空客A320燃油箱惰性气体系统介绍及故障分析

王翔

摘要：燃油箱惰性气体系统是防止油箱爆炸的重要系统。本文在介绍了该系统的系统原理和主要部件后，对该系统出现过的故障做了总结和分类，并针对不同类别的故障提出不同的维护方案。根据维护当中的实际案例，重点对该系统的渗漏检测做了详细的说明，总结分享了维护经验，为今后的维护工作提供了参考和借鉴。

Abstract： The fuel tank inerting system is an important system to prevent the explosion of fuel tank. After introducing the system principle and main components， this paper summarizes and classifies the faults of the system， and puts forward different maintenance schemes for different types of faults. According to the actual cases in maintenance， the leakage detection of the system is described in detail， and the maintenance experience is summarized and shared， which provides a reference for future maintenance work.

关键词：燃油箱惰性气体系统;空调勤务系统;空气分离器;渗漏检测

Key words： FTIS;CSAS;ASM;leakage detection

中图分类号：V228.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）10-0115-03

0  引言

飞机燃油系统是飞机上最为关键的机载系统之一，为发动机和辅助动力装置提供安全可靠地燃油[1]，而燃油箱爆炸是造成空难的重要隐患之一。近年来，已多次发生因燃油箱爆炸而导致飞机损坏或损毁的事故，造成重大生命财产损失[2]。为此，油箱惰化技术应运而生，根据油箱“起火三因素”——燃油蒸汽、氧气、火源[3]，油箱惰化技术可分为被动式防火抑爆措施、主动式防火抑爆措施两类。被动式防火抑爆措施主要通过填充抑爆泡沫，将油箱内混合气体的燃烧控制在局部，即油箱在某一部分发生燃烧情况后，可抑制燃烧的蔓延，防止油箱内气体压力超过承载限度造成爆炸。主动式防火抑爆措施则通过某种技术降低油箱上部气相空间氧浓度，使其在遭遇点火源的情况下，因无充足的氧气而无法燃烧[4]。目前，抑制燃油箱爆炸的主要方法有向燃油箱填充网状泡沫、氮气、海伦1301或安装机载惰性气体系统等[5]。

1  惰性气体系统简介

1.1 系统原理

燃油箱爆炸是燃油箱惰性气体系统（Fuel Tank Inerting System，FTIS）是一套可产生惰性化气体并充灌至油箱空隙中以防止油箱内产生可燃混合物的系统。燃油箱内燃油液面上部空间充满了燃油蒸汽和空气的混合物，其有不确定的安全隐患。为了防止由于油箱中部件或系统失效而导致燃油箱着火爆炸，需要把油箱中的氧气总量减少至12%或以下。因为空气中有78%为氮气，获取方便，惰性化系统一般采用氮气来充灌油箱[1]。

图1为燃油箱惰性气体系统原理图，该系统包含两个子系统，分别是惰性气体产生系统（Inert Gas Generation System，IGGS）和空调勤务系统（Conditioned Service Air System，CSAS）。CSAS系统给惰性气体产生系统提供正确温度、压力、流量的气流，IGGS系统通过分离气流来产生富氮气体和富氧气体。富氧气体通过管道排出机体，富氮气体则被充灌至燃油箱中。

氮气是一种化学上不活泼的气体，因为它不支持碳氢化合物燃烧反应，也不与燃料系统部件和设备的材料反应。当富氮气进入燃油箱时，它将空气中的氧气通过排气管排出燃油，使得燃油箱中出现惰性状态。当油箱中的平均氧气浓度达到以下要求时，油箱被认定为惰性状态：

①海拔低于3048 m（10000.18 ft）時，氧气浓度低于12%;

②海拔从3048 m（10000.18 ft）至12192 m（40000.73 ft）时，氧气浓度上限为12%至14.5%线性直线，如图2所示;

③或在高于12192 m（40000.73 ft）高度时小于或等于其线性外推值。

两个系统分别有自己的核心计算机——IGGS控制组件（IGGS Controller Unit，ICU）和CSAS控制组件（CSAS Controller Unit，CCU），它们之间有数据交互接口。同时也单独监控环境温度，一旦一个检测到不正确的信息，FTIS将停止工作。

