直升机油箱内燃油蒸气点燃防护研究

袁斐 鞠月婵

摘 要：该文对直升机油箱内影响燃油蒸气浓度的因素进行了分析，给出燃油蒸气点燃的边界条件。针对可能存在的点火源从电火花、细丝加热、摩擦火花以及热表面点燃等方面进行分析，并针对点燃源从设计、试验以及安全性分析方面提出油箱系统研制时所采取的措施，以减少燃油蒸气点燃的可能性。最后通过对某型直升机油箱内电气设备的点燃防护分析，给出点燃防护的分析方法。

关键词：燃油蒸气；点燃源；安全性分析

中图分类号：V231 文献标志码：A

0 前言

随着军、民用直升机的大量普及以及相关技术逐渐成熟，航空技术发达的国家在直升机研制过程中，对于FAR29.963油箱内设备的温度要求已不足以保证直升机的安全，已将燃油箱点燃防护要求作为设计要求予以贯彻。而我国还未对直升机燃油箱的点燃防护进行过研究，相关设备的研制厂家也未对设备的安全进行分析，该文对直升机燃油箱内蒸气点燃的防护技术进行分析、研究，对直升机燃油系统的研制具有一定的指导意义。

1 影响可燃蒸气浓度因素

油箱内的可燃蒸气一直充满油箱上部的无油空间，影响可燃蒸气浓度的因素主要有燃油闪点、温度、油液晃动以及在加油时可能出现的雾化。燃油的闪点越低，可燃蒸气就能在越低的燃油温度下形成。燃油的晃动、溅泼或雾化能够导致燃油箱内液面上方空间燃油分子浓度增加，从而显著增大可燃性蒸气的暴露时间，燃油温度升高能显著增加燃油箱内的可燃蒸气。在进行加油时，大量气泡破灭，促使油箱上部可燃蒸气浓度增加。

2 可燃蒸气点燃条件

油箱中的可燃蒸气能够点燃的条件如图1所示，图中曲线是采用JetA喷气燃料测得的数据，国内RP3喷气燃料与之类似。在易燃区域两侧的限制条件分别是上边界和下边界。上边界为富油条件，油气浓度较大不能点燃；下边界为贫油条件，油气浓度较小而不能点燃。在海平面高度，下边界温度为低于燃油闪点10 ℉，上边界温度为高于燃油闪点62.5 ℉。上述边界条件也可采用油气比确定，在海平面高度下边界条件的油气比为0.032，在60 000 ft时线性增加到0.043；在海平面上边界条件的油气比为0.24，在60 000 ft时线性降低到0.142。由上下边界围成的区域为易燃区域，从海平面高度直到60 000 ft，点燃所需能量逐渐增加，在海平面高度附近，所需能量为0.17 mJ～0.2 mJ，在60 000 ft附近所需能量接近25 000 mJ。

3 燃油蒸气点燃源分析

3.1 可能存在的点燃源

在油箱内可能存在的点燃源包括：未包容的电火花/电弧；细丝加热；摩擦火花；热表面点燃或自燃。

3.1.1 未包容的电火花/电弧

由于电气系统故障、闪电或其他电气问题，使2个彼此绝缘的元器件之间出现电压差，产生电火花。当2个导电元器件彼此接触时可能会发生電弧或热熔火花。

电气绝缘的零部件由于燃油撞击、晃动，或者燃油在管路中流动等会产生电荷积聚。如果不添加防静电剂，国内燃油的电导率为0.1 pS/m～10 pS/m，燃油电传导率太低，燃油表面将积聚大量静电荷，一旦产生的电压超过燃油上部空间油气混合物击穿电压时，可能会产生火花。存在电荷积聚的零部件和附近的油箱接地点之间产生的放电也可能产生足够的能量来点燃燃油蒸气。

3.1.2 细丝加热

当安装在油箱中的设备如油箱测量系统的电流超过25 mA RMS时，导线发热可能会成为点火源。

3.1.3 摩擦火花

燃油泵的入口单向阀、螺母、螺钉、卡箍以及一些结构上的碎片可能会被吸入泵内，与叶轮发生摩擦，从而产生火花。

3.1.4 热表面

如果设备表面温度可能会达到燃油自燃温度，则该设备就是一个点火源。燃油自燃温度随燃油类型以及压力变化而变化。对于JETA燃油，在一个大气压下为450 ℉。

3.2 点燃防护措施

安装在油箱内的电气设备通常包括燃油泵、油量传感器、液面信号器、温度传感器以及燃油阀等，这些设备都可能成为潜在的点火源，同时还包括静电以及闪电。针对上述点火源，需从设计保证、试验验证以及安全性分析等方面予以防护。

3.2.1 设计保证

电源线布置在机外，一旦出现故障不会在油箱内部产生热源或电弧。

燃油系统电源线与其他设备线路隔离，并进行屏蔽，同时可安装抑制器以防止诱导大电流进入油箱导线中。

燃油泵入口在整个工作期间始终淹没在燃油中。对于储油箱，采用引射泵进行输油，以避免电动燃油泵干转而超温。

与机体结构进行良好地搭接，搭接通道采取冗余设计。

安装在油箱中的系统设计电流不超过25 mA RMS。故障条件下电流限制到50 mA RMS，闪电瞬间感应的尖峰电流为125 mA。

油箱周围不能布置任何易产生高温的管路、设备，以防止油箱内燃油温度升高。

合理布置油箱进油口和管路，以降低燃油雾化和喷溅程度。压力加油口应设置在油箱较低的部位。

3.2.2 试验验证

安装在军机油箱中的所有部件则需按照GJB150A或MIL-STD-810E进行防爆试验，在民机上按RTCA DO160D进行试验验证，以表明在燃油蒸气中的防爆性能。燃油泵需要进行干运转试验，以表明其温度升高不会超过燃油自燃温度，并保留约50 ℉的安全裕度。安装在燃油箱邻近的可燃液体泄漏区域内的电气设备，同样应满足防爆安全要求。

3.2.3 安全性分析

对油箱系统进行故障模式及影响分析，并对其进行安全性评估：不管其发生的概率有多小，任一单点故障都需要考虑；任一单点故障与任一未表明其发生概率为极不可能的潜在故障组合；所有未表明其发生概率为极不可能的故障组合。

4 点燃防护符合性分析

为了降低各点燃源点燃油箱内部燃油蒸气的概率，在系统研制过程中，需要对油箱内部各电气设备进行点燃防护分析，以便及早采取措施，完善设计。分析时需要考虑所有的影响因素，并针对影响因素进行符合性分析，从而表明油箱系统研制满足油箱蒸气点燃防护要求。表1为某型直升机油箱内电气设备的点燃防护分析，针对各影响因素给出了具体的解决措施。

5 结论

油箱内始终会存在燃油蒸气，完全消除点燃源是不可能的。但可以通过对可燃源的辨识，进而从设计、试验以及安全性分析等方面采取措施来降低油箱内燃油蒸气被点燃的概率，从而提升直升机的安全性。

参考文献

[1]CCAR-29-R1.运输类旋翼航空器适航规定[S].中国民用航空局，2002.

[2]CCAR-25-R4.运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局，2011.