国外具有综合防护功能的通气系统技术现状.pdf

中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-82-两星推荐雷电作为一种自然现象，时刻发生在自然界。雷电因携带巨大的能量，对于被雷电击中的物体（如房屋，树木等），具有强大的破坏力。飞机/直升机作为人造飞行器，在飞行过程中同样无法避免被雷电击中，雷电袭击直接影响飞机/直升机的飞行安全。在飞行历史中，因雷电袭击而造成的飞行事故屡见不鲜，轻则机载设备受损，重则机毁人亡。直升机一般采用与大气连通的非增压燃油箱，为保证油箱内与外界大气压力平衡，直升机需设置燃油箱通气系统。燃油箱通气系统一般由通气管路及附件组成。一方面，通气系统需保证在飞行包线内能够有效通气，保持油箱内外压力平衡；另一方面，由于燃油箱与大气连通，通气系统出口排出的气体为燃油蒸汽与空气的混合气，该混合气属于易燃混气，燃油通气口遭直接雷击或其它外部火源侵袭，存在油箱起火爆炸的风险。为提升飞机/直升机安全性和生存力，在飞机/直升机遭雷击情况下，应避免通气出口的燃油蒸汽被点燃并沿通气管路燃烧至燃油箱内；在飞机/直升机侧翻等情况下从通气出口泄漏的燃油与空气的混合气与点火源接触燃烧，应阻止火焰沿通气管路燃烧至燃油箱内。本文对国外具有综合防护功能（防止雷电侵袭和其它外部火源对直升机/飞机侵扰的能力）的飞机/直升机通气系统的组成和原理进行了研究，对核心部件火焰抑制器和闪电隔离器发展及应用情况进行了介绍，为飞机/直升机通气系统设计提供参考。具有综合防护功能的飞机/直升机通气系统组成及原理具有综合防护功能的飞机/直升机燃油箱通气系统主要由通气阀、闪电隔离器、火焰抑制器、通气管路等组成。油箱通气管路中安装的通气阀可防止在大姿态、机动飞行或坠落可能出现的侧翻或翻转的情况下油箱中燃油通过通气管路溢出机外。通气口末端加装的火焰抑制器和闪电隔离器，可以提高飞机/直升机通气系统阻火和闪电防护能力。其中，火焰抑制器可有效阻止火焰向燃油箱中传播，而闪电隔离器具有“高阻低通”的特性，一方面可以导通静电，另一方面，可以有效阻隔雷电，消除雷电对闪电隔离器后端部件或者系统的影响。国外具有综合防护功能的通气系统技术应用现状为提升飞机/直升机安全性，美国、法国、意大利等针对行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度国外具有综合防护功能的通气系统技术现状卞朋交 杨勇志卞朋交 杨勇志中国直升机设计研究所-83-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期两星推荐飞机/直升机燃油箱通气系统闪电防护、阻火等燃油通气系统综合防护技术开展了深入研究，主要集中在火焰的传播和淬熄理论、雷电隔离和静电耗散等方面。通过研究和应用，形成了一系列的标准、规范和论文。研制了具有阻火和闪电防护功能的部件如火焰抑制器、闪电隔离器等，并已成熟应用在型号上。阻火核心部件-火焰抑制器机载火焰抑制器作为“被动式”的防止外部火源对飞机/直升机燃油系统的侵袭的防护装置，已广泛应用于国外各类飞机/直升机通气系统之中。火焰抑制器组成及工作原理火焰抑制器主要由壳体和阻火芯构成，图 1 为 Parker公司生产的火焰抑制器。火焰抑制器的阻火芯是由许多细小的通道或者空隙组成的，图 2 所示为六边蜂窝式阻火单元阻火芯结构，这些通道或空隙能允许气体通过，但可以阻止火焰的传播。当火焰传播到火焰抑制器时，在火焰抑制器的多个微小通道内发生淬熄，避免火焰沿着通气管路传播至燃油箱，从而保证了燃油箱的安全。火焰抑制器阻火过程如图 3 所示。通常认为，火焰抑制器的阻火机理有以下两种：一是冷壁效应，二是器壁效应。其中冷壁效应的主要依据是可燃物爆炸极限理论，而器壁效应的主要依据是连锁反应理论。冷壁效应是指：不同于一般的流通通道，火焰抑制器阻火芯由许多细小的通道或者空隙组成，由于形成细小通道的金属结构的引入，导致传热面积大，同时，构成这些通道的金属结构一般选择导热良好的不锈钢等材质，当火焰流经火图 4 B737 飞机火焰抑制器图 2 六边蜂窝式阻火单元阻火芯结构示意图图 1 Parker 公司生产的火焰抑制器图 3 火焰抑制器阻火示意焰抑制器流经阻火芯时，通过阻火芯通道壁面损失大量的热，使得火焰温度快速下降，火焰自然熄灭。器壁效应：燃烧与爆炸连锁反应理论认为，具备反应能力的活性分子先分裂为十分活泼但寿命短促的自由基，自由基与其它活性分子相撞，生成新的产物和新的自由基。一方面，燃烧和爆炸反应会产生自由基；另一方面，自由基也可以与壁面发生碰撞而消亡。