民用飛機加油切斷控制系統架構研究

宋志強

（上海飛機設計研究院動力燃油系統設計研究部，上海201210）

民用飛機加油切斷控制系統架構研究

宋志強

（上海飛機設計研究院動力燃油系統設計研究部，上海201210）

加油系統是民用飛機的重要系統，壓力加油切斷控制系統是飛機加油系統的關鍵部分，壓力加油切斷控制系統需在目標加油量或最大加油量時準確切斷加油，可靠性和維修性也是加油切斷控制系統設計需考慮的重要因素。對幾種典型的加油切斷控制系統架構進行了研究分析，對比其優勢、弊端，給出了各種架構適用的飛機類型。

民用飛機；加油切斷；控制系統

加油系統是民用飛機的重要系統，每次飛行之前都要對飛機進行加油。加油方式通常有重力加油和壓力加油兩種方式［1］。重力加油一般作為小型、中型民用飛機的備份功能，壓力加油是所有民用飛機必須具備的功能。

飛機對壓力加油系統的基本要求是快速、安全、準確切斷和可靠性。快速即飛機加油時間需滿足飛機過站準備時間的限制，以保證飛機派遣，增加盈利能力。對壓力加油系統的安全性要求包括油箱防爆要求［2］、最大加油量限制等，壓力加油系統應限制加油流速，盡量減少或避免電氣部件進入油箱以滿足油箱防爆要求；最大加油量限制即壓力加油應能及時切斷，防止飛機加油溢出，嚴重時會引起油箱結構損壞。壓力加油控制系統必須在目標加油量或最大加油量時準確切斷加油，如果飛機加油量超過飛行任務所需加油量，則可能需要進行抽油以保證飛機重量在飛行手冊允許的限制范圍內，抽油工作將大大增加飛機的過站時間，造成飛機延誤。由于加油系統大部分部件都安裝布置在油箱內，更換維修這些部件需要較高的時間和人力成本，因此壓力加油系統的設計應注重可靠性。

壓力加油切斷控制系統是飛機壓力加油系統的關鍵部分，本文對幾種典型的加油切斷控制系統架構進行了研究分析，對比其優勢、弊端，給出了各種架構適用的飛機類型。

1　架構1——采用高油位浮子閥的加油切斷控制系統

一種采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統見圖1，系統主要組成部件有：高油位浮子控制閥、加油切斷閥、加油電磁閥、燃油計算機。

圖1所示為加油進行時的系統工作狀態。當高油位浮子閥的浮子落下時，加油切斷閥與高油位浮子控制閥之間的引壓管路有燃油流過，加壓壓力使得加油切斷閥打開，燃油通過加油管路進入油箱。

圖1　采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統——加油過程

圖2所示為主動切斷加油時的系統工作狀態。燃油計算機發出加油切斷信號，加油電磁閥作動，壓力加油接頭與高油位浮子控制閥之間的引壓管路導通，加油壓力將浮子頂起，高油位浮子閥切斷引壓管路的燃油流動，導致加油切斷閥出口壓力趨近加油壓力，加油切斷閥內部彈簧作動將切斷閥關斷，切斷加油。

圖2　采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統——主動切斷加油

圖3所示為油箱油面到達最大加油量位置時，高油位浮子控制閥自動切斷加油時的系統工作狀態。油面到達最大加油量位置時，浮子升起，高油位浮子閥切斷引壓管路的燃油流動，加油切斷閥關斷，切斷加油。

圖3　采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統——高油位切斷

這種加油切斷控制系統架構的主要優點有：

（1）油箱內僅有流體機械設備，無用電設備，極大地降低了油箱防爆安全性風險；

（2）可靠性較高，流體機械設備有較高的可靠性；

（3）維護性較好，系統部件較少，可靠性較高的流體機械設備布置在油箱內；

（4）雙余度設計，當加油量到達預設任務用油量時，燃油計算機可主動發出切斷指令控制加油電磁閥切斷加油，如果主動切斷控制功能失效，當油箱油面達到最大加油量位置時，高油位浮子控制閥仍可自動控制加油切斷，避免了溢油風險。

這種加油切斷系統架構的主要缺點是：該架構主動加油切斷通常略有延遲，這是因為主動加油切斷指令發出時，不能直接切斷加油切斷閥引壓管路的燃油流動，而是加油電磁閥先作動，然后高油位浮子控制閥的浮子升起，之后加油切斷閥響應切斷加油。

通過提高高油位浮子控制閥性能、縮短引壓管路等措施，通常可以將加油切斷延遲問題控制在可接受的程度內。這種簡單、可靠的加油切斷控制系統適用于較小的民用支線飛機。

2　架構2——簡化的采用高油位浮子閥的加油切斷控制系統

圖4所示為一種簡化的采用高油位浮子閥的加油切斷控制系統，這種架構的系統主要組成部件與架構1相同，區別在于引壓管路的設計，該架構僅采用一根引壓管路，由加油切斷閥引壓口至高油位浮子控制閥，加油電磁閥安裝在該引壓管路的中間。

