民機燃油箱防爆閃電防護新適航要求研究

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民機燃油箱防爆閃電防護新適航要求研究

Research on New Airworthiness Requirements of Lightning Protection for Civil Aircraft Fuel Tank Explosion Prevention

張斌岳鵬薛勇周宇穗 / Zhang BinYue PengXue YongZhou Yusui

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

0引言

當閃電擊中飛機時，高能量的閃電有可能導致結構件融化、燒毀或變形；同樣，高能量的電流不僅會流經機體，而且會在油箱內的管路、線纜等部件上產生誘導電壓和電流，可能會產生電弧或火花，若此刻燃油蒸氣可燃，則會導致飛機燃油箱爆炸，歷史上與閃電有關的空難事件出現過數次。

因此適航條款對民用飛機燃油箱系統閃電防護設計的要求是燃油箱防爆設計及驗證的一個重要方面，受到局方及航空工業界的高度關注。

2014年12月18日，FAA官方正式發布了FAA-2014-1027號文件[1]，關于燃油箱系統閃電防護相關條款的修訂通告(NPRM)，主要涉及§25.954和§25.981條款的修改。

本文基于FAA最新的NPRM，通過研究FAA關于民用飛機燃油箱系統防爆方面閃電防護的適航要求演變，總結了相應條款的演變內容、符合性方法及未來變化趨勢，提供民用飛機的閃電防護設計及適航驗證前瞻指導。

1適航條款要求及分析

1.1　適航條款要求

1963年12月8日波音707空難事故后，FAA于1967年通過25-14修正案頒布了§25.954燃油系統閃電防護的適航條款(條款內容一直沿用至今)。但此條款未考慮失效或降低狀態下防護要求，既無相關容錯設計的要求，也無評估相關失效概率的要求。

1.1.1§25.954燃油系統的閃電防護

燃油系統的設計和布局，必須防止由于下列原因而點燃系統內的燃油蒸氣：

(a) 雷擊附著概率高的區域直接被閃擊；

(b) 掃掠雷擊可能性高的區域被掃掠雷擊；

(c) 燃油通氣口處的電暈放電和流光。

1996年，波音747飛機TWA800航班起飛不久即墜毀，這一事故徹底震動了FAA和航空工業界。隨后FAA要求美國航空規章制定咨詢委員會(ARAC)形成聯合調查小組并給出調查報告。調查表明可能是中央翼油箱線纜老化，發生電弧導致油箱著火。雖然本事故并非由閃電擊中導致，但FAA認為在閃電的情況下亦可以導致相同后果。

2001年5月，FAA針對§25.981頒布了102號修正案，第一次對燃油箱系統點火源防護設計提出嚴格的多重容錯設計及失效降級考慮，同時也提出了降低可燃性的初步要求。FAA相應頒布了相關的指導文件AC25.981-1C，在AC中明確，閃電屬于點火源的一種形式，適用§25.981(a)(3)。且在分析點火源時，應考慮閃電發生的概率是1，同時燃油蒸氣是一直可燃的(可燃性概率也是1)。

1.1.2§25.981(a)燃油箱點燃防護

(a) 在可能由于燃油或其蒸氣的點燃導致災難性失效發生的燃油箱或燃油箱系統內的任一點不得有點火源存在。必須通過以下表明：

(1) 確定燃油箱或燃油箱系統的最高溫度低于預期燃油箱內燃油的最低自燃溫度，并留有安全裕度。

(2) 證實其內的燃油可能被點燃的每個油箱內，任何一處的溫度不會超過本條(a)(1)確定的溫度。如果某些部件的工作、失效或故障可能提高油箱內部的溫度，則必須在每一部件所有可能的工作、失效和故障條件下驗證本條。

(3) 證實點火源不會由每個單點失效、每個單點失效與每個沒有表明為極小的潛在失效條件的組合或者所有沒有表明為極不可能的失效組合引起。必須考慮制造偏差、老化、磨損、腐蝕以及可能的損傷的影響。

2008年，鑒于已經對燃油箱可燃性特性的深入了解，FAA為了明確可燃性的要求，針對§25.981頒布125號修正案，細化了可燃性指標，但點火源方面的要求沒有改變。

