民用飞机机载分子筛制氧系统初探

2015-10-08刘斌慧

科技视界 2015年27期

关键词：制氧分子筛

刘斌慧

【摘要】本文概述了机载分子筛制氧系统的现状，提出了民用飞机机载分子筛制氧系统概念构架，并对民用飞机机载分子筛制氧系统研究方向进行了展望。

【关键词】分子筛；机载制氧；制氧-制氮耦合

0 引言

美国海军于20世纪60年代初就开展了机载制氧装置的研究。经过近50多年的研究与发展，机载分子筛制氧技术几乎在所有欧美战斗机上得到了应用，成熟度已很高。我国机载分子筛制氧技术处于世界领先水平，自主研发的分子筛制氧系统已广泛地应用于军机。

近几年来机载分子筛制氮技术（燃油箱惰化系统）研究和验证，为分子筛制氧技术应用于民用飞机提供了可借鉴工程经验和技术储备。在燃油箱惰化系统中，氧气是当作废气排出机外的，而对氧气系统来说，这些“废气”可以成为氧源，若在飞机上实现机载分子筛制氮系统和机载制氧系统的耦合，可提高机载系统的集成水平和使用效率。

机载分子筛制氧技术应用于民用飞机，可能会成为航空氧气专业近几年的研究热点和主攻方向。

1 机载分子筛制氧系统基本组成

机载分子筛制氧系统主要由气源部分、制氧部分、供氧部分、备用氧部分、控制部分等组成。气源部分包括进气装置、稳压装置、调温装置和过滤装置，主要是将来自发动机某级引气或压缩机气体进行降温和降压处理，除去空气中的水和杂质；制氧部分由分子筛制氧装置和氧气增压装置组成，通过分子筛制氧装置，采用变压吸附方法分离出氧气、氮气等气体，氧气加压后输入飞机的氧气调节器，其它气体排出机外；供氧部分由分配管路和氧气面罩组成，将制氧部分产生的氧气，依照供氧规律输送给机上人员呼吸用；控制部分则是利用氧分压传感器装置及控制装置，自动控制输出氧气浓度及氧气压力。

2 民用机载分子筛制氧系统构架探讨

图1为民用飞机机载分子筛制氧系统概念构架框图。为安全起见，加装机载分子筛制氧系统后，需配备一套备用氧气瓶进行供氧。机载制氧和氧气瓶共用一套供氧管路和面罩。备用氧气瓶选用小型氧气瓶，在机载分子筛制氧系统供氧量不足或系统故障时（监控机载分子筛制氧系统的出口压力），自动切换到备用氧气瓶供氧。该概念构架即适用于机组供氧，也适用于旅客供氧。

新研的民用飞机一般都配备了机载分子筛制氮系统。在进行民用飞机机载分子筛制氧系统的设计时，可考虑与制氮系统联合设计，分子筛分离出的富氮气体用于燃油箱惰化，富氧气体用于机上人员供氧，实现机载分子筛制氮系统和制氧系统的耦合，提高飞机的集成性，达到减重节能的作用。图2是机载分子筛制氮-制氧耦合系统概念架构。

3 机载分子筛制氧系统的优点

初步评估，相对于传统的民用飞机氧气系统，机载分子筛制氧系统主要具有以下优点：

1）供氧时间无限制：机载分子筛制氧系统具有长时不断产氧、远距长时飞行供氧能力，特别适合需要配备长时间应急供氧的飞机。

2）安全性高：传统的民用飞机氧气系统采用高压氧气瓶或化学氧发生器作为氧源。高压氧气瓶在安装不当或受到冲击时，有发生爆炸的可能，历史上已发生多起该类事故。化学氧发生器在工作时会产生大量热，处理不当会损害周围设备，安装布置时需要进行散热隔热设计。而机载分子筛制氧系统完全可避免高压气氧的易燃易爆隐患，也不会产生大量的热。

3）维护性好：机载分子筛制氧系统仅需进行必要的定期维护工作，维护时间短、费用低，可减轻机务勤务负担。尤其是对高高原机场，明显减少了氧气瓶充氧工作。

4）重量轻：机载分子筛制氧系统不受供氧时间的限制，在整个航程中随时可以按需用氧，可避免加装大量的氧气瓶，显著节省了重量和安装空间。

4 民用飞机机载分子筛制氧系统工作展望

民用飞机机载分子筛制氧系统的研究工作尚处在概念设计阶段。从系统集成方面考虑，笔者认为后续可主要从以下几个方面开展机载分子筛制氧系统的研究工作：

1）机载分子筛制氧系统如何满足适航条款的要求。

2）机载分子筛制氧系统构架的优化和细化，以及机载分子筛制氧-制氮耦合技术的研究。

3）机载分子筛制氧系统在不同飞行条件下的供氧能力分析。

4）机载分子筛制氧系统的输出压力控制技术研究。

5）机载分子筛制氧系统对发动机引气的影响分析。

6）机载分子筛制氧系统配套面罩TSO标准的制订（传统的民用飞机机组氧气面罩和旅客氧气面罩均是TSO产品）。

7）机载分子筛制氧系统供气源的研究（如进行空气压缩机供气和发动机引气的权衡分析）。

8）机载分子筛制氧系统安全性评估。