圖4所示為加油進行時的系統工作狀態，當高油位浮子閥的浮子落下時，引壓管路有燃油流過，加壓壓力使得加油切斷閥打開，燃油通過加油管路進入油箱。

圖4　簡化的采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統——加油過程

圖5所示為主動切斷加油時的系統工作狀態。燃油計算機發出加油切斷信號，加油電磁閥作動，切斷引壓管內燃油流動，加油切斷閥響應，切斷加油。

圖5　簡化的采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統——主動切斷加油

該架構的高油位切斷工作狀態與架構1類似，此處不再詳細闡述。

這種加油切斷控制系統架構除架構1所述各項優點外，避免了架構1加油切斷延遲的缺點，并且該架構采用的高油位浮子閥部件本身也更為簡單。但是這種簡化卻帶來了額外的風險——高油位浮子閥失效成為一種隱蔽故障。

架構1無論主動切斷加油還是滿油時高油位切斷，均通過浮子升起、切斷引壓管燃油流動、加油切斷閥響應實現加油切斷。而架構2只有達到油箱最大加油量時才會通過浮子升起控制加油切斷，假設使用該架構的民用飛機通常在固定的航線往返，因此一直采用固定的、低于最大加油量的任務用油，該飛機很長時間未使用高油位切斷功能，則高油位浮子閥失效成為一種隱蔽故障，且該故障的暴露時間很長。當機上存在該故障時，維護人員無法及時知悉故障狀態，如果加油未主動切斷時，加油量將超過飛機最大允許加油量，造成溢油事故，嚴重時可導致飛機油箱結構損壞。

3　架構3——采用高油位傳感器的加油切斷控制系統

為了規避架構2帶來的風險，一種被廣泛采用的解決方式是采用高油位傳感器作為高油位切斷功能的備份，這種加油切斷控制系統架構見圖6.

圖6　采用高油位傳感器的加油切斷控制系統——高油位切斷

與架構2相比，該架構增加了高油位傳感器，當油箱油面達到最大加油量時，高油位傳感器將高油位信號傳遞給燃油計算機，燃油計算機將發出加油切斷指令，控制加油電磁閥切斷加油。

這種架構采用的高油位傳感器可以與燃油量測量系統的油量傳感器集成使用，因此并不增加系統重量。這種架構的缺點是燃油計算機軟件功能復雜化，軟件開發工作量略有增加。該架構適用于集成設計程度較高的燃油系統，如較大的干線大型民用飛機。

該架構還可以進一步簡化，采用壓電效應原理研發的新型點式油位傳感器具有重量輕、信號傳遞快的優點［3］，因此，可取消高油位浮子控制閥，采用兩個點式高油位傳感器互為備份，也可以滿足高油位切斷余度設計要求。這種加油切斷控制系統進一步降低了系統重量，但是由于要保證兩個點式高油位傳感器及其信號傳輸通路、信號處理通道需完全獨立，進一步增加了燃油計算機軟件開發的復雜性。該架構適用于集成設計程度更高的大型民用飛機。

4　結束語

本文對幾種典型的民用飛機加油切斷控制系統架構進行了研究分析，架構1是一種采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統，該架構加油切斷略有延遲，但是整體優勢較為明顯，適用于民用支線飛機；架構2是基于架構一的一種簡化系統，這種簡化設計避免了架構一的缺點，但是也帶來了隱蔽故障風險；架構3基于架構二并增加了高油位傳感器作為高油位切斷功能的備份，適用于集成設計程度較高的大型民用飛機；架構3可進一步簡化，取消高油位浮子控制閥，采用兩個點式高油位傳感器，該優化架構適用于集成設計程度更高的大型民用飛機。

［1］羅伊·蘭頓.飛機燃油系統［M］.上海：上海交通大學出版社，2011：109-113.

［2］FAA.Fuel Tank Ignition Source Prevention Guidelines，AC 25.981-1C［R］.2008.

［3］馮銳，肖莉.壓電效應［J］.防災博覽，2003，（5）:22.

Research on the Architecture of the Control System of Civil Aircraft Refueling and Cutting

SONG Zhi-qiang
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Shanghai 201210，China）

Refuel system is an important system of civil aircraft，and refuel shutoff control system is the significant part of refuel system.Mission of refuel shutoff control system is to shutoff refuel when fuel quantity on the aircraft reaches the target fuel quantity or the maximal allowable refuel quantity of the aircraft.Reliability and maintainability are also key factors that should be taken into account by designer of refuel shutoff control system.Three typical architectures of refuel shutoff control system are described in this paper，and advantage and disadvantage of these architectures are discussed here.Furthermore，applicative aircraft of these architectures are presented in this paper.

civil aircraft；refuel shutoff；control system

V288.1

A

1672-545X（2016）07-0088-03

2016-04-09

宋志強（1987-），男，山西人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為飛機燃油系統設計。