民用飞机加油切断控制系统架构研究

宋志强

（上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海201210）

民用飞机加油切断控制系统架构研究

宋志强

（上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，上海201210）

加油系统是民用飞机的重要系统，压力加油切断控制系统是飞机加油系统的关键部分，压力加油切断控制系统需在目标加油量或最大加油量时准确切断加油，可靠性和维修性也是加油切断控制系统设计需考虑的重要因素。对几种典型的加油切断控制系统架构进行了研究分析，对比其优势、弊端，给出了各种架构适用的飞机类型。

民用飞机；加油切断；控制系统

加油系统是民用飞机的重要系统，每次飞行之前都要对飞机进行加油。加油方式通常有重力加油和压力加油两种方式［1］。重力加油一般作为小型、中型民用飞机的备份功能，压力加油是所有民用飞机必须具备的功能。

飞机对压力加油系统的基本要求是快速、安全、准确切断和可靠性。快速即飞机加油时间需满足飞机过站准备时间的限制，以保证飞机派遣，增加盈利能力。对压力加油系统的安全性要求包括油箱防爆要求［2］、最大加油量限制等，压力加油系统应限制加油流速，尽量减少或避免电气部件进入油箱以满足油箱防爆要求；最大加油量限制即压力加油应能及时切断，防止飞机加油溢出，严重时会引起油箱结构损坏。压力加油控制系统必须在目标加油量或最大加油量时准确切断加油，如果飞机加油量超过飞行任务所需加油量，则可能需要进行抽油以保证飞机重量在飞行手册允许的限制范围内，抽油工作将大大增加飞机的过站时间，造成飞机延误。由于加油系统大部分部件都安装布置在油箱内，更换维修这些部件需要较高的时间和人力成本，因此压力加油系统的设计应注重可靠性。

压力加油切断控制系统是飞机压力加油系统的关键部分，本文对几种典型的加油切断控制系统架构进行了研究分析，对比其优势、弊端，给出了各种架构适用的飞机类型。

1　架构1——采用高油位浮子阀的加油切断控制系统

一种采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统见图1，系统主要组成部件有：高油位浮子控制阀、加油切断阀、加油电磁阀、燃油计算机。

图1所示为加油进行时的系统工作状态。当高油位浮子阀的浮子落下时，加油切断阀与高油位浮子控制阀之间的引压管路有燃油流过，加压压力使得加油切断阀打开，燃油通过加油管路进入油箱。

图1　采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统——加油过程

图2所示为主动切断加油时的系统工作状态。燃油计算机发出加油切断信号，加油电磁阀作动，压力加油接头与高油位浮子控制阀之间的引压管路导通，加油压力将浮子顶起，高油位浮子阀切断引压管路的燃油流动，导致加油切断阀出口压力趋近加油压力，加油切断阀内部弹簧作动将切断阀关断，切断加油。

图2　采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统——主动切断加油

图3所示为油箱油面到达最大加油量位置时，高油位浮子控制阀自动切断加油时的系统工作状态。油面到达最大加油量位置时，浮子升起，高油位浮子阀切断引压管路的燃油流动，加油切断阀关断，切断加油。

图3　采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统——高油位切断

这种加油切断控制系统架构的主要优点有：

（1）油箱内仅有流体机械设备，无用电设备，极大地降低了油箱防爆安全性风险；

（2）可靠性较高，流体机械设备有较高的可靠性；

（3）维护性较好，系统部件较少，可靠性较高的流体机械设备布置在油箱内；

（4）双余度设计，当加油量到达预设任务用油量时，燃油计算机可主动发出切断指令控制加油电磁阀切断加油，如果主动切断控制功能失效，当油箱油面达到最大加油量位置时，高油位浮子控制阀仍可自动控制加油切断，避免了溢油风险。

这种加油切断系统架构的主要缺点是：该架构主动加油切断通常略有延迟，这是因为主动加油切断指令发出时，不能直接切断加油切断阀引压管路的燃油流动，而是加油电磁阀先作动，然后高油位浮子控制阀的浮子升起，之后加油切断阀响应切断加油。

通过提高高油位浮子控制阀性能、缩短引压管路等措施，通常可以将加油切断延迟问题控制在可接受的程度内。这种简单、可靠的加油切断控制系统适用于较小的民用支线飞机。

2　架构2——简化的采用高油位浮子阀的加油切断控制系统

图4所示为一种简化的采用高油位浮子阀的加油切断控制系统，这种架构的系统主要组成部件与架构1相同，区别在于引压管路的设计，该架构仅采用一根引压管路，由加油切断阀引压口至高油位浮子控制阀，加油电磁阀安装在该引压管路的中间。