当新产生的自由基数等于或者大于消失的自由基数时，易燃混合气体可稳定燃烧甚至发生爆炸。不同于一般的流通通道，火焰抑制器阻火芯由许多细小的通道或者空隙组成，由于形成这些细小通道或者空隙的结构的引入，使得与反应气接触的壁面面接增加，当火焰进入火焰抑制器流经阻火芯时，自由基与火焰抑制器阻火芯壁面的碰撞概率提高，自由基消亡速度增加；同时，自由基与活性分子之间碰撞的概率随之降低，使燃烧/爆炸反应降低，自由基产生速率降低。随着通道尺寸减小，阻火芯与反应气体接触面积逐渐增加，当接触面积足够大时，新产生的自由基数将远远小于消失的自由基数，燃烧反应将不能继续进行，火焰熄灭。火焰抑制器发展及应用情况近年来，美国民航总局颁发了一系列的修正案、咨询通告和适航规章，例如 AC25-975，AC20-53 等咨询通告，要求安装机载火焰抑制器，以防止外部火源经通气系统点燃燃油箱。波音、空客的主流飞机在通气管路均安装有火焰抑制器，如 B737、B747、B777、B787、A320、A330、A350、A380 等飞机一般都是采用美国 Parker 公司、Leonardo公司提供的机载火焰抑制器，当燃油、空气的混合气与点火源接触燃烧时，能阻止火焰沿通气管路燃烧至燃油箱内。在波音公司的 B777 客机最新改型 B777X 中，采用了泡沫金属阻火芯结构的火焰抑制器。火焰抑制器阻火芯除采用泡沫金属外，还可采用金属网、平行板、多孔板等多种结构形式。上述型号中阻火器安装于飞机燃油通气系统管路出口，阻火器还可安装于通气管路中。在直升机燃油通气系统火焰抑制器的应用方面，意大利阿古斯特 韦斯特兰（AgustaWestland）公司的 AW139中国科技信息 2024 年第 1 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-84-两星推荐图 9 EC130 直升机火焰抑制器图 8 AW139 直升机火焰抑制器图 7 B777X 采用的泡沫金属结构阻火芯图 5 B747、B777、B787 飞机火焰抑制器图 6 A320、A330、A350、A380 飞机火焰抑制器过多年的发展，已大规模应用于飞机/直升机上。闪电隔离器发展及应用情况19 世纪 80 年代末，国外就已经开展了燃油系统闪电隔离器研发和应用的工作。闪电隔离器的直径范围约为0.75 5 英寸（2 12cm），长度约为 5 30 英寸（长度约为1275cm）。对于这些隔离器的关键参数是电阻值，一般在10k50M之间。通过两端施加13kV直流电压，对介电性能进行验证。20 世纪初，受飞机机载系统的发展影响，闪电隔离器的电阻范围开始缩小，电阻范围被调整至 10k 2M（闪电隔离器尺寸：直径 2.5 英寸（6.3cm），长 5.5 英寸（14cm）。最后根据 IAW MlL-STD-202 中 301 条，在-65 F（-53.9）和 160 F（71）温度下，进行了 5 000V 直流电压耐压试验。20 世纪中期，飞机制造中大量采用复合材料，中央机翼盒、机翼中储存了燃料，对防雷击提出了更高、更精确的要求，复合材料飞机的闪电隔离器电阻范围也调整至了100k 100M。按照 SAE ARP5412 波形 B，在 9kV正反电压脉冲下，未发生击穿或闪络现象，如图 11 所示，在多次（100 次）耐压耐久雷电试验下（9kV 电压），第一次电压冲击后闪电隔离器的电阻值会有较大幅度的减小而后趋于稳定，稳定后电阻值大于 100k。2010 年，闪电隔离器的性能进一步提升。为适应新的机体结构变化，闪电隔离器长度至少在 3 英寸（7.5cm）以上，闪电隔离器的有效长度也保持在 1 英寸（2.5cm）以上，同时闪电隔离器电阻范围也缩小至 100k 15M。采用SAE ARP5412 同样试验方法，在 9 kV 衰减水平下，所有冲击的最大电流均小于 125mA，闪电隔离器的击穿电压为39kV。此外还进行了 12kV 波形 2 和波形 4 的雷电测试，如图 12，考虑到环境影响，在臭氧、湿度、温度变化、振动、冲击、盐雾、流体相容性等 21 项测试后在进行 20 次雷电测试仍没有介质击穿、表面闪络或火花。随着对飞机雷电防护认识加深，闪电隔离器产品的研究应用也得到进一步发展。在 B787 飞机上大量使用闪电隔离器，其有效长度基本稳定在 5 6 英寸，通径在 0.5 3.15英寸，产品性能按 RTCA-DO-160G 相关要求进行考核，雷电直接效应试验则按SAE ARP5412相关要求进行考核。国外闪电隔离器发展历程见表 1。