某型航空發動機排氣污染試飛方法研究

宋江濤，鐘曉媚，雷 利

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

0 概述

航空發動機在工作時產生的尾氣會產生燃料的產物—CO和CO2，它們可能通過機身縫隙和孔道進入非密封艙，也可能隨通風系統進入密封艙，飛機座艙狹小，如果CO和CO2進入座艙其濃度會迅速上升，短時間內可以形成嚴重污染，特別是對于密封增壓座艙。美聯邦航空局報道的航空事故遇難的4072名飛行員，其中有21名是由CO中毒造成。飛機的座艙環境對于保障飛行安全、維護空勤人員的身體健康具有重要作用。目前民用飛機座艙，普遍采用通風式密封增壓座艙，座艙內空氣被發動機排氣污染的機會大為減小，但是有害氣體入侵的可能性依然存在，前蘇聯和美國對航空發動機排氣污染制定了相應的標準，在中國民用航空規章第25部中規定:排氣系統必須準確安全地排出廢氣，在任何載人艙內沒有一氧化碳影響，載人艙CO在空氣中的濃度超過50 ppm即認為是危險的［1］。發動機排氣所產生的CO對座艙的影響必須通過飛行試驗進行驗證。

某型民用客機是70～90座級中短程支線客機，飛機采用二人駕駛體制，駕駛艙并排布置正、副駕駛員座椅，飛機座艙為密封艙，為我國首次按照適航標準進行取證的客機。本文依據中國民用航空規程條款，主要研究發動機排氣中CO對飛機載人艙的污染，提出可行的試飛方法，并進行飛行試驗驗證。

1 測試原理及測點分布

在進行某型民機載人艙CO濃度測試時采用紅外線CO氣體分析儀。紅外線氣體濃度分析儀原理是基于不同的氣體有選擇性的吸收一定波長的紅外線這一性質，氣體分子對紅外線的吸收是由于分子振動和轉動引起的，只有在紅外線光譜的頻率與分子本身的特定頻率一致時，這種分子才能吸收紅外光譜輻射能［2，3］。紅外線光源發出的紅外線能量為I0，它通過一個光程為L的多次反射氣室之后，能量轉變為I，如果氣室中有吸收紅外線能量的氣體時，依據比爾定律則能量 I滿足［4，5］:

式中:I0通過待測組份前的光強度;

I通過待測組份后的光強度;

K待測組份的吸收系數;

C待測組份的濃度;

L光線通過待測組份的長度(測量氣室長度)。

進行某型民機座艙CO氣體濃度測量時，在飛機座艙內布置4個測量點。測量點的分布如圖1所示。1#測量點布置在駕駛艙觀察員座位處，2#、3#、4#測量點平均分配在客艙中心軸線上。測量點的高度距座艙地板1.4 m，該高度為人坐在座椅時呼吸氣體高度，氣體分析儀可實時的對CO濃度進行測量。

圖1 某型客機座艙CO濃度測量點布置示意圖

2 試飛方法

航空發動機工作時排氣產生的CO可能通過機身縫隙和孔道進入載人艙，也可能是尾氣重新進入動力裝置，通過空調系統進入載人艙。因此在進行飛行試驗方法設計時，選擇起飛、降落、側風等對發動機尾流場產生影響的動作進行飛行，在上述因素的影響下，發動機排氣有更大機率進入載人艙，測量該狀態下座艙的CO濃度。飛機防冰系統工作時，防冰系統的氣體也可能對尾流場產生影響，對載人艙的CO濃度產生影響。依據可以影響發動機排氣流場的因素，擬在下述飛行狀態下進行發動機排氣污染項目的飛行試驗。

(1)正常飛行姿態發動機排氣對座艙CO濃度的影響

在平飛狀態打開雙發引氣，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;在爬升和下降過程中，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度。

(2)自然風狀態下發動機排氣對座艙CO濃度的影響

側風起飛/著陸條件下，打開雙發引氣，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;順風起飛/著陸條件下，打開雙發引氣，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度。

(3)空調系統在不同狀態工作時發動機排氣對座艙氣體濃度影響

打開雙發引氣，發動機最大連續狀態，機翼防冰打開，短艙防冰打開，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;打開雙發引氣，發動機最大連續狀態，機翼防冰關閉，短艙防冰打開，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;打開雙發引氣，發動機最大連續，機翼防冰關閉，短艙防冰打開，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;打開應急通風，測量駕駛艙和客艙CO氣體濃度;上述每個狀態的試驗時間為30 min。

在上述試驗過程中，關閉輔助動力裝置的引氣。

3 試驗結果

3.1 正常飛行姿態試驗結果

在35 000ft高度時，雙發引氣打開，空調系統正常工作，在發動機最大連續和按需兩種條件下進行試飛測量座艙 CO氣體濃度;爬升到 10 000ft、20 000ft、30 000ft高度以及下降到32 000ft、20 000ft、10 000ft高度時進行座艙CO氣體濃度測量。測量結果如表1所示。

表1 CO(ppm)濃度測量結果

從表1可以知，在平飛、爬升和下降過程中，座艙的一氧化碳濃度最大為0.4 ppm，小于規定的50 ppm。在不同飛行狀態，載人艙CO濃度無明顯變化。

3.2 側風試驗結果

表2是飛機在側風條件下起飛/著陸時，雙發引氣打開、APU引氣關閉以及雙發引氣關閉、APU引氣關閉時座艙CO氣體濃度測量結果。風速是換算到正側風條件下的風速平均值。

表2 側風條件下起飛/著陸時CO測量結果

從表2可知，在側風起飛/著陸條件下飛機座艙CO氣體濃度最大值:0.6 ppm，雙發引氣打開、關閉兩個狀態的起飛著陸座艙CO濃度無明顯變化，小于規定值50 ppm。

3.3 空調系統在不同狀態工作的試驗結果

在25 000ft高度和15 000ft高度時，發動機雙發引氣打開，空調系統正常工作，發動機最大連續狀態工作，飛機短艙防冰和機翼防冰打開，進行載人艙CO氣體濃度測量。在10 000ft高度時，打開座艙應急通風，進行載人艙CO氣體濃度測量。測得CO濃度如表3所示。

表3 空調系統在不同工作狀態CO(ppm)濃度測量結果

由表3可知，空調系統在不同工作狀態下工作時，座艙CO濃度最大為1.6 ppm，座艙的CO濃度隨時間變化無明顯變化，CO濃度小于規定的50 ppm。

4 總結

本文依據適航條例要求內容，針對某型民用飛機的結構設計和影響發動機尾流場的因素，提出航空發動機排氣污染的試飛方法，并進行發動機排氣污染試飛，試飛結果表明，在不同的飛行狀態和發動機狀態下，某型飛機座艙的CO濃度無明顯的變化，符合中國民用航空規程的要求。

［1］ 中國民用航空規程(第25部).中國民用航空公司.2011.7

［2］ Shindell D T，Faluvegi G M，Schimdt G A，Unger N，Bauer S E2009 Science 326716

［3］ Krings T，Gerilowski K，Buchwite M，Reutet M，Tretner A，Erzinger J，Heinze D，Burrows J P，Bovensmann H 211 Atmos.Meas.Tech.4 2207

［4］ Drike A，Gaston E M，Shrikrishna H N，Robert F M 2009(US Patent)12112436［2009.08.27］

［5］ 孫友文，劉文清，汪世美，黃書華.光譜學與光譜分析.2011，10，31