【摘要】為滿足貼近使用場(chǎng)景的軍用飛機(jī)燃油箱惰化能力的精細(xì)化評(píng)估需要，本文基于AMESim軟件，以波音747中央翼油箱為研究對(duì)象建立一維仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成了模型驗(yàn)證。其次通過典型應(yīng)用任務(wù)場(chǎng)景識(shí)別，獲取了典型空投空降任務(wù)剖面下軍用運(yùn)輸類飛機(jī)燃油箱氧濃度的變化規(guī)律。最后首次采用惰化能力分級(jí)評(píng)價(jià)的思路，完成了典型剖面下的惰化能力的精細(xì)化分析。結(jié)果表明：仿真方法與試驗(yàn)結(jié)果吻合度高，惰化分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能夠合理精細(xì)化評(píng)估惰化系統(tǒng)的能力。

【關(guān)鍵詞】軍用飛機(jī)|燃油箱|惰化仿真|惰化能力評(píng)價(jià)

一、設(shè)計(jì)背景

航空燃油易燃易爆的特點(diǎn)使得飛機(jī)燃油箱的安全設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn)。美國(guó)航空推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一份報(bào)告對(duì)1975年至1978年間大多數(shù)北約國(guó)家軍民用飛機(jī)的消防安全事件進(jìn)行了回顧[1]。報(bào)告顯示有1141起涉及火災(zāi)的事故，其中排在第2位的是“飛行中和墜毀后的油箱爆炸”，排名第7位的是“在加油或維修期間油箱爆炸”。同時(shí)報(bào)告顯示“戰(zhàn)斗損失和損壞數(shù)據(jù)顯示，在作戰(zhàn)環(huán)境中，飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)燃油箱上部氣相空間的著火可能性很大，面臨的著火源威脅中95%是來自7.6mm～23mm炮彈的襲擊。另一份研究報(bào)告顯示[2]，東南亞沖突中60%的飛機(jī)損失是由爆炸和火災(zāi)造成的。因此，與民用飛機(jī)燃油箱可燃性防護(hù)重點(diǎn)針對(duì)自身系統(tǒng)故障相比，軍用飛機(jī)面臨的任務(wù)場(chǎng)景和外部高能點(diǎn)火源（如敵方炮擊等）威脅更為復(fù)雜，其燃爆防護(hù)需求更為強(qiáng)烈。對(duì)此研究人員開展了系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)室燃油箱燃爆實(shí)驗(yàn)[3-4]，確定了以降低油箱氣相空間氧濃度的方式進(jìn)行防護(hù)。工程上當(dāng)前主流的民用和軍用機(jī)型均通過機(jī)載油箱惰化系統(tǒng)（OBIGGS）進(jìn)行燃油箱的燃爆防護(hù)。其工作原理為，發(fā)動(dòng)機(jī)引氣經(jīng)機(jī)載燃油箱惰化系統(tǒng)后分流成富氮?dú)怏w（NEA）和富氧氣體，富氮?dú)怏w充入油箱上部氣相空間，降低混氣中氧氣含量。因此近年來對(duì)于燃油箱惰化能力評(píng)估的研究主要集中在以下幾個(gè)方面，首先是燃油箱氣相空間氧濃度仿真特性分析，例如劉衛(wèi)華等人[5]采用工程計(jì)算方法對(duì)典型燃油箱惰化過程進(jìn)行了研究，顯示該方法能滿足對(duì)惰化特性的預(yù)測(cè)要求。其次是在惰化能力與惰化指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)方面，例如，周鵬鶴等人[6]對(duì)油箱惰化中氧濃度控制指標(biāo)分析后，指出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中“氣相空間氧濃度不超過9%”的值得商榷，它將帶來因過度防護(hù)而產(chǎn)生的代償損失。呂旭飛等人[7]從系統(tǒng)性總結(jié)分析提出了飛機(jī)燃油箱惰化降級(jí)評(píng)價(jià)的思路和對(duì)應(yīng)的指標(biāo)要求，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

為滿足貼近使用場(chǎng)景的軍用飛機(jī)燃油箱惰化能力的精細(xì)化評(píng)估需要，本文采用一維仿真仿真手段，針對(duì)典型的運(yùn)輸機(jī)多隔艙燃油箱惰化過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。同時(shí)針對(duì)典型應(yīng)用任務(wù)場(chǎng)景識(shí)別，獲取了典型任務(wù)剖面下燃油箱氧濃度的變化規(guī)律。首次采用惰化能力分級(jí)評(píng)價(jià)的思路，完成了全剖面的惰化能力的精細(xì)化分析，并給出了設(shè)計(jì)更改和使用建議。

