飞机惰化技术国内外研究

朱书月 王捷 王凯

摘要:本文结合现行国内外标准，针对飞机油箱惰化技术，对国内外相关研究成果进行梳理，归纳出较清晰的发展历程和技术特点，认为后续惰化研究会重点关注燃油特性研究、机载制氮携氮相结合研究以及吸附剂吸附性能研究等方向，为后续惰化技术研究提供参考。

关键词:惰化；油箱惰化；燃油；标准

引言

燃油箱的抑爆技术至关重要，根据燃烧原理，国内外从点火源、可燃蒸汽浓度以及氧气浓度方面对油箱抑爆技术进行研究，已有较成熟的惰化技术应用。本文结合现行标准，对国内外惰化技术相关成果进行梳理，归纳出惰化发展历程和技术特点，为后续研究提供参考。

1规范及标准

对于飞机惰化系统，需根据《某型飞机设计目标与要求》规定，对拟采用的抑爆技术提出总体设计要求。在具体设计中，也需符合现行国内外标准，可查询到的与机载燃油惰化系统相关的国内外标准见表1。对于民用飞机，惰化系统设计应满足CCAR 25、FAR 25、FAR 21、CS 25及其相关技术文件的要求，以取得CAAC、FAA及EASA型号合格证。中国民用航空规章25部 运输类飞机适航标准CCAR 25-R4内容借鉴了国外标准，有区别的是，FAR 第125修正案的附录N定义的油箱惰化防护中惰性化气体与可燃性中明确了油箱内氧浓度的标准：当飞机在海平面至3048m飞行时，油箱每个隔舱内的平均氧气浓度小于或等于12%，当飞行高度从3048m增加到12192m时，油箱每个隔舱内的氧气浓度由12% 线性递增至14.5%，超过12192m高度时，则以此类推。欧洲联合航空局条例EASA-CS25运输类飞机适航标准的要求与FAA适航条例类似，而国内民用飞机惰化氧浓度限值固定为10%。

表1 现行民机规范汇总

国内民机
标准	章节	标题
CCAR25-R4	25-981	燃油箱点燃防护
国外民机
标准	章节	标题
AC25	25.981-2	油箱燃油最低自燃温度
FAR25	25.981	燃油箱点燃防护
FAR	修正案102	运输类飞机燃油箱系统设计评审：降低易燃性及维护和检查要求
	修正案125	降低运输类飞机燃油箱易燃性
FAR 21	SFAR 88	燃油箱系统容错评估的等效安全条款
SAE ARP6078		飞机燃油箱惰化系统
EASA-CS25	25.981	燃油箱点燃防护

2 惰化系统的发展

飞机燃油惰化技术是需要综合考虑飞机性能、载重、飞行包线、标准与故障模式等因素的技术。从最初多样的惰化方式发展到如今，机载制氮型惰化系统已成为普遍的惰化形式。60年代美国采用燃油箱内安装聚氨酯网状泡沫，有抑爆效果，但泡沫重量大、载油量会减少，且有静电积聚问题。而一些运输类飞机采用的是机载液氮惰化系统，通过携带液氮储存罐，向无油空间中注入惰性气体控制氧浓度，有一定效果。1969年出现了燃油催化惰化技术，催化燃烧空气混合物生成二氧化碳和水蒸气，用分离出的二氧化碳作为惰化气体。1981年分子筛式机载制氮惰化技术开始应用，此技术时采用沸石分子吸附床吸收氧气达到抑爆作用，但外界环境对吸附性能影响大，系统可靠性较低。2004年中空纤维膜机载制氮型惰化技术开始在民机上应用，作为机载制氮惰化系统，中空纤维膜系统体积小重量轻。随着研究不断深化，这几年已成为较成熟技术。

3 惰化新技术

现有的空心纤维膜空气分离法的机载制氮隋化也存在系统庞杂等弊端，难以日益满足严格的设计要求。近年来，学者在无油空间填充法、空心纤维膜空气分离法以及燃油催化惰化技术的基础上，利用氧气的物理化学特性，研究出很多有效的方法，为后续研究提供思路。

3.1无油空间填充法的改进

空客公司使用装有抑爆流体的柔性填充物填充油箱无油空间^[1], 流体是指惰性气体的液态或不可燃液体，从而达到抑爆效果。该方法比起传统的聚酯氨泡沫板，减重较多，但依然存在燃油空间被占用的弊端。

3.2减少油箱内燃油蒸汽

波音公司根据减少油箱内燃油蒸汽的思路，研究用吸附剂吸附燃油蒸气的惰化方法，用吸附剂吸附油箱上部自由空间的燃油蒸气，在确认油箱已经惰化后,使吸附剂恢复活性，释放燃油蒸气,经冷却成液态后回到油箱继续使用,也可直接排入大气。抽吸燃油蒸汽惰化法是将飞机推进系统或APU燃气涡轮喷气发动机空气进口抽吸区域与油箱上部无油空间管路相连,主动的抽吸燃油蒸气混合物达到惰化效果。

3.3提高氮气利用能力

空客公司使机载制氮与机载载氮相结合，研究出低温制氮惰化法，引气或冲压空气提供气源,经初步冷却后压缩,然后送至换热器，换热器一般是液氦或者液氖制成，冷却后的气体分离产生富氮气体,一部分输送到油箱,另一部分进一步液化。液化后的氮气储存在容器中,用作机载冷源。该惰化可为超导发电机提供低温工作环境。系统有重量体积优势，但结构较复杂,会有载重压力,且其液氮产生能力能否满足需求有待验证。

3.4减少氧气浓度

顺磁泵去氧惰化技术利用氧气的物理特性减少氧浓度。氧气是一种顺磁物质,它沿着磁场强的方向运动,同时氮气、二氧化碳和燃油等其他成分在磁场做反运动。利用此特性,可以设计成空气分离装置，也可设计氧气吸附装置。无论单独使用,或与其他惰化系统共用都是非常减重增效的方法。但顺磁泵技术的稳定性与可行性还需进一步试验论证。绿色机载惰性气体发生系统^[2]是近年来学者关注与研究较多的，美国研究了一种耗氧型油箱惰化系统，不需要发动机引气，不需要设计其他的系统部件，只用将油箱上部空间连接一个低压泵组件处理空气混合物，使得无油空间形成一个气体流通闭环，达到持续惰化的作用，且不需排放富氮气体，高效环保，结构简单。

4 总结

上述分析表明飞机惰化技术的理论研究非常丰富，其中部分理论也在飞机上得以认证，后续对飞机惰化技术减重增效的研究可能会在以下几点深入开展：

燃油特性的研究。燃油特性不同，可燃能力不同，氧溶解的情况也会不同，对燃油具体组成成分、理化性能与燃爆性能缺乏深入研究等，惰化气体流量需求也会难以精确计量。

机载制氮携氮能力的研究。对于机载制氮惰化系统，在重量限制的基础上，如何能最大程度以及提高氮气利用率，做到灵活地机载制氮携氮相结合是后续研究的难点。

可循环吸附剂的研究。去除无油空间的氧气或燃油蒸汽,离不开吸附剂,但吸附剂是否能循环使用以及机载吸附剂重量是否在合理范围内是制约此技术的难题。

参考文献：

[1] 拉尔夫-亨宁.施托尔特，赫尔曼.詹森万维伦.用于降低燃料箱的爆炸危险的安全系统：中国，CN102015451[P].2011-04-13

[2] 刘夙春，邱献双．一种新型的飞机油箱催化惰化系统［J］．航空科学技术，2011(4):27-29．