某型民用飛機使用冷卻方案降低機身內燃油箱可燃性的研究

岳鵬

【摘 要】本文對民機降低燃油箱可燃性背景進行了介紹，提出了使用換熱器利用沖壓空氣冷卻機身內油箱燃油的冷卻方案，并對冷卻方案對機身內油箱油溫冷卻效果進行分析，進而經過可燃性分析，使用冷卻方案可以有效降低機身內油箱可燃性暴露率，為民機機身內油箱降低可燃性提供了新的思路。

【關鍵詞】民用飛機;可燃性;研究

中圖分類號： V228.11文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0008-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.004

0 背景

燃油箱安全對民機飛行安全至關重要。1960年以來全球范圍內發生了多起民機燃油箱爆炸事故，造成了數百人遇難，損失重大。FAA調查發現燃油箱爆炸的主要是油箱內點火源點燃燃油蒸氣造成的。FAA頒布了FAR25部第102修正案和第125修正案，對民機燃油箱可燃性提出了量化指標要求，要求燃油箱的機隊平均可燃性暴露不超過3%或等效的非加熱鋁制機翼油箱可燃性水平。

1 燃油箱可燃性的評估方法

適航條款規定機隊平均可燃性暴露率的符合性評估使用Monte-Carlo分析方法。

Monte Carlo模型方法，是FAA發展的定量評估燃油箱可燃性的一種分析方法。Monte-Carlo本身是一種統計學的計算方法，應用到計算燃油箱的可燃性暴露率中，能夠較好地去對飛機飛行的安全性進行定量的評估。Monte Carlo分析的主要內容有：

（a）基于仿真計算軟件搭建燃油箱熱模型;

（b）通過飛行試驗獲得燃油箱溫度數據對燃油箱熱模型進行驗證，并表明可滿足AC25.981-2A規定的油溫仿真精度要求;

（c）將燃油箱熱模型輸出的燃油箱熱參數作為Monte Carlo模型的輸入數據;按照用戶手冊要求對模型輸入參數進行設置并進行計算。

2 燃油冷卻方案和原理

燃油冷卻方案的對象是位于機身內的油箱。鋁質機翼油箱上下壁板與外界大氣直接進行熱交換，油箱內燃油溫度較低，油箱可燃性暴露率較低。機身內燃油箱燃油溫度較高，飛行過程中油箱長時間處于可燃狀態，可燃性暴露率高。對于機身內燃油箱，燃油冷卻方案的原理就是通過降低其燃油溫度，使燃油箱狀態處于可燃性區域的時間，達到降低燃油可燃性的目的。不同類型燃油箱可燃性區域如圖1所示。

3 某民機燃油冷卻方案及.燃油箱可燃性分析

3.1 燃油冷卻方案

以某型民機為例研究冷卻方案對機身內油箱可燃性的影響。某型民機燃油箱布置如圖2所示。機翼為全鋁結構機翼。以翼根處肋板為界，油箱分為機翼油箱和機身內油箱。機翼油箱為傳統非加熱鋁制機翼油箱，外翼部分燃油在飛行過程可以被外界高速氣流很好的冷卻，可燃性較低。機身內油箱散熱相對慢，燃油溫度較高，可燃性較高。

對該型民機，為了降低其機身內油箱可燃性，進行了燃油冷卻方法的方案設計。冷卻方案原理如圖3所示，其核心部件為換熱器，使用由NACA通氣口進入的沖壓空氣作為冷源，利用燃油泵將機身內油箱泵出，經換熱器冷卻后返回機身內油箱。這樣機身內油箱中燃油溫度保持較低水平。

3.2 燃油箱熱模型

使用商用軟件VisSim（v8.0）建立了該型飛機燃油箱熱模型，熱模型的主要輸入有：初始燃油溫度、初始外界溫度、初始外界壓力、馬赫數、初始燃油量、飛行包線、燃油特性（密度、比熱容）和熱交換器的輸出溫度、熱交換器流動率、開/關條件等。熱模型中間計算變量有：壓力、溫度、黏度、當地聲速、流速、熱交換效率、空氣溫度和絕熱壁溫度Taw等。熱模型主要輸出有燃油溫度包線、Tau值和ΔT值。

使用燃油箱熱模型對機身內燃油溫度進行分析，將分析結果與飛行試驗數據對比，兩者基本一致。機翼油箱熱天長航程熱模型分析結果與飛行試驗數據對比如圖4所示。結果顯示熱模型仿真精度滿足AC25.981-2A規定。

為了研究冷卻系統的降溫效果，將加裝冷卻系統構型燃油箱熱模型分析得到的熱天短航程工況機身內燃油箱燃油溫度與原機試飛試驗得到的數據進行進行對比，見圖5。飛機在地面起飛前由于冷卻系統沒有冷源起不到對油箱降溫的作用，飛機起飛后在冷卻系統工作時，機身內燃油箱的燃油溫度顯著地降低。

3.3 可燃性分析

燃油箱熱模型輸出的油箱熱特性參數Tau值和？T值作為蒙特卡洛分析的輸入，使用FAA蒙特卡洛分析模型，分析飛機機身內油箱可燃性，未使用冷卻方案與使用冷卻方案后機身內油箱可燃性暴露率值如表1。

表1 機身內油箱可燃性暴露率

由可燃性分析結果可知，使用冷卻方案對機身內油箱燃油降溫，可以有效地降低某民機機身內燃油箱可燃性暴露率。

【參考文獻】

[1]DOT/FAA/AR-05/8.Fuel Tank Flammability Assessment Method Users Manual[S].May 2008.