一种民机氧气系统的区域安全性设计方法

汤旭　刘斌慧

【摘 要】对某机型氧气系统区域安全性进行分析和论述，形成了一套可行的解决方案，并以此表明氧气系统的安全性设计对§25.869c3条款的符合性。

【关键词】氧气系统；区域安全性；§25.869c3

【Abstract】This paper analyzed and discussed the process of safety design and assessment for civil aviation aircraft oxygen system according to SAEARP4761， then indicated the compliance of §25.1309 to system safety design。

【Key words】Oxygen System； Zone Safety； §25.869c3

0 概述

氧气自身不可燃，但是支持燃烧。大多数物质包括金属在纯氧或富氧环境中都会猛烈燃烧。油、脂以及被油、脂污染的物质出现在富氧环境中是非常危险的，因为这些物质极易被点燃，燃烧会伴以猛烈的爆炸。当空气中的氧浓度增加时，潜在的火灾威胁也随之增加。当空气中氧浓度超过23%时，火灾的威胁使得情况变得非常危险。由于氧气密度高于空气，氧气会聚积在低洼的区域，形成富氧区。因此适航规章§25.869系统防火（c）（3）条款规定氧气设备和管路的安装必须使得所漏出的氧气不致点燃正常工作时存在的或因任何系统失效或故障而聚积的油脂、油液或蒸汽。

某型号飞机实施机上区域安全性检查中发现，前货舱右侧三角区域内安装的机组氧气瓶组件附近安装有大量电缆且距离太近，区域通风不够理想，存在共因故障隐患，即电缆产生的电火花和泄漏的氧气，可能会引起燃烧。

1 更改必要性

1.1 该型号飞机前货舱右侧三角区通风描述

客舱右侧空气流向前货舱右侧三角区，释放的氧气被稀释。由于空气管理系统位于前货舱后档板后部的排气活门的作用，前货舱左侧三角区的空气压力要低于右侧三角区的空气压力。前货舱右侧三角区的空气可分别从前货舱前挡板前部、前货舱顶壁板与客舱地板之间流通到前货舱左侧三角区，然后到达前货舱后挡板后面的排气活门处，最终排放到机外。图1为前货舱右侧三角区空气流通示意图。

1.2 前货舱右侧三角区氧气浓度计算

巡航高度39000ft时，客舱温度为18℃～32℃调节，通常为24℃。客舱内压力高度为2400m，即75634.3Pa，经计算得密度0.887kg/m3。根据该型号飞机空调系统流量制度，在正常情况下，通往客舱的新风量最低为每位乘客260g/min。按85名乘客，3名乘务员计算，通往客舱总新风量最低为22.88kg/min，体积流量为25.8×103L/min。

成年人（安静时）每分钟耗氧量为200～300ml。按每分钟耗氧量为250ml，客舱总人数88人计算，客舱总耗氧量为22L/min。

客舱流出的空气含氧量Cc=（25.8×103×21%-22）/24800=20.9%。

空勤氧气瓶容积为1435L-NTPD，13.8psig，21℃。前货舱右侧三角区的有效容积为706L。客舱通往右侧三角区的流量为24L/s。低压超压时调节器释放氧气流量最大为3L/s。

注：氧气系统管路设计均按成熟工业标准设计制造，此处进行氧气泄漏计算时不考虑管路断裂、接口脱落等情况，氧气泄漏流量按较大可能发生的低压超压故障模式下的泄漏量3L/s计算。

假定低压超压释放后，空勤氧气瓶内1435L的纯氧全部通过调节器释放通道排放到前货舱右侧三角区内，该过程持续时间t=1435/3=478s。设三角区空气含氧量的初始状态为C0，第n秒后前货舱右侧三角区空气含氧量为Cn。则

C0=20.9%（即客舱流出的空气含氧量）；

Cn=[3+24×0.209+（706-24-3）×Cn-1]/706

经过迭代计算，在478s后该区域空气含氧量达到最大值29.7%。随后氧气浓度开始降低。

1.3 前货舱右侧三角区通风情况分析

根据计算，在原先的设计中一旦发生氧气泄漏，前货舱右侧三角区的空气含氧量可达到29.7%。若此时电缆产生电火花，在富氧的情况下极易引起燃烧，从而导致火灾甚至灾难性的事件发生。该型号飞机前货舱三角区的通风设计不能有效消除氧气释放在三角区的安全隐患。

2 设计方案描述

在高压氧气系统组件（包括氧源）所处的舱内，应该有足够的通风条件以保证泄漏氧气的快速稀释。同时这种舱也应对液体或其它可能导致火灾危险的物体引发的污染加以足够的防护。

