǔ)給系統(tǒng)（下稱補(bǔ)給系統(tǒng)）主要用于在機(jī)場(chǎng)、公路、飛機(jī)跑道等條件下為飛機(jī)提供噴氣燃料的接收、輸轉(zhuǎn)、儲(chǔ)存、加注等；補(bǔ)給系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由整體自裝卸車(chē)、托盤(pán)、儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊、噴氣燃料加注模塊、過(guò)濾計(jì)量模塊、管路附件模塊、偽裝防護(hù)模塊等組成，展開(kāi)組裝后可以為飛機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程油料補(bǔ)給。基于此，圍繞遠(yuǎn)程油料補(bǔ)給系統(tǒng)的組成、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析，并對(duì)系統(tǒng)組裝后的匹配性、水擊壓力等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

關(guān)鍵詞：噴氣燃料補(bǔ)給系統(tǒng)；模塊；水擊壓力

中圖分類(lèi)號(hào)：U463? 收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.05.012

1 國(guó)內(nèi)外情況

在機(jī)場(chǎng)設(shè)備無(wú)法正常進(jìn)行油料補(bǔ)給任務(wù)時(shí)，為了給飛機(jī)提供應(yīng)急噴氣燃料保障，需緊急啟用備用設(shè)備，機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程油料補(bǔ)給系統(tǒng)便是為飛機(jī)進(jìn)行緊急油料補(bǔ)給而設(shè)計(jì)的［1-2］。

近年來(lái)，隨著空軍現(xiàn)代化的發(fā)展，航空油料保障的模式和裝備也有了很大的變化，多功能管道加油車(chē)、輸油管線、油庫(kù)車(chē)、機(jī)場(chǎng)油料補(bǔ)給系統(tǒng)等保障裝備走進(jìn)了許多空軍場(chǎng)站。隨著我國(guó)空軍實(shí)力的不斷增強(qiáng)，現(xiàn)役的裝備已經(jīng)不能滿足空軍的作戰(zhàn)需求，各種裝備保障能力的不足也不斷暴露。例如，油庫(kù)車(chē)為空軍針對(duì)通用油料的加注系統(tǒng)，沒(méi)用高精細(xì)的過(guò)濾設(shè)備，且加油流量??；飛機(jī)管道加油車(chē)不具備油料儲(chǔ)存的能力；現(xiàn)役機(jī)場(chǎng)油料補(bǔ)給系統(tǒng)保障能力弱等。

美國(guó)空軍在2006年裝備了新一代油料機(jī)動(dòng)保障系統(tǒng)，又稱為油料全進(jìn)程保障系統(tǒng)或簡(jiǎn)稱為FORCE系統(tǒng)，該系統(tǒng)全稱為Fuels Operational Readiness Capability Equipment。通過(guò)資料分析，其設(shè)計(jì)在技術(shù)上改變了以往以飛機(jī)加油車(chē)為加油裝備的使用模式，改用以軟油囊為儲(chǔ)油單元，通過(guò)過(guò)濾單元、加油單元直接為飛機(jī)進(jìn)行油料加注作業(yè)，避免了因飛機(jī)加油車(chē)儲(chǔ)油容量有限而難以實(shí)施持續(xù)油料保障的缺陷。在實(shí)際使用過(guò)程中，該裝備系統(tǒng)也可以通過(guò)給飛機(jī)加油車(chē)灌油后由飛機(jī)加油車(chē)為飛機(jī)進(jìn)行油料加注作業(yè)［3-4］。

通過(guò)以上分析可知，空軍現(xiàn)役的油料補(bǔ)給裝備還以車(chē)族化發(fā)展為設(shè)計(jì)理念，底盤(pán)與上裝為一體式結(jié)構(gòu)，底盤(pán)的利用率低，整車(chē)價(jià)格成本高。而美軍的該裝備為模塊化設(shè)計(jì)理念，底盤(pán)可以重復(fù)多次利用，提高了底盤(pán)的利用效率，各模塊的成本也相對(duì)較低。