飞机在巡航阶段，ICU监控IGGS，当探测到故障时，与系统内部存储的正常逻辑比较，判断空气分离器（Air Separation Module，ASM）是否工作正常。当探测到ASM不正常工作三次或以上，ICU发送故障信息给CCU，CCU再给CFDIU一个ECAM警告，以便维护使用。

1.2 主要部件

本节介绍IGGS系统的主要部件。除了ICU，检查活门，油箱安装座之外，其余部件都依托在一个托架上。如图3示，该托架安装在机身左侧空调组件区域非增压的机腹整流罩内。

该组件核心部件是ASM，它内部包含成百上千个十分细小的空心纤维，用来分离空气中的氧气和氮气。部件共有3个接口：空气入口，富氧出口和富氮出口。

从CSAS来的引气在进入ASM之前，首先要经过一个空气过滤器（D-ULPA Filter），该过滤器能保障清洁的空气进入ASM中而避免ASM被污染。同时过滤器还有一个温度隔离的机制，确保进入ASM的空气温度要大于54℃。

之后再经过由ICU控制的隔离活门（Isolation Valve），当隔离活门满足以下两个条件时就会关闭：①气流的压力小于15 psi;②气流的温度高于85℃。隔离活门有一个用于故障诊断的机械式目视位置指示器和关闭位指示开关，以便于ICU监测隔离活门的操作并帮助故障的檢测。

ASM产生的富氮气体再进入油箱之前，首先经过双流量关断活门（Dual Flow Shut-Off Valve，DFSOV）。该活门通常情况下是关闭状态，将IGGS与油箱隔离，其关闭的条件与隔离活门条件一致。ICU通过两个电磁阀操控DFSOV的打开来控制富氮流量的大小，其气体流量的大小有低/中/高三档。

在托架上一共有三个传感器，分为两类。一类是用于探测进入ASM之前的空气参数的压力传感器和温度传感器，它们将收集到的数据信号传送给ICU。第二类用于探测从ASM出来的富氮气体的氧气传感器，在每一次飞行的巡航阶段，该传感器测量富氮气体中的含氧量，将数据信号传送给ICU。同时，氧气传感器也给出富氮气体的压力信号以便于监视不正常情况。

1.3 系统控制

当飞机处在地面时，除非有维护需求，正常情况下FTIS系统是不工作的。在维护操作期间，有两种交互式自检模式：无引气自检和有引气自检。自检的引气可以来自辅助动力装置或者来自地面气源（通过空调组件1提供）。在飞行期间，FTIS系统的ICU在接受到CSAS的GO信号后自动开始工作。该情况的发生必须满足以下这些条件：

①引气可用，该引气可以通过1号发动机压力调节活门打开获得，或者通过2号发动机压力调节活门和交输活门同时打开获得;

②轮胎重量信号为FALSE，即起落架没有处在压缩状态;

③环境控制系统（Environmental Control System，ECS），空调组件1处在工作状态，流量控制活门没有完全关闭，或者空调组件2处在工作状态，流量控制活门没有完全关闭，组件1的按压开关处在OFF位，交输活门处在开位;

④IGGS没有处在锁定状态;

⑤IGGS的全温探测器所测量的温度低于47℃（116.60 deg.f）;

⑥传输速率处在慢速位;

⑦发动机1没有火情。

由于FTIS系统是自动工作，机组人员无法人工操作。如果上述①至⑦任一条件无法满足，系统将自动停止工作。ICU包含数字通道和模拟通道，模拟通道提供独立的超温停止，温度停止限制为瞬时90℃（194.00 deg.f）。数字通道控制系统以及停止功能，温度停止限制如下：

①IGGS温度高于66℃（150.80 deg.f），低于75℃（167.00 deg.f）。在这些条件下，如果IGGS以高流量运行，一分钟后它变为中流;如果IGGS以中流运行，一分钟后变为低流量;如果IGGS以低流量运行，则三分钟后停止。