对机组氧气瓶组件加装保护罩，保护罩采用绝缘材料，隔离机组氧气组件和三角区电缆；机组氧气瓶保护罩设计成密闭舱（即氧气舱），使机组氧气瓶组件、地面充氧服务面板、高压管路及附件均包含在氧气舱内。

密闭绝缘的氧气舱上设计？覬30mm的进气孔，并安装一个带橡胶垫的单向阀，保证货舱三角区内的空气流入氧气舱而不会发生回流。在飞机座舱压力大于外界环境压力11mb（地面预增压压力差值）的情况下，单向阀能打开。地面充氧服务面板上设计？覬10mm排气孔，排气孔内侧安装一个节流降压的消音器，可以用来减弱气体排放产生的啸叫。原理图见图2。

该方案有几个细节需要注意：

1）该开孔将增大全机漏气量，应综合考虑最大允许的全机漏气量指标，并评估对压调系统的影响；

2）地面充氧服务面板的口盖上设计相应的通气孔，保证气体不在地面充氧服务面板与口盖之间积聚。建议该通气孔位于地面充氧服务面板上的排气孔下方并与之尽量远离，可防止水倒流进氧气舱内；

3）穿过氧气舱壁板的低压管路和氧气设备电缆与氧气舱相交处需进行密封穿墙处理；

4）氧气舱壁板上需要设计维护口盖，便于机组氧气瓶的勤务和安装拆卸。

3 计算与验证

使用MATLAB软件初步对该型号飞机氧气舱内压力在各个飞行高度上进行分析和计算。计算建模如图3和图4所示。选取4个飞行高度进行计算，分别是10000ft、25000ft、35000ft和39500ft。

氧气舱内压力P2取决于氧气舱内空气量。在稳定状态下，供入与排出氧气舱的空气量相等：

G1=G3（1）

其中G1、G3分别为稳态时氧气舱内的供气流量、排气流量。

其中：

μ，系数，取0.95；

F，面积，单位m2；

Tc，舱内温度，单位K，取297.15K；

Pc，舱内压力，单位mba；

Ph，环境压力，单位mba。

软件计算时，下列数值已知：

Pc和Ph分别见表1中P1和P3；

氧气舱有效容积V；

氧气舱进口有效面积F1；

氧气舱出口有效面积F3。

软件计算得表1中G1、G3、P2和△P，可知△P值均大于零，初步表明氧气舱排气出口处的气流可以顺利排出机外。

上述计算是通过前货舱三角区压力P1和氧气舱排气出口处压力P3来计算不同飞行状态的氧气舱空气流量和压力。其中，P1根据压调系统的工作条件给定，P3假设等于远前方来流静压。这种计算方法是不完善的，其结果只能作估算使用。在实际飞行过程中，飞机蒙皮表面各个位置的压力并不相同，并且随飞行状态改变。不同位置的压力变化规律和变化范围与该位置和飞行状态两者都有密切关系。为了较为准确地计算氧气舱的进气流量和排气流量，还需要采用工程估算、CFD方法或者风洞试验，给出氧气舱排气出口处的压力随飞行高度、速度和攻角等飞行状态参数的变化规律和变化范围，以此评估氧气舱排气出口处的气流能否顺利排出机外。该型号飞机通过不同高度下部分典型飞行工况的CFD计算，表明了氧气舱的气体能够顺利排出机外。

此外，基于上述计算该型号飞机还进行了氧气舱排气功能试飞。通过对氧气舱加装一个量程（0-5）kPa，精度±0.25%FS的差压传感器，在整个飞行过程中采集氧气舱内消音器进口附近与前货舱右侧三角区压差。并对9000ft飞行高度、以0.5Ma速度巡航，25000ft飞行高度、以0.67Ma速度巡航，30000ft飞行高度、以0.78Ma速度巡航的三个高度下典型飞行工况进行考核。试飞结果分别见图5和表2。

通过飞行试验表明，在飞行过程中，氧气舱排气孔附近与前货舱右侧三角区存在压差，机组氧气瓶泄漏在氧气舱内的氧气将无法聚积，会通过排气孔正常排气，氧气舱的排气功能正常。

4 总结

该型号飞机通过加装绝缘密闭的氧气舱，从空间上隔离了高压氧气设备与潜在点火源，并可保证氧气泄漏后迅速排放到机外的设计措施，符合25.1309（b）（d）和25.869（c）（3）的要求。

尽管该设计显著降低了航线运行时可能由于高压氧气系统泄漏发生危险性事件的可能性，但在一定程度上降低了氧气系统的维修性，造成航空公司使用和维护的不便。同时，各航空公司仍需要对氧气系统使用及维护相关的人员进行深入的安全意识及安全性能培训，提高他们对氧气系统风险性的认识，规范氧气系统风险性的认识，规范氧气系统使用和维护的方法，从而避免事故的发生。

【参考文献】

[1]中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准[S].

[责任编辑：汤静]