二、惰化系統(tǒng)仿真建模分析

（一）仿真模型

以波音747中央翼油箱為研究對(duì)象，參照文獻(xiàn)[8]建立油箱三維模型。油箱為典型的多隔艙結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部設(shè)置隔板分為6個(gè)隔艙，（見圖1a）。其中1、2號(hào)艙與機(jī)身寬度，其余4個(gè)隔艙由位于油箱中部的隔板分割而成。各隔艙間通過隔板間的底部和頂部的孔相連，富氮?dú)怏w進(jìn)氣口位于3號(hào)艙，通氣管設(shè)置于1號(hào)艙和6號(hào)艙與外界大氣相連。

根據(jù)典型多艙燃油箱幾何模型及惰化氣體的通流方式，利用AMESim軟件在Sketch mode中從Aircraft Fuel System模型庫、Gas Mixture模型庫、Signal，Control模型庫和Aero Marine模型庫等選擇元件模型搭建多艙油箱沖洗惰化模型，（如圖1b）所示。

（二）仿真方法驗(yàn)證

圖3以1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)隔艙為例，給出了油箱地面惰化過程中各個(gè)隔艙的氧濃度仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比?？梢钥闯觯抡娼Y(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相同，1、5號(hào)隔艙內(nèi)氧濃度變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，2號(hào)隔艙的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果略有差異?？傮w上看仿真結(jié)果在數(shù)值上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，滿足分析多隔艙油箱的惰化過程的要求。

（三）典型任務(wù)場(chǎng)景下的燃油箱惰化特性分析

參照國(guó)外某型軍用運(yùn)輸機(jī)飛行空投空降任務(wù)剖面，對(duì)飛行過程中惰化過程進(jìn)行研究。任務(wù)剖面設(shè)置如下：飛機(jī)地面運(yùn)行20min后起飛爬升至Hp=10000m改平，巡航30min后正常下降至Hp=2000m平飛15min。爬升到Hp=10000m平飛20min；然后應(yīng)急下降至到Hp=2000m，平飛10min后返場(chǎng)著陸。

圖3為飛行過程中各個(gè)隔艙氧濃度的變化?？梢钥闯?，油箱氧濃度在爬升、巡航階段逐漸降低，在下降（含正常下降和應(yīng)急下降）過程中各油箱艙均有不同程度的升高。其原因有二：其一是由于下降過程中外界大氣壓力逐漸高于油箱氣壓，為平衡油箱內(nèi)外壓差，外界大氣從通氣口涌入；其二是為改善下降過程中（尤其是應(yīng)急下降）的油箱氧濃度升高的情況，機(jī)載制氮系統(tǒng)通常會(huì)進(jìn)入大流量模式（惰化氣體流量增大、氧濃度小幅升高）。因此正常下降過程中，所有隔艙的氧濃度均未超過8%，而應(yīng)急下降過程中，1號(hào)隔艙氧濃度最大達(dá)到11.6%，6號(hào)隔艙氧濃度最大達(dá)到15.4%，其余隔艙氧濃度未超過8%。相比正常下降，應(yīng)急下降過程中與通氣口相連的1號(hào)隔艙和6號(hào)隔艙氧濃度升高的幅度更大，因此對(duì)于1號(hào)隔艙和6號(hào)隔艙來說，外界大氣涌入是油箱氧濃度升高的主要影響因素，其余油箱艙未直接與外界大氣相連，機(jī)載制氮裝置產(chǎn)生的富氮?dú)怏w含氧量升高是主要影響因素。

（四）典型任務(wù)場(chǎng)景下油箱惰化能力分級(jí)評(píng)價(jià)的應(yīng)用分析

根據(jù)文獻(xiàn)[7]所述，根據(jù)軍用飛機(jī)的使用場(chǎng)景特點(diǎn)及面臨的點(diǎn)燃威脅，燃油箱的惰化能力可以依據(jù)混氣中的氧濃度大致劃分為4個(gè)等級(jí)。總體上，“能力1區(qū)”能夠抵御大多數(shù)高能和低能點(diǎn)火源，“能力2區(qū)”可抵御由于自身系統(tǒng)故障-失效產(chǎn)生的點(diǎn)火源，“能力3區(qū)”可抵御部分點(diǎn)火能量較小的威脅，“能力4區(qū)”即處于惰化失效狀態(tài)。