目前基于民用飛機燃油箱防爆已經頒布的閃電防護適航條款要求，主要針對§25.954和§25.981條款。

這期間，整個航空工業界或局方關于閃電防護設計或驗證相關的指導文件主要如表1所示[2-3]。并對飛機燃油箱系統的一些關鍵區域開展了相關研究，如圖1所示。

表1　閃電防護設計或驗證指導文件

圖1　燃油箱系統閃電防護潛在危險區域

1.2　適航條款分析

1.2.1§25.981(a)(3)條款要求的局限性

隨著公眾對條款理解及閃電認識的提高，發現§25.981(a)(3)款關于閃電防護的要求在具體執行及符合性驗證時存在一定局限性。

基于§25.981(a)(3)款要求，燃油箱系統(包括結構和系統兩部分)設計一般應具有三重獨立的點火源防護功能，對于只有兩重防護的設計，可通過定期檢查維護或者安裝特殊功能檢測裝置等方式保證防護特征的持續有效來滿足條款要求。

由目前飛機燃油箱結構的閃電防護設計可知，很多情況不滿足條款要求，如：傳統金屬結構飛機的燃油箱結構閃電防護，一般具有兩重獨立的閃電防護功能，即緊固件與油箱結構之間的過盈裝配及結構緊固件的密封膠，能保證單點失效不產生點火源；但此兩重結構閃電防護特征的失效形式為潛在失效。如帽形密封件的脫膠和松動，以及緊固件與蒙皮結構連接的破損等，無法通過安裝監控設備及時發現失效，也無法通過定期檢查保持閃電防護特征的持續有效。

另外，部分結構在特定失效模式下閃電防護特征無法提供容錯設計，如高載荷緊固件的斷裂和隨之密封膠脫落的失效模式等。

因此飛機燃油箱結構部分區域的閃電防護設計不能直接符合§25.981(a)(3)款要求。同時FAA研究發現，無論從關鍵閃電擊中概率還是燃油箱可燃性，條款的假設均極度保守。如關鍵閃電集中概率，幾乎是1/100 000，加之現在的燃油箱可燃性，對于有惰化系統的飛機小于1%，對于沒有惰化系統的飛機也一般為1%~5%。

2009年，FAA頒布了政策備忘錄ANM-112-08-002[4]，指出針對燃油箱結構閃電防護的§25.981(a)(3)要求，申請人考慮閃電發生概率、燃油箱可燃性等方面進行符合性驗證。局方一般通過向申請人頒布專用條件或豁免進行§25.981(a)(3)條款的間接符合。

同年，FAA要求閃電防護的航空條款制定委員會(ARC)組織重新評估§25.954條款及§25.981相關修正案。經過兩年評估，ARC于2011年5月完成評估，并形成報告呈交FAA。主要建議包括：

(a)三重防護設計對于系統而言，是可行的，但是這樣設計的結果是導致系統非常復雜，且可能會引入潛在不安全因素。為了“提供可接受的安全水平”的目的來講，沒有必要這么做，建議FAA對待系統的閃電防護要求處理方式應同燃油箱結構一樣(若證明發生點火的概率為極不可能(結合閃電、可燃性)，則可以不提供容錯設計)。

(b)研究發現，很多閃電防護特征往往在維修過程中引發失效，故建議除了關鍵設計構型控制限制(CDCCL)中明確要求外，應在維修手冊中也直接體現警告信息，貫徹到終端環節。

2014年6月24日，FAA頒布了過渡性的政策指導文件PS-ANM-25.981-02[5]，取代ANM-112-08-002，采納了ARC的建議。

1.2.2新條款要求

由于考慮到§25.981(a)(3)款要求的局限性，2014年12月18日 FAA發布了FAA-2014-1027號文件，關于修正燃油箱系統閃電防護相關條款的NPRM。

該條款修訂的相關建議均來自閃電ARC的研究報告。此次提案修改的條款涉及§25部中與燃油箱系統(除了燃油箱結構，還包括安裝在油箱內或者穿過壁面的、有可能受到關鍵閃電導致點火源的管路、部件、線纜等)閃電防護相關的條款，即§25.954和§25.981條款。