為適應(yīng)現(xiàn)代裝備的發(fā)展需求，新一代遠(yuǎn)程噴氣燃料補(bǔ)給系統(tǒng)的研發(fā)勢(shì)在必行。

2 主要研究?jī)?nèi)容

本文結(jié)合油料裝備勤務(wù)理論與地面移動(dòng)設(shè)備知識(shí)理論，主要研究補(bǔ)給系統(tǒng)的組成、組裝及運(yùn)輸，并對(duì)補(bǔ)給系統(tǒng)展開(kāi)組裝后的性能進(jìn)行了匹配性、安全性設(shè)計(jì)計(jì)算。

3 主要方案

a.主要組成。

機(jī)場(chǎng)噴氣燃料補(bǔ)給系統(tǒng)（下簡(jiǎn)稱補(bǔ)給系統(tǒng)）采用功能模塊加整體自裝卸車(chē)的結(jié)構(gòu)形式，由整體自裝卸車(chē)、托盤(pán)、儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊、噴氣燃料加注模塊、過(guò)濾計(jì)量模塊、管路附件模塊、偽裝防護(hù)模塊等組成，如圖1所示。

b.展開(kāi)應(yīng)用模式。

補(bǔ)給系統(tǒng)在展開(kāi)后可根據(jù)地形特征不同，以靈活的布局方式展開(kāi)，不同展開(kāi)方式下均可同時(shí)為兩架飛機(jī)進(jìn)行油料補(bǔ)給保障，具體見(jiàn)圖2所示的長(zhǎng)方形布局，以及圖3所示的正方形布局。

c.運(yùn)輸。

補(bǔ)給系統(tǒng)平時(shí)收納于過(guò)濾計(jì)量模塊 、管路附件模塊及偽裝防護(hù)模塊組成輔助模塊、儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊及噴氣燃料加注模塊內(nèi)，可被系統(tǒng)運(yùn)載底盤(pán)分三次運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)，也可同時(shí)被系統(tǒng)運(yùn)載底盤(pán)和普通車(chē)輛運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。

4 主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a.儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊。

儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊采用方艙的結(jié)構(gòu)形式，由輸油系統(tǒng)、輸油電控系統(tǒng)、軟體油囊、手動(dòng)吊車(chē)、余油回收油囊、輸油膠管、滅火器、導(dǎo)靜電卷盤(pán)和方艙等組成，主要用于為噴氣燃料加注模塊輸送燃油，也可用于軟體油囊計(jì)量接收運(yùn)加油車(chē)、輸油管線輸送的油料。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

b.噴氣燃料加注模塊。

噴氣燃料加注模塊采用標(biāo)準(zhǔn)方艙的結(jié)構(gòu)形式，由加油系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、加油電控系統(tǒng)、輸油軟管及通訊線卷盤(pán)、軟管排空設(shè)備（清管器及發(fā)送裝置）、地井接頭、滅火器、導(dǎo)靜電卷盤(pán)和軍用方艙等組成。該模塊主要用于接收儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊泵送的噴氣燃料或機(jī)場(chǎng)地下管網(wǎng)輸送的噴氣燃料，經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量后為兩架飛機(jī)或飛機(jī)加油車(chē)提供噴氣燃料加注保障，還可進(jìn)行加油膠管余油回抽、排空等專項(xiàng)作業(yè)功能。噴氣燃料加注模塊如圖5所示。