由于2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)油箱艙在除了出航爬升階段存在氧濃度8%以上的情況，基本滿足現(xiàn)行國(guó)軍標(biāo)要求和惰化能力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的“能力1區(qū)”。因此本部分主要針對(duì)惰化條件相對(duì)惡劣的1號(hào)隔艙進(jìn)行惰化能力分析。

如圖4所示，初始狀態(tài)油箱氣相空間氧濃度為21%，處于惰化狀態(tài)“能力4區(qū)”，飛機(jī)地面工作20min起飛，起飛后5min爬升至Hp=2.4km附近時(shí)，惰化狀態(tài)進(jìn)入“能力3區(qū)”。當(dāng)起飛后8min爬升至Hp=5.9km附近時(shí)，惰化狀態(tài)進(jìn)入“能力2區(qū)”。當(dāng)起飛后17min爬升至Hp=7.9km時(shí)惰化狀態(tài)進(jìn)入“能力1區(qū)”，并在此后的應(yīng)急下滑前的飛行階段惰化狀態(tài)均處于“能力1區(qū)”。出航階段處于任務(wù)區(qū)域以外，可以不考慮敵方高能燃爆源的威脅，僅考慮飛機(jī)自身故障引發(fā)的點(diǎn)火威脅。對(duì)于該飛行場(chǎng)景，可以通過適當(dāng)延長(zhǎng)地面工作時(shí)間以縮短出航階段惰化能力處于“能力1區(qū)”情形。

應(yīng)急下滑持續(xù)4.5min后下滑至氣壓高度Hp=4km時(shí)，惰化狀態(tài)進(jìn)入“能力2區(qū)”，此時(shí)1號(hào)隔艙能夠抵御絕大部分因?yàn)橛拖鋬?nèi)“故障-失效”成為點(diǎn)火源（點(diǎn)火能量不大于20J）從而引起的燃燒；同時(shí)，若遭遇30mmHEI（高能燃燒彈）、23mmAPI（穿甲燃燒彈）襲擊，油箱會(huì)產(chǎn)生大約60kPa的過壓；油箱表面溫度在400℉～500℉，燃油蒸汽溫度不大于200℉，油箱內(nèi)產(chǎn)生的過壓不超過40kPa。應(yīng)急下滑5.76min后（應(yīng)急下滑末段）下滑至氣壓高度2.3km時(shí)，惰化狀態(tài)進(jìn)入“能力3區(qū)”并持續(xù)2.8min左右，此時(shí)混氣能夠抵御油箱內(nèi)不超過0.001J至1J的點(diǎn)火能量而不引起劇烈反應(yīng)，但若遭遇30mmHEI、23mmAPI襲擊，油箱會(huì)產(chǎn)生大約300kPa的過壓；油箱表面溫度小于533K，燃油混氣溫度小于422K，油箱內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生燃燒反應(yīng)甚至爆炸。此后惰化能力逐漸增強(qiáng)至“能力2區(qū)”，并在返場(chǎng)階段惰化能力進(jìn)入“能力1區(qū)”直至著陸。

三、結(jié)語

本文通過開展典型多隔艙燃油箱惰化的模型驗(yàn)證、典型任務(wù)剖面油箱氧濃度的特性分析和油箱惰化能力分級(jí)評(píng)價(jià)的應(yīng)用分析，得到以下結(jié)論：

其一，實(shí)現(xiàn)了典型隔艙油箱惰化系統(tǒng)的仿真方法驗(yàn)證和全剖面仿真。基于AMESim建模的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比誤差較小，可以用于分析多隔艙油箱惰化過程；

其二，對(duì)典型任務(wù)場(chǎng)景下油箱惰化能力分級(jí)評(píng)價(jià)的應(yīng)用分析。能力分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)θ加拖涠杌芰M(jìn)行合理精細(xì)化評(píng)價(jià)，有助于從油箱防爆角度準(zhǔn)確理解軍用飛機(jī)生存能力。中國(guó)軍轉(zhuǎn)民

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（作者單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所）