民用飞机燃油箱可燃性评估方法研究

温博，陆中

（南京航空航天大学民航学院，南京　211106）



民用飞机燃油箱可燃性评估方法研究

温博，陆中

（南京航空航天大学民航学院，南京211106）

摘要：民用飞机燃油箱可燃性评估是民机燃油系统适航符合性验证的重要内容。美国联邦航空管理局（FAA）对燃油箱可燃性评估方法进行了深入研究与解读，分析了飞机燃油箱可燃性影响因素，明确了燃油箱可燃性相关参数计算方法，给出基于蒙特卡罗仿真的民用飞机燃油箱可燃性评估流程。该程序以蒙特卡罗仿真为基础，通过随机模拟生成飞行航段中各时间增量的燃油温度，以燃油温度是否在燃油可燃性上、下限之间作为该时间增量内燃油箱可燃的评判标准，求得燃油箱可燃时间，进而求得燃油箱可燃性暴露率。

关键词：适航审定；燃油闪点；可燃性上下限；燃油箱可燃性

安全性是民用飞机的重要属性，飞机燃油箱爆炸会对飞机安全产生重大威胁。据机舱安全研究技术小组对1966到2009年间全世界3 726起飞机事故资料的统计，共有370起事故是由于飞机燃油箱的破裂、燃烧爆炸而引起的［1-2］。这些事故发生在飞机爬升、滑行、下降、巡航和着陆等各个飞行阶段。

燃油箱可燃性暴露率是评估民用飞机燃油箱安全性的重要参数［3-5］，FAA颁布的燃油箱可燃性评估方法是目前评估燃油箱可燃性暴露率的主要工具。该方法通过建立一个比较型模型来确定某一特定机队或飞机燃油箱的潜在可燃性。国内已经对FAA的燃油箱可燃性评估方法开展了初步研究［6-9］，但是对于该模型中每一个重要参数的具体计算方法与总体评估流程，目前文献尚未详细给出，本文将在这2个方面进行深入研究，给出相关参数计算方法与详细评估程序，为设计人员开展分析工作提供指导。

1　燃油箱可燃性评估模型概述及参数说明

燃油箱可燃性评估模型将模拟的每一次飞行分为多个时间增量，通过对每一个时间增量的燃油温度与可燃性上、下限进行比较，进而判定每一个时间增量的燃油箱可燃性。当燃油平均温度在燃油可燃性上、下限所确定的范围之间时，就认为此时的燃油蒸汽是可燃的。应用此方法确定每一个时间增量内的燃油箱可燃性，然后统计出此次模拟飞行中的燃油箱可燃性。最后进行多次模拟飞行，得到该条件下飞机的燃油箱可燃性。

评估模型中的参数分为3大类：分析人员输入参数、文件规定参数和中间参数。分析人员输入参数由工作人员针对某一具体的机型和飞行概况来进行确定。文件规定参数为相关航空规章中提出的参数值，在未通过相关适航部门审定的情况下不允许修改，文中将会在使用到文件规定参数的公式后对其进行标注。中间参数是通过人为输入参数和文件规定参数来计算燃油箱可燃性暴露率过程中的参数，由于计算过程繁琐而庞杂，故单独提出。其中输入参数种类多且数量大，因而又详细分为：飞机参数、飞行参数、油箱使用参数、油箱热特性参数、机身油箱输入参数和实验模拟参数。文中参数，时间单位统一为min，温度单位统一为°F，高度单位为kft，距离单位为nm。

1.1飞机参数

对燃油箱可燃性进行评估时所需的飞机参数包含飞机的最大飞行范围、发动机数和外界环境温度限制。

最大飞行范围与模拟飞行次数共同决定一个飞行任务分布，模型应用这一任务分布为每一次飞行随机选取飞行任务长度。此外，最大飞行范围与巡航马赫数共同决定飞行时间。发动机数和飞行任务长度共同决定每一个班次中，飞机爬升至巡航高度的时间。外界环境温度限制限定了飞机所处的最大环境温度。