5 匹配性計(jì)算

由上述方案可知，機(jī)場(chǎng)遠(yuǎn)程油料補(bǔ)給系統(tǒng)主要由儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊和噴氣燃料加注模塊組成。兩個(gè)模塊均以柴油泵機(jī)組內(nèi)的兩套離心泵為動(dòng)力源共同實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程油料的補(bǔ)給。儲(chǔ)存輸轉(zhuǎn)模塊內(nèi)的泵機(jī)組主要實(shí)現(xiàn)噴氣燃料的供給，加注模塊內(nèi)的泵機(jī)組主要實(shí)現(xiàn)噴氣燃料的加注。為保證油料補(bǔ)給系統(tǒng)的正常油料保障工作，油料供給及加注系統(tǒng)內(nèi)泵的性能與系統(tǒng)需相互匹配，而泵的主要性能指標(biāo)總揚(yáng)程取決于油料補(bǔ)給系統(tǒng)的管路阻力損失，根據(jù)管路系統(tǒng)的工作流程，油料補(bǔ)給系統(tǒng)有以下四種工況：

工況一：?jiǎn)螛尲佑?。其流程為：油源?150軟質(zhì)管路→輸油泵→?150硬質(zhì)管路→補(bǔ)償器→過(guò)濾分離器→流量計(jì)→球閥→500米?150軟質(zhì)管路→球閥→加油泵→補(bǔ)償器→過(guò)濾分離器→流量計(jì)→球閥→長(zhǎng)20 m的軟管→飛機(jī)壓力加油接頭，以1 500 L/min的流量對(duì)單架飛機(jī)進(jìn)行加油。

工況二：雙槍加油。其流程為：油源→?150軟質(zhì)管路→輸油泵→?150硬質(zhì)管路→補(bǔ)償器→過(guò)濾分離器→流量計(jì)→球閥→500 m ?150軟質(zhì)管路→球閥→加油泵→補(bǔ)償器→過(guò)濾分離器→流量計(jì)→球閥→長(zhǎng)20 m的軟管→飛機(jī)壓力加油接頭，以3 000 L/min的流量對(duì)兩架飛機(jī)進(jìn)行雙槍加油。

工況三：油庫(kù)吸油到單槍加油。吸油流程為：?150吸油膠管→CRJ接頭→?150球閥→?150硬質(zhì)管路→輸油泵，系統(tǒng)吸油流量1 500 L/min，單槍加油流程見(jiàn)工況一。

工況四：油庫(kù)吸油到雙槍加油。吸油流程為：?150吸油膠管→CRJ接頭→?150球閥→?150硬質(zhì)管路→輸油泵，系統(tǒng)吸油流量3 000 L/min，雙槍加油流程見(jiàn)工況二。

綜合分析以上四種工況，相較于其他工況，工況四的管路損失最嚴(yán)重，因此，只要供給系統(tǒng)與加注系統(tǒng)內(nèi)泵的揚(yáng)程滿足工況四的管路損失需求，即可滿足整個(gè)油料補(bǔ)給系統(tǒng)組裝后的油料補(bǔ)給要求。

由工況四知，由于整個(gè)補(bǔ)給系統(tǒng)管路復(fù)雜，為便于計(jì)算，將管路系統(tǒng)分為雙槍加油系統(tǒng)管路阻力損失和吸油系統(tǒng)管路阻力損失。

在雙槍加油過(guò)程中，根據(jù)管道設(shè)計(jì)相關(guān)理論知識(shí)，管路阻力損失主要包括沿程阻力損失、局部阻力損失和靜壓阻力損失。由流體力學(xué)中的伯努力方程可知，管道系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即：

吸油過(guò)程中的管路系統(tǒng)阻力損失的計(jì)算見(jiàn)表1，加油管路系統(tǒng)阻力損失的計(jì)算見(jiàn)表2。由表1和表2數(shù)據(jù)可知，吸油至雙槍加油管路總阻力損失h=135.24 m+5.17 m=140.41 m。

根據(jù)表1～表2內(nèi)容，結(jié)合雙泵協(xié)同加油作業(yè)的特點(diǎn)，選定流量為200 m?，揚(yáng)程為140 m的輸油泵及加油泵。