图4所示为加油进行时的系统工作状态，当高油位浮子阀的浮子落下时，引压管路有燃油流过，加压压力使得加油切断阀打开，燃油通过加油管路进入油箱。

图4　简化的采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统——加油过程

图5所示为主动切断加油时的系统工作状态。燃油计算机发出加油切断信号，加油电磁阀作动，切断引压管内燃油流动，加油切断阀响应，切断加油。

图5　简化的采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统——主动切断加油

该架构的高油位切断工作状态与架构1类似，此处不再详细阐述。

这种加油切断控制系统架构除架构1所述各项优点外，避免了架构1加油切断延迟的缺点，并且该架构采用的高油位浮子阀部件本身也更为简单。但是这种简化却带来了额外的风险——高油位浮子阀失效成为一种隐蔽故障。

架构1无论主动切断加油还是满油时高油位切断，均通过浮子升起、切断引压管燃油流动、加油切断阀响应实现加油切断。而架构2只有达到油箱最大加油量时才会通过浮子升起控制加油切断，假设使用该架构的民用飞机通常在固定的航线往返，因此一直采用固定的、低于最大加油量的任务用油，该飞机很长时间未使用高油位切断功能，则高油位浮子阀失效成为一种隐蔽故障，且该故障的暴露时间很长。当机上存在该故障时，维护人员无法及时知悉故障状态，如果加油未主动切断时，加油量将超过飞机最大允许加油量，造成溢油事故，严重时可导致飞机油箱结构损坏。

3　架构3——采用高油位传感器的加油切断控制系统

为了规避架构2带来的风险，一种被广泛采用的解决方式是采用高油位传感器作为高油位切断功能的备份，这种加油切断控制系统架构见图6.

图6　采用高油位传感器的加油切断控制系统——高油位切断

与架构2相比，该架构增加了高油位传感器，当油箱油面达到最大加油量时，高油位传感器将高油位信号传递给燃油计算机，燃油计算机将发出加油切断指令，控制加油电磁阀切断加油。

这种架构采用的高油位传感器可以与燃油量测量系统的油量传感器集成使用，因此并不增加系统重量。这种架构的缺点是燃油计算机软件功能复杂化，软件开发工作量略有增加。该架构适用于集成设计程度较高的燃油系统，如较大的干线大型民用飞机。

该架构还可以进一步简化，采用压电效应原理研发的新型点式油位传感器具有重量轻、信号传递快的优点［3］，因此，可取消高油位浮子控制阀，采用两个点式高油位传感器互为备份，也可以满足高油位切断余度设计要求。这种加油切断控制系统进一步降低了系统重量，但是由于要保证两个点式高油位传感器及其信号传输通路、信号处理通道需完全独立，进一步增加了燃油计算机软件开发的复杂性。该架构适用于集成设计程度更高的大型民用飞机。

4　结束语

本文对几种典型的民用飞机加油切断控制系统架构进行了研究分析，架构1是一种采用高油位浮子控制阀的加油切断控制系统，该架构加油切断略有延迟，但是整体优势较为明显，适用于民用支线飞机；架构2是基于架构一的一种简化系统，这种简化设计避免了架构一的缺点，但是也带来了隐蔽故障风险；架构3基于架构二并增加了高油位传感器作为高油位切断功能的备份，适用于集成设计程度较高的大型民用飞机；架构3可进一步简化，取消高油位浮子控制阀，采用两个点式高油位传感器，该优化架构适用于集成设计程度更高的大型民用飞机。

［1］罗伊·兰顿.飞机燃油系统［M］.上海：上海交通大学出版社，2011：109-113.

［2］FAA.Fuel Tank Ignition Source Prevention Guidelines，AC 25.981-1C［R］.2008.

［3］冯锐，肖莉.压电效应［J］.防灾博览，2003，（5）:22.

Research on the Architecture of the Control System of Civil Aircraft Refueling and Cutting

SONG Zhi-qiang
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Shanghai 201210，China）

Refuel system is an important system of civil aircraft，and refuel shutoff control system is the significant part of refuel system.Mission of refuel shutoff control system is to shutoff refuel when fuel quantity on the aircraft reaches the target fuel quantity or the maximal allowable refuel quantity of the aircraft.Reliability and maintainability are also key factors that should be taken into account by designer of refuel shutoff control system.Three typical architectures of refuel shutoff control system are described in this paper，and advantage and disadvantage of these architectures are discussed here.Furthermore，applicative aircraft of these architectures are presented in this paper.

civil aircraft；refuel shutoff；control system

V288.1

A

1672-545X（2016）07-0088-03

2016-04-09

宋志强（1987-），男，山西人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为飞机燃油系统设计。