闪电隔离器在长度、结构上各异，而电阻均在 10k 100M 范围内分布，这主要与闪电隔离器安装具体位置及结构有关。随着对雷电认识加深和能源、电气及高电压技术的发展，国外已具备模拟雷电试验的能力，并将闪电隔离器雷电直接效应试验规范化。闪电隔离器在波音 787 和空客 350 上被大量使用。波音 787 在管路穿框的部位以及管路与结构搭接的部位一般都安装了闪电隔离器。图 13 为闪电隔离器实际应用图示。图14 为最新机型空客 A350 闪电隔离器机上安装图示。综合上述情况，闪电隔离器在结构尺寸、电阻及耐受电压能力等方面有了长足的发展：一、通径尺寸范围更广，适应各种尺寸的通道。相同性能的闪电隔离器，长度尺寸做的更小，占用更小的安装空间。二、电阻特性从最早的10k 50M 拓展到 1 k 100M，范围更广。三、和空直公司的 EC130 直升机通气系统同样安装有火焰抑制器，如图 8 和图 9 所示。火焰抑制器在通气系统中的应用，大大提高了直升机/飞机的抗外部火源侵扰的能力。闪电防护核心部件-闪电隔离器闪电隔离器组成及工作原理为满足通气系统雷电防护要求，国外提出了一种新型的防雷击方式，即隔离兼顾静电防护的方式。通常是在燃油管路系统中安装闪电隔离器，将雷电流分导至其它安全结构并导出，而传导至燃油系统的电流降低至安全阈值，实现雷电防护的目的。闪电隔离器主要由一根复合材料管和两个金属管接头组成（如图 10），通过柔性连接与机上管路进行装配。国外经-85-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 1 期两星推荐图 13 波音 787 闪电隔离器安装图图 14 空客 A350 闪电隔离器安装图表 1 国外闪电隔离器发展历程历程尺寸电阻试验项目备注1880sD：0.75 5 英寸；L：5 30 英寸10k 50M13kV 直流电压1900sD：2.5 英寸；L：5.5 英寸10k 2MIAW MlL-STD-202 中 301 条，-53.9、71温度下，5 000V 直流电压试验1950s100k 100M SAE ARP5412 波形 B，在耐压耐久、高压击穿试验2010sL：3 英寸100k 15MSAE ARP5412 波形 2、波形 4、波形 B 耐压耐久、高压击穿试验包含环境试验2011sD：0.5 3.15 英寸；L：5 6 英寸1 k 100MSAE ARP5412 波形 2、波形 4、波形 B 耐压耐久、高压击穿试验包含环境试验图 12 12kV 电压下多次（100 次）冲击后电阻变化规律图 11 9kV 电压下多次（100 次）冲击后电阻变化规律图 10 闪电隔离器样件耐受电压的能力增强，试验要求和试验方法日趋完善。具有综合防护功能的通气系统技术特点闪电隔离器和火焰抑制器在飞机/直升机通气系统中的应用，大大提高了飞机/直升机通气系统闪电防护和阻火的能力，有力提升了飞机/直升机安全性和生存力。作为“被动式”的闪电防护和阻火手段，加装火焰抑制器和闪电隔离器，不需要控制和操作，措施简单有效，对机上其他设备和系统没有影响。火焰抑制器和闪电隔离器为纯机械产品，产品质量稳定可靠，可广泛推广应用于各型飞机/直升机通气系统设计中。同时，由于火焰抑制器和闪电隔离器的引入，直升机/飞机通气系统设计中，还需考虑如下问题：一、由于火焰抑制器器较传统通气结构，增加了阻火芯，使得通气通道被认为分割成了一个个细小的通道，相较传统的大尺寸通道，这些细小的通道更容易因结冰或者被其它污物堵塞，造成通气系统通气功能丧失，影响燃油箱通气造成油箱舱超压或者影响直升机/飞机正常供油，威胁飞行安全。因此，阻火器防结冰或防止其它污物阻塞的技术或者措施需在通气系统设计中予以考虑。常用的有在火焰抑制器中设置旁通机构，当阻火芯通道可正常通气时，旁通通道关闭；当结冰或者因污物堵塞阻火芯通道时，旁通结构介入工作，保证直升机/飞机通气系统可按照需要排出和吸入控制，避免油箱舱超压或者影响直升机/飞机正常供油。二、闪电隔离器一般由复合材料加接头构成，材料直接影响闪电隔离器性能，因此材料的选择和研发是闪电隔离器研制的关键，需在闪电隔离器研制过程中重点关注。结语随着技术的不断发展和进步，火焰抑制器和闪电隔离器等技术的应用，使得直升机/飞机通气系统具有闪电防护和阻火的综合防护功能，大大提高飞机/直升机的安全性和生存力。本文对国外具有综合防护的飞机/直升机通气系统组成和原理进行了研究。对核心部件火焰抑制器和闪电隔离器工作原理和发展现状进行了介绍，为飞机/直升机通气系统综合防护能力提升提供参考，对通气系统设计具有指导意义。