1.2飞行参数

飞行参数包括巡航马赫数和用户定义巡航高度。巡航马赫数为飞机在常规飞行中，位于巡航高度上的马赫数，此参数用于决定每一次的飞行剖面和飞行时间。飞行时间的长短又决定了飞行剖面中存在几个不同的巡航高度。模型中假定2个巡航高度之间的转换是瞬间完成的，不同于从起飞到第一巡航阶段的过程中存在爬升率。

1.3油箱使用参数

模型中燃油箱使用的参数包括起飞前发动机的启动时刻，着陆前油箱处于满油的最后时刻和着陆前油箱处于空油的最初时刻。起飞前发动机的启动时刻将方便模拟来自发动机或系统的额外热输入的燃油箱，此输入是飞机起飞前发动机或系统开始向油箱传热的时刻。而飞机着陆前油箱处于满油的最后时刻和着陆前油箱处于空油的最初时刻用于计算燃油温度的下降率，此下降率需考虑飞行各阶段的燃油温度。

1.4机身油箱输入参数

机身油箱输入参数包含5个参数，分别用于确认油箱是否位于机身内且没有直接来自外界环境的冷却；确认飞行中油箱是否增压；油箱与外界环境压力的压力差；飞机起飞前油箱增压系统开始工作的时刻和油箱所在机舱的温度。需要注意的是，如果不是机身油箱，5项输入参数都应被置0。

1.5油箱热特性参数

模型需要的燃油箱热特性数据为平衡温差和一系列热时间常数。此项输入是在给予足够时间的情况下，相对外界环境温度的燃油温度修正。这一数值必须由油箱的热特性动态分析和环境系统的测定得出。为更好地表示发动机和其他装备对燃油箱的热输入，需要输入发动机和系统在运行和停车两种状态下的热平衡参数。模型需要6个热时间常数，它们定义了飞机处于各种状态下，燃油箱中燃油对于外界热量的反应，这6个状态如表1所示。

表1　飞机的6种状态Tab.1　Six conditions of civil aircraft

1.6实验模拟参数

实验模拟参数包括模拟的航班次数、是否冻结随机数的产生以及是否只在高温天气中运行。冻结随机参数便于通过改变某一特定参数来深入了解模型。是否在高温天气中运行这一参数中的高温特指地面温度超过80°F。

2　中间参数的计算方法

2.1单次飞行范围

单次飞行范围（Lsf）由飞行任务长度（Lmis）和最大飞行范围（Lmax）决定。在已知分布的条件（即上述2个参数已经确定）下，可通过仿真随机生成单次飞行范围。方法如下：

1）生成服从0-1均匀分布的随机数Rml；

2）用P（i，Lmax）表示CCAR-25-R4附录N的表2中飞机最大飞行范围为Lmax列的第i行，则必然存在某一自然数Rs满足式（1），即

其中：Rs表示生成飞行任务分布时的步长基数，取值范围在0～49之间。

3）生成随机仿真的单次飞行范围，即

2.2飞行时间

飞行时间（t）f指飞机从起飞后到着陆前的时间间隔，不包含地面时间。飞行时间由单次飞行范围（Ls）f和巡航马赫数（Mc）r共同决定，即

随后应用最大飞行范围（Lma）x对其进行修正，则

2.3巡航模式

巡航模式（Xm）o由飞行时间（t）f确定，根据飞行时间不同，将巡航模式分为4种：无巡航阶段、在1种巡航高度上巡航、在2种巡航高度上巡航和在3种巡航高度上巡航，这4种巡航模式分别对应数字1、2、3、4，即

