民用飛機機載分子篩制氧系統初探

劉斌慧

【摘 要】本文概述了機載分子篩制氧系統的現狀，提出了民用飛機機載分子篩制氧系統概念構架，并對民用飛機機載分子篩制氧系統研究方向進行了展望。

【關鍵詞】分子篩；機載制氧；制氧-制氮耦合

0 引言

美國海軍于20世紀60年代初就開展了機載制氧裝置的研究。經過近50多年的研究與發展， 機載分子篩制氧技術幾乎在所有歐美戰斗機上得到了應用，成熟度已很高。我國機載分子篩制氧技術處于世界領先水平，自主研發的分子篩制氧系統已廣泛地應用于軍機。

近幾年來機載分子篩制氮技術（燃油箱惰化系統）研究和驗證，為分子篩制氧技術應用于民用飛機提供了可借鑒工程經驗和技術儲備。在燃油箱惰化系統中，氧氣是當作廢氣排出機外的，而對氧氣系統來說，這些“廢氣”可以成為氧源，若在飛機上實現機載分子篩制氮系統和機載制氧系統的耦合，可提高機載系統的集成水平和使用效率。

機載分子篩制氧技術應用于民用飛機，可能會成為航空氧氣專業近幾年的研究熱點和主攻方向。

1 機載分子篩制氧系統基本組成

機載分子篩制氧系統主要由氣源部分、制氧部分、供氧部分、備用氧部分、控制部分等組成。氣源部分包括進氣裝置、穩壓裝置、調溫裝置和過濾裝置，主要是將來自發動機某級引氣或壓縮機氣體進行降溫和降壓處理，除去空氣中的水和雜質；制氧部分由分子篩制氧裝置和氧氣增壓裝置組成，通過分子篩制氧裝置，采用變壓吸附方法分離出氧氣、氮氣等氣體，氧氣加壓后輸入飛機的氧氣調節器，其它氣體排出機外；供氧部分由分配管路和氧氣面罩組成，將制氧部分產生的氧氣，依照供氧規律輸送給機上人員呼吸用；控制部分則是利用氧分壓傳感器裝置及控制裝置，自動控制輸出氧氣濃度及氧氣壓力。

2 民用機載分子篩制氧系統構架探討

圖1為民用飛機機載分子篩制氧系統概念構架框圖。為安全起見，加裝機載分子篩制氧系統后，需配備一套備用氧氣瓶進行供氧。機載制氧和氧氣瓶共用一套供氧管路和面罩。備用氧氣瓶選用小型氧氣瓶，在機載分子篩制氧系統供氧量不足或系統故障時（監控機載分子篩制氧系統的出口壓力），自動切換到備用氧氣瓶供氧。該概念構架即適用于機組供氧，也適用于旅客供氧。

新研的民用飛機一般都配備了機載分子篩制氮系統。在進行民用飛機機載分子篩制氧系統的設計時，可考慮與制氮系統聯合設計，分子篩分離出的富氮氣體用于燃油箱惰化，富氧氣體用于機上人員供氧，實現機載分子篩制氮系統和制氧系統的耦合，提高飛機的集成性，達到減重節能的作用。圖2是機載分子篩制氮-制氧耦合系統概念架構。

3 機載分子篩制氧系統的優點

初步評估，相對于傳統的民用飛機氧氣系統，機載分子篩制氧系統主要具有以下優點：

1）供氧時間無限制：機載分子篩制氧系統具有長時不斷產氧、遠距長時飛行供氧能力，特別適合需要配備長時間應急供氧的飛機。

2）安全性高：傳統的民用飛機氧氣系統采用高壓氧氣瓶或化學氧發生器作為氧源。高壓氧氣瓶在安裝不當或受到沖擊時，有發生爆炸的可能，歷史上已發生多起該類事故。化學氧發生器在工作時會產生大量熱，處理不當會損害周圍設備，安裝布置時需要進行散熱隔熱設計。而機載分子篩制氧系統完全可避免高壓氣氧的易燃易爆隱患，也不會產生大量的熱。

3）維護性好：機載分子篩制氧系統僅需進行必要的定期維護工作，維護時間短、費用低，可減輕機務勤務負擔。尤其是對高高原機場，明顯減少了氧氣瓶充氧工作。

4）重量輕：機載分子篩制氧系統不受供氧時間的限制，在整個航程中隨時可以按需用氧，可避免加裝大量的氧氣瓶，顯著節省了重量和安裝空間。

4 民用飛機機載分子篩制氧系統工作展望

民用飛機機載分子篩制氧系統的研究工作尚處在概念設計階段。從系統集成方面考慮，筆者認為后續可主要從以下幾個方面開展機載分子篩制氧系統的研究工作：

1）機載分子篩制氧系統如何滿足適航條款的要求。

2）機載分子篩制氧系統構架的優化和細化，以及機載分子篩制氧-制氮耦合技術的研究。

3）機載分子篩制氧系統在不同飛行條件下的供氧能力分析。

4）機載分子篩制氧系統的輸出壓力控制技術研究。

5）機載分子篩制氧系統對發動機引氣的影響分析。

6）機載分子篩制氧系統配套面罩TSO標準的制訂（傳統的民用飛機機組氧氣面罩和旅客氧氣面罩均是TSO產品）。

7）機載分子篩制氧系統供氣源的研究（如進行空氣壓縮機供氣和發動機引氣的權衡分析）。

8）機載分子篩制氧系統安全性評估。

【參考文獻】

[1]肖華軍， 袁修干.機載分子篩制氧技術發展的現狀與動向[J].航空科學技術，1997（1）：26.

[責任編輯：曹明明]