6 水擊壓力計(jì)算

遠(yuǎn)程油料補(bǔ)給系統(tǒng)由油料輸送系統(tǒng)和油料加注系統(tǒng)共同組成，由于加注距離長(zhǎng)、輸送壓力大，若設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成水擊現(xiàn)象的發(fā)生，水擊是壓力管道中一種重要的非恒定流。當(dāng)壓力管道中的流速因外界原因而發(fā)生急劇變化時(shí)，會(huì)引起液體內(nèi)部壓強(qiáng)迅速交替升降的現(xiàn)象。這種交替升降的壓強(qiáng)作用在管壁、閥門(mén)或其他管路元件上好像錘擊一樣，稱為水擊。水擊引發(fā)的壓強(qiáng)升高或降低，有時(shí)會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，處理不當(dāng)將導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，甚至引起管道嚴(yán)重變形或爆裂。因此，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行水擊壓力計(jì)算。

當(dāng)發(fā)生水擊現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)原理，壓力管道中任一點(diǎn)的流速和壓力不僅與該點(diǎn)的位置有關(guān)，而且與時(shí)間有關(guān)，這一不穩(wěn)定狀態(tài)將持續(xù)過(guò)渡到下一穩(wěn)定狀態(tài)。

設(shè)在水平管內(nèi)取出一段流體，在時(shí)間段內(nèi)，水擊波從流體的一邊傳遞到另一邊，水擊波傳播速度為a，所以流體長(zhǎng)度為[?L=a?t]。設(shè)原有的流速為[V0]，水擊波通過(guò)后的流速為[V0??V]，流速為[?V]。壓強(qiáng)也從原有的[Γh]增大到[γ（H+?H）]，同時(shí)流體密度和管道斷面都有相應(yīng)的變化。根據(jù)沖量變化應(yīng)等于動(dòng)量變化的原理，即：

可以將兩個(gè)壓力流量控制器看作兩個(gè)閥門(mén)，其中需進(jìn)行水擊壓力防護(hù)的管路，包括噴汽燃料加注模塊內(nèi)的壓力流量控制器到過(guò)濾分離器出口的管路，以及500 m軟管到過(guò)濾計(jì)量模塊內(nèi)過(guò)濾分離器出口的部分。

a.當(dāng)兩個(gè)閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)，假設(shè)閥門(mén)驟關(guān)，則最大壓力升高：

P1max=750×916×2.83=1.94 MPa>1.0 MPa

P2max=750×1 132×2.83=2.4 MPa>1.0 MPa

b.當(dāng)兩個(gè)閥門(mén)不同時(shí)關(guān)閉時(shí)，假設(shè)閥門(mén)驟關(guān)，則最大壓力升高：

P1max=750×916×1.415=0.97 MPa>0.827 MPa

P2max=750×1 132×1.415=1.2 MPa>0.827 MPa

由上述計(jì)算可知，系統(tǒng)在兩個(gè)閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)的水擊壓力遠(yuǎn)高于單閥門(mén)關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的水擊壓力，因此，本系統(tǒng)管路內(nèi)的兩套閥門(mén)需間隔開(kāi)啟及關(guān)閉，間隔時(shí)間按軟管的相長(zhǎng)時(shí)間乘以安全系數(shù)訂制，可取為2 s。這樣就大幅提高了工作的安全性。從上述數(shù)據(jù)中仍可看出，即使兩個(gè)閥門(mén)不同時(shí)關(guān)閉，系統(tǒng)的水擊壓力還是大于0.827 MPa，故在長(zhǎng)輸管路中需必須采取防水擊壓力的措施，以免發(fā)生事故。

7 結(jié)語(yǔ)

補(bǔ)給系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，易于平時(shí)儲(chǔ)存，運(yùn)輸方便，展開(kāi)后可以為兩架飛機(jī)進(jìn)行噴氣燃料的補(bǔ)給。通過(guò)匹配性計(jì)算，得出其展開(kāi)后性能與實(shí)際工況相匹配；通過(guò)水擊壓力的計(jì)算，得出了控制飛機(jī)加油的兩套閥門(mén)開(kāi)關(guān)間隔需大于2 s。

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作者簡(jiǎn)介：

王宏泳，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)橛土媳Ｕ涎b備。