2.4单次飞行任务时间

单次飞行任务时间（tmi）s包含航前地面时间（tb）f，飞行时间（t）f和航后地面时间（ta）f。航前地面时间根据飞行时间的不同分为3类，即

航后地面时间规定为30 min，故单次飞行任务时间即

2.5飞机起飞时的环境温度

飞机起飞时环境温度（Tg）的初步确定由随机参数（Rb）和地面平均温度（Th）与标准差（X）i共同确定，即

在已知这3个参数的情况下，通过式（9）计算飞机起飞时的环境温度为

随后通过外界环境截止温度（T0）对式（9）中产生的Tg进行修正，即

2.6马赫数

飞机处于不同的海拔高度，具有不同的马赫数（M）x、外界环境温度和总温。此时海拔高度（A）x从0开始，以1为增量，增至Au3，即用户定义的第3阶段巡航高度。马赫数由海拔高度（Ax）和巡航马赫数（Mc）r共同确定，即

2.7外界环境温度

外界环境温度（T）x由海拔高度（A）x、地面环境温度（T）g和巡航温度（Tc）r初步确定为

然后由机身环境温度Tbt对其进行修正，即

Ybt用于确认油箱是否为机身油箱。

2.8总温

总温（Tt）o用于计算修正温差，由马赫数（M）x和外界环境温度（T）x初步确定为

然后由机身环境温度（Tb）t进行修正，即

2.9修正温差

修正温差（T）s是指某一时刻燃油温度与长期惯例温度的差值。它由该时刻总温（Tt）o、初定燃油温度（Tfu）和参数（Tg）f共同决定。Teo为飞机处于地面且发动机启动的条件下，外界环境温度给予足够时间的情况下燃油最终达到的温度，Tes为起飞前发动机启动的时刻。Tgf为飞机在地面且发动机未启动时，燃油因外界环境温度在给予足够时间的条件下最终会达到的温度，且在确定修正温差之前，应先进行修正，即

然后通过该时刻所处飞行阶段确定修正温差为

Tff为飞行条件下，外界环境温度给予足够时间情况下最终达到的温度。

2.10燃油温度

某一时刻的燃油温度（Tfu）由前一时刻的燃油温度和修正温差共同决定，即

其中：Xtg和Xtf是飞机处于地面和飞行中2种不同状态下的温差修正系数。

2.11燃油可燃性上、下限

燃油可燃性上、下限（Tul，Tl）l是确定某一时刻燃油箱可燃性的重要参数，当某一时刻的燃油温度处于可燃性上下限之间时，认为该时刻燃油可燃。燃油可燃性上限由燃油闪点（Tfp，由文件参数易得），燃油箱高度（A）t和规章规定的参数共同确定，即

燃油可燃性下限的求法与可燃性上限的求法相似，即

其中：At为燃油箱高度，Xld、Xls、Xud和Xus为文件规定的计算燃油箱可燃性上、下限的参数。

2.12燃油箱的可燃性

通过某时刻的燃油温度（Tfu）和该时刻的燃油可燃性上、下限（Tul，Tl）l，即可判定该时刻燃油箱的可燃性（Y）i。当燃油温度处于可燃性上、下限之间时，该时刻燃油箱是可燃的，即

模型中的可燃时间（tt）f是该次模拟飞行中所有燃油可燃时间增量（Y）i的汇总，即

其中：n为时间增量的个数。

可燃时间占总体评估时间（tmi）s的比例，就是该燃油箱在该给定条件下的可燃性（P），即

得到一次模拟飞行的燃油箱可燃性（P），重复进行多次模拟，通过获得的每一次燃油箱的可燃性即可得到该种飞机燃油箱在特定环境下的可燃性。

3　燃油箱可燃性评估流程

燃油箱可燃性评估模型采用蒙特卡罗（MC）法评估燃油箱的可燃性，而MC法的本质是重复进行大量模拟实验，当实验次数达到某种数量程度时，某事件的发生频率就可以认为是该事件发生的概率。该模型流程可简化为2个嵌套的循环过程，主循环流程的循环次数为模拟的航班次数，子循环流程的循环次数是由单次飞行任务时间确定的时间增量的个数。

