民用飞机机翼区域液压系统闪电防护设计研究

汤振宇+孙晓+李信良

【摘 要】民用飞机液压系统作为机翼燃油箱区域内布置的主要系统之一，其相关的闪电防护设计对机翼燃油箱防爆有着重要作用。本文结合液压系统布置原则，运用EMA3D仿真软件对机翼燃油箱内液压导管电流、电压进行仿真，重点研究了液压导管的搭接对闪电防护的影响。

【关键词】机翼；液压系统；闪电防护；搭接

【Abstract】Due to be one of the main systems disposed in wing fuel tank， hydraulic system lightning protection design is very important to aircraft fuel tank protection. Based on hydraulic system layout and software EMA3D， the lightning currents and voltages on hydraulic pipes inside of the fuel tank are simulated， and the bond of hydraulic pipes impact on lightning protection is the focus in this paper.

【Key words】Wing； Hydraulic System； Lightning Protection； Bond

0 引言

民用飞机被闪电击中时，闪电不仅可能会引起结构件的融化、烧毁或变形，还有可能在燃油箱内的管路、线缆等部件上产生诱导电压和电流，过大的电压、电流引起的火花、电弧极易点燃燃油蒸气，进而导致燃油箱爆炸[1]。由于燃油箱爆炸引发空难是灾难性的，民用飞机燃油箱闪电防护工作受到各国航空局的重点关注。液压系统是飞机上不可或缺的二次能源系统，主要为飞控系统、起落架系统以及反推力系统等重要负载提供动力源[2]。液压系统作为机翼燃油箱区域内布置的主要系统之一，其相关的闪电防护设计对机翼燃油箱防爆有着重要作用[3]。

1 研究对象

目前针对民用飞机燃油箱闪电防护的适航条款为25.954和25.981条款，其主要描述为燃油箱内不得存在任何可能导致燃油或其蒸气点燃的点火源存在。

闪电击中飞机时，瞬态效应为引起燃油箱内部液压管路出现瞬态电流、瞬态电压。若电流和电压值过大，产生的电弧或火花可能会成为点火源，点燃燃油蒸气，引起燃油箱爆炸。

本文应用EMA3D仿真软件对燃油箱内部液压管路在遭受闪电击中时电流和电压值进行了仿真计算，用于支持飞机液压系统在机翼区域的设计工作。

2 机翼区域液压系统布置特点

针对某型号民用飞机的设计，梳理出了机翼区域液压系统布置特点：

a）机翼燃油箱内部布置的液压系统均为导管，导管之间采用压接接头相连。

b）液压导管进出燃油箱处，均采用过框接头形式与结构进行搭接。

c）燃油箱内部液压导管每隔几米，均采用过框接头与结构搭接。

d）导管与導管之间、导管与结构或其他系统之间距离均不小于规定值。

3 仿真建模

本文所研究的民用飞机机翼实际CAD模型非常复杂，难于直接用于仿真。适当的简化、合理的仿真模型在闪电防护仿真中具有关键作用。为尽可能真实的模拟飞机被闪电击中后瞬态效应，仿真模型的原理和假设如下。

a）用于仿真的分析模型只需重点关注零件模型中与电阻、电感和电容相关的飞机固有电磁特性。在仿真模型中，应保证模型组件具有精确的尺寸、形状和位置信息，因为这些参数与电感和带内容等电磁特性相关。同时，需要对仿真模型赋予适当的材料定义，以确保电磁特性中的电阻特性正确。

b）对于不会影响电磁特性的小支架、垫圈及垫片，仿真模型中需要去除。同时采用剖分的面或线来描述结构件或面板。

c）在涉及采用铆钉、螺钉等紧固件将部件连接起来处，仿真模型将相连部件用面或缝连接起来。

d）机翼区域管路走线均采用各向同性的线来表示，并对线赋予电阻特性。

e）仿真时，在规定的闪电流入点（参考AS5416），设置模拟闪电波形和幅值的仿真电流。同时在仿真模型各位置加载探针，记录各区域电流、电压变化。

简化后的机翼区域仿真模型如图1所示。

4 闪电仿真结果分析

建立在上述仿真模型的基础上，通过EMA3D仿真软件，得出不同情况下机翼燃油箱液压管路上的电流、电压分布与变化。

在注入200kA的闪电电流时，在燃油箱内部液压管路上检测的最大电流为18.2A，最大电压为0.3V。根据碳氢化物/空气混合物最小点火能量E约为200μJ，结合公式1，可知燃油箱内部液压管路电压远小于产生火花的阀值。

其中C为导管与其他组件间电容，V为电压。

根据第2节机翼区域液压系统布置特点，液压导管在进出燃油箱处均采用过框接头与结构搭接，燃油箱内部液压导管每隔几米，均采用过框接头与结构搭接。

仿真结果显示，进出机翼燃油箱的液压管路，位于燃油箱外部部分和内部部分的管路电流差异很大。在闪电电流的流入点和流出点设置为飞机左右翼尖，闪电电流值为200kA的情形下，与21肋附近后梁相连的液压导管燃油箱外部区域段电流值大约为4.5kA，燃油箱内部管路段电流为1A，约为外部电流的0.02%，如图2所示。因此，液压导管在进出燃油箱处采用过框接头与主结构进行搭接的布置，极大的减少了燃油箱内液压导管的电流，对燃油箱的防爆有重要作用，因此需采取严格的措施保证进出燃油箱处的搭接。

同时，在燃油箱内部每隔一定距离液压导管采用过框接头与结构搭接，仿真结果显示不同的搭接距离对燃油箱内部的管路电流影响不大，搭接距离值越大，燃油箱内部管路电流值越小。在闪电电流为主起落架附着-前机身离开，电流值为200kA的情形下，燃油箱内部搭接距离为2m的液压导管最大电流为5.7A，如图3所示，将搭接距离调整为5m时，燃油箱内部液压导管最大电流为2.5A，如图4所示。

5 总结

本文建立在飞机仿真数模的基础上，通过EMA3D软件，针对机翼燃油箱区域液压导管的布置特点，开展了一系列的液压系统闪电防护研究。研究表明，液压导管进出燃油箱时与主结构的过框搭接极大的降低了燃油箱内部液压导管的闪电电流，在制造时该部位搭接性能需重点关注；燃油箱内部的液压导管与主结构的搭接，对液压导管的电流影响不大，在飞机的搭接设计时，可合理的选用搭接距离。在民用飞机燃油箱闪电防护设计论证时，需结合仿真和实验共同研究。

【参考文献】

[1]张斌，岳鹏，薛勇，等.民机燃油箱防爆闪电防护新适航要求研究.分析报道，vol.119，no.4，pp.31-35，2015.

[2]李艳军.飞机液压传动与控制.北京：科学技术出版社，2009.

[3]夏鹤鸣，范平，韩定邦.民用飞机机翼液压管路设计探讨.机械制造与自动化， vol.41，no.2，pp.32-33，2012.

[责任编辑：朱丽娜]