主要更改內容歸納如下：

(1) §25.954條款

i.除了原有的要求，計劃增加由于閃電導致的誘導或者導通電流的考慮；

ii.新增一條要求：燃油箱系統的設計和布置應保證由于閃電導致的災難性事件發生為極不可能，應結合考慮燃油箱可燃性、關鍵閃電發生概率及系統失效概率進行評估；

iii.關于燃油箱外和閃電相關的可燃液體防火，仍然由§25.863涵蓋；

iv.新增閃電防護特征的CDCCL的要求，類似102修正案CDCCL要求；

v.新增閃電防護特征的持續適航文件要求。

(2)§25.981(a)(3)條款

i.除去針對閃電防護的要求；

ii.重新表達CDCCLs的要求，不產生歧義。

(3)附錄H持續適航文件條款

i.H25.4中新增閃電防護特征的適航限制項目；

ii.新增H25.X，明確閃電防護特征的持續適航文件。

(4)相關AC

i.新發布AC將指導§25.954條款的符合性驗證(AC_25_954-X)；

ii.更新兩份現有AC(AC_25_981-1X和AC_20-53C)。

上述可知，FAA將閃電導致點火源的防護要求從§25.981(a)(3)中刪除，進一步理清了閃電要求的條款轄屬關系，以便航空工業界理解與驗證，且明確了應基于性能的研究辦法進行評估閃電導致災難性事件發生；另外，針對閃電防護，燃油系統的適航要求和燃油箱結構一致，都可以基于性能進行評估；最終，為了保證閃電防護特征的持續有效，新增相關適航限制項目(ALI)和持續適航指令(ICA)的持續適航要求。

1.2.3符合性驗證方法

由于新條款的要求，對應符合性方法隨之而變，其中最關鍵的是閃電導致燃油箱爆炸的定量分析符合性驗證。早期條款要求只考慮點火源防護特征失效導致燃油箱爆炸發生的概率，而閃電發生及燃油蒸氣可燃的概率均假設為1，顯然是不合理的。現在均需按實際進行計算分析，下面著重對各因素的實際分析方法進行闡述。

(1)關鍵閃電定義及發生概率

由FAA-2014-1027 號NPRM可知，關鍵閃電的定義是指閃擊到飛機某個閃電防護特征失效的區域且閃擊能量能夠引起燃油蒸氣點燃的閃電。

由SAE AE-2閃電組織的研究文件[6]可知，關鍵閃電發生的概率應考慮三方面因素：航線中閃電的發生概率、擊中飛機特定區域的因數、點火源發生的閥值因子；三者相乘即為關鍵閃電發生的概率。同樣，文獻中給出了每個值的選擇或計算分析方法，如“航線中閃電的發生概率”可以從SAE ARP5412A獲得，通常3.33E-04飛行小時是一個可以接受的水平。

(2)閃電防護特征失效概率

對閃電防護特征失效的概率分析，類似§25.981(a)(3)中傳統分析方法，即以部件或結構元件實際的失效概率為準，同樣，SAE AE-2閃電組織的研究文件[6]給出燃油箱結構元件的失效概率評估方法。

(3)燃油箱可燃性水平

首先，需要引入兩條適航條款專業術語定義，即機隊平均可燃暴露率和可燃性暴露評估時間。

由§25.981條款可知，機隊平均可燃暴露率通常簡稱為燃油箱可燃性水平，表示某類型飛機機隊在各種飛行距離、各種環境條件和燃油性能條件下飛行時，其燃油箱氣相部分是可燃的時間與可燃性暴露評估時間的百分比。而可燃性暴露評估時間是指飛機從準備起飛開始，經過飛行和著陸，直到所有貨物被卸完，乘客和機組人員都已離開的時間。

自從2001年FAA針對§25.981頒布102號修正案后，航空工業界關于燃油箱的可燃性分析工作就正式展開，即利用FAA發布的蒙特卡羅分析程序對燃油箱進行可燃性評估，得出其可燃性水平，判斷是否滿足適航條款的定量要求。FAA頒布的相關指導文件有AC 25.981-2A[7]及DOT/FAA/AR-05/8[8]，蒙特卡羅分析程序主界面如圖2所示。

此次新的NPRM，FAA明確可以將蒙特卡羅分析的燃油箱可燃性水平作為一個考慮因素，按通常燃油箱的可燃性水平為3%計算，幾乎比先前默認的可燃概率為“1”降低了近1E-02。

圖2　蒙特卡羅分析程序主界面

由上述得出三項概率或數值后，分別相乘即可獲得單個特征失效且由閃電導致點火源發生的概率，最后對所有特征的點火源發生概率相加，即可獲得最終的失效概率，判斷是否小于1E-09。

由分析可知，新§25.954條款的符合性驗證不僅涉及傳統的燃油專業，還涉及E3、結構、可靠性等專業，需協同開展工作才能完成此項適航驗證。

1.2.4新要求帶來的影響

按照美國一系列聯邦或組織法案，新發布條款需要進行詳細的評估分析。經FAA評估，此次修正條款，屬于航空工業界和局方共收益的更改，并沒有任何支出。評估顯示，進行此次條款更改，收益情況為：最大83.6億美元，最小38.4億美元。