评估开始时先根据模拟机型和飞行条件设定输入参数，计算出单次飞行任务时间。通过判定每一个时间增量的燃油箱可燃性得到单次飞行任务时间中的燃油箱可燃时间，进而得到本次飞行的燃油箱可燃性暴露率。依据模拟的航班次数进行多次循环，将每一次的燃油箱可燃性暴露率进行汇总，求得该条件下飞机燃油箱可燃性暴露率，流程如图1所示。

图1　燃油箱可燃性评估流程图Fig.1　Flow chart of fuel tank flammability assessment

每一个时间增量的燃油箱可燃性由燃油温度和燃油可燃性上、下限共同确定。依据上文提到的中间参数及其计算方法，即可得到单位时间增量的燃油箱可燃性，如图2所示。

图2　判定单位时间增量的燃油箱可燃性流程图Fig.2　Judgement flow chart of flammability in each unit time

4　结语

本文对FAA颁布的燃油箱可燃性评估模型进行深入研究，该方法的核心思想是通过大量飞行仿真模拟真实飞行，以仿真情况下燃油箱可燃的频率作为真实情况下燃油箱可燃的概率。本文完成了如下工作：

1）将评估模型为实现不同飞行模拟条件而设定的大量参数进行分类解读，并列出具体计算方法。

2）将评估模型进行深入解读后给出具体的评估流程，为适航审定人员提供技术支持。

参考文献:

［1］GCSCR. CSRGT Aircraft Accident Database［M］. Ware：R G W Cherry& Associates Limited，2010.

［2］吴玉军，隆小庆.飞机油箱维护与安全［J］.中国民用航空，2007，77 （5）：62.

［3］A Study of The Flammability of Commercial Transport Airplane Wing Fuel Tanks，DOT/FAA/AR-08/8［S］. FAA，2002.

［4］Fuel Tank Flammability Assessment Method User’s Manual，DOT/ FAA/AR-05/8［S］. FAA，2008.

［5］FuelTankFlammabilityAssessmentMethod（MonteCarlo-Model）Version10［S］. FAA，2007.

［6］燃油箱可燃性防护，CCAR-25-R4［S］.中国民用航空局，2011.

［7］温文才.飞机燃油箱可燃性评估方法研究［J］.民用飞机设计与研究，2009（2）：31-34.

［8］郭军亮，周宇穗，王澍，等.飞机燃油箱可燃性定量分析的燃油箱热参数计算方法研究［J］.民用飞机设计与研究，2011（3）：20-22.

［9］郭军亮.民用飞机燃油箱热特性数值仿真［J］.航空计算设计，2013，43（1）：65-68.

（责任编辑：刘智勇）

Research on fuel tank flammability assessment for civil aircraft

WEN Bo，LU Zhong

（College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

Abstract:Fuel tank flammability assessment for civil aircraft is a vital part of civil aircraft fuel system airworthiness certification. A further research on the evaluation method provided by FAA is given. Factors which can affect the fuel tank flammability are analyzed，the parameter calculation method related to the fuel tank flammability is cleared，and the civil aircraft fuel tank flammability assessment process based on Monte Carlo simulation is given. Whether the temperature of fuel in unit time is between the upper and lower flammability limit will decide the fuel tank flammability at that point. The ratio of flammable time account for the total time is a vital reference to the fuel tank flammability assessment.

Key words:airworthiness certification；flashpoint；upper and lower flammability limit；fuel tank flammability

中图分类号：V288.1+1

文献标志码：A

文章编号：1674－5590（2016）02－0006－04

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2015-11-10基金项目：国家自然科学基金项目（U1333118）；江苏省自然科学基金（BK20130811）；南京航空航天大学研究生创新实验基地开放基金（kfjj201448）

作者简介：温博（1990—），男，辽宁本溪人，硕士研究生，研究方向为系统可靠性与安全性.