可以看出，相比以前，未來民用飛機燃油箱系統的閃電防護設計要求將間接放寬，且不僅針對燃油箱結構，油箱內機載系統的閃電防護設計要求也將放寬，FAA此項要求的松動能使申請人更加容易實現飛機的閃電防護設計及符合性驗證，另外還能大幅降低相關航空產品的研發或運營投入以及諸多成本，對航空工業界純屬利好驅動力。顯然飛機運營成本的降低，公眾也會間接受益。

例如，目前航空工業界為了滿足閃電導致燃油箱爆炸的失效概率小于1E-09，鑒于修正前的規章認為關鍵閃電概率和可燃性水平均為“1”，需將閃電防護特征失效的概率設計為小于1E-09才能滿足要求，故部件的閃電防護設計非常復雜，擁有多重閃電防護特征，如圖3、圖4所示，分別是多重自搭接柔性接頭和增加額外電搭接線的管路接頭組件，無論是設計、鑒定、安裝、檢查及維護等方面均非常復雜、昂貴。

圖3　多重自搭接柔性接頭

圖4　油箱內管路接頭組件電搭接線

若按FAA最新NPRM要求，為滿足閃電導致燃油箱爆炸的失效概率小于1E-09，若假設關鍵閃電概率為1E-04，燃油箱可燃性水平為1E-02，則將閃電防護特征失效的概率設計為小于1E-03即可滿足要求，相比從前降低了近1E-06。故航空工業界可以簡化部分閃電防護的冗余設計特征，大幅降低研發及運營維護成本。

2結論

通過對FAA關于民用飛機燃油箱系統防爆閃電防護適航要求演變的分析研究，明確了最新閃電防護的適航要求、符合性方法及對航空工業界的影響，結論如下：

(1)鑒于§25.981(a)(3)款對閃電防護要求的局限性，FAA對條款進行了更改完善；

(2)最新NPRM，FAA明確了燃油箱系統(結構和系統)的閃電防護設計要求，即考慮閃電發生概率、燃油箱可燃性水平、防護特征失效概率等方面進行符合性驗證；相對降低燃油箱系統閃電防護設計的單方面要求；

(3)由于設計要求的間接放寬民用飛機設計及制造業將大幅降低該領域的研發及運營維護成本；

(4)FAA通過增加持續適航的要求，強調了在各個環節控制或預防點火源特征失效的重要性。

參考文獻：

[1]FAA-2014-1027.Transport Airplane Fuel Tank and System Lightning Protection[S].Dec 18, 2014.

[2]AC 25.981-1C.Fuel Tank Ignition Source Prevention Guidelines[S].Sep 19, 2008.

[3]SAE ARP5416.Aircraft lightning test methods[S].Mar 2005.

[4]ANM-112-08-002.Policy on Issuance of Special Conditions and Exemptions Related to Lightning Protection of Fuel Tank Structure[S].May 26, 2009.

[5]PS-ANM-25.981-02.Policy on Issuance of Special Conditions and Exemptions Related to Lightning Protection of Fuel Tank Structure and Systems[S].Jun 24, 2014.

[6]SAE AE-2 Lightning Committee. Policy Guidance for Fuel Tank Structural Lightning Protection[S].July 5, 2011.

[7]AC 25.981-2A.Fuel Tank Flammability Reduction Means[S].Sep 19, 2008.

[8]DOT/FAA/AR-05/8.Fuel Tank Flammability Assessment Method User’s Manual[S].May 2008.

摘要：

民用飛機燃油箱系統防爆設計是飛機設計的一個重要方面，其中適航對燃油箱系統閃電防護設計要求作為燃油箱防爆設計及驗證的一個重要組成部分，歷來受到航空工業界及美國聯邦航空局(FAA)的普遍關注。通過研究FAA關于民用飛機燃油箱系統防爆方面閃電防護的最新適航要求，總結了相關條款的變化內容及相應的符合性驗證方法，并預判了未來航空工業界由此產生的影響，對民用飛機適航驗證有一定借鑒意義。

關鍵詞：民用飛機；燃油箱系統；防爆；閃電防護；適航

[Abstract]Fuel tank system explosion prevention of civil aircraft is an important part of aircraft design, and airworthiness requirements lightning protection regulatory for fuel tank system as an important part of fuel tank explosion proof design and validation, has attracted widespread attention in the aviation industry and Federal Aviation Administration(FAA). This paper studies the latest FAA lightning protection airworthiness requirements of civil aircraft fuel tank system, summarized the evolution of the corresponding provisions and compliance validation method, and also predicted the future effect on aviation industry. The results show the method can provide useful reference for the civil aircraft airworthiness certification.

[Key words]civil aircraft；fuel tank system；explosion prevention；lightning protection；airworthiness

中圖分類號：V228.1+1

文獻標識碼：A