②IGGS温度超过75℃（167.00 deg.f）和低于85℃（185.00 deg.f），两分钟后停止。

③IGGS温度为85℃（185.00 deg.f），压力阈值为60 psi（4.1369 bar）。

飞机必须在地面上才能进行数字和模拟通道复位。数字锁存器重置发生在自检以后，模拟锁存器重置发生在电源重启。ICU控制和监控IGGS系统，并执行自检功能以便监控系统健康。

2  故障分析及处理

2.1 故障分析

根据统计，在2018年度期间，某基地A320系列飞机关于惰性气体系统故障共计发生11例。现把故障进行分类，方便于以后遇见类似故障进行快速辨别，建立排故方案。

第一类，部件类故障。该类故障的原因是由于某一个部件的失效导致整个系统的故障。有故障历史的部件有：ICU，温度传感器，过滤器，隔离活门，氧气传感器和ASM。该类故障较易处理，只需做无引气测试，根据故障信息更换相应的部件。

第二类，性能降级类故障。该类故障原因是因为ASM氮气供应不足导致的性能下降。而氮气供应不足可能由多种原因造成：①ASM部件故障，使得无法从空气中分离出足够的氮气，进而导致氮气供应不足。②管路渗漏。管路渗漏会导致气流压力不足。管路的渗漏不仅仅包括ASM管路的渗漏，甚至包括CSAS系统里的管路。

2.2 排故方案

针对第一类故障的方案一：

①首先可以对系统进行复位，再进行无引气测试系统，确认是否为真故障。

②根据测试反馈的故障信息，拆换相应的部件。有时在不确定该部件是否工作正常的时候，需要与其他飞机进行串件来验证。

③在更换传感器时，可能故障依旧存在，这时需要考虑更换ICU。

④完成更换后，需要再进行系统测试，并跟踪飞机状态，确保故障的排除。

针对第二类故障的方案二：

①首先进行带引气测试。

②在测试开始后，使用渗漏检测剂或者是肥皂水对整个组件进行渗漏检测。当发现渗漏时，及时对渗漏处进行适当的处理。

③如果没有发现渗漏，則更换ASM。

④在更换ASM更换后还没有显示故障排除，则需重新对管路进行更仔细的渗漏检测，同时要注意检查CSAS系统中的管路是否有渗漏。

⑤排除故障后，需要再进行系统测试，并跟踪飞机状态，确保故障的排除。

2.3 排故经验

整个排故过程中，最费时费力的是渗漏检测。在此有几个小提示：

①渗漏检测一定要在带引气的测试过程中进行，因为ASM在地面时是不工作的，只有在引气测试过程中，才会工作。一般测试过程大概维持3分钟，对于检测来说时间是不够的，因此需要多次测试，以保证有充足的时间对整个管路进行渗漏检测。

②重点检查各个管路之间的接口，在接口处会有紫色的卡子，特别是ASM两端的卡子，如果安装不当特别容易泄露。此前有过这样的实际案例。

③当出现性能降级的警告时，排故人员可以查询该飞机在近期间有没有做过空调方面的维护，有的话，也可以从空调舱入手检查渗漏。此处有实际案例，某架飞机的渗漏处就出在空调舱里的一根管路上，该管路在安装时由于不方便接近，没有正确的安装而漏气，从而导致了IGGS的性能降级。

3  总结

本文首先介绍了燃油箱惰性气体系统的原理和部件组成，通过对机队一整年的故障数据进行分析，总结归纳了针对该系统的维修方案。并在经验分享中，结合实例分析典型故障现象和处理方法。经实践表明，针对不同故障信息采用不同的检测和维修方法，节省了维修成本和时间，提高了航线的维修效率。

参考文献：

[1]管天麟.利用OBIGGS降低飞机燃油箱内水分[J].科技视界，2015（26）：97-98.

[2]李大海.浅谈民用飞机燃油箱点火源防护适航条款[J].科技视界，2017（07）：269-270.

[3]王国法.飞机燃油油箱氮气发生系统研究[J].山东工业技术，2013（11）：13-14.

[4]何勇，李超越.飞机燃油箱地面预洗涤技术理论研究[J].海军航空工程学院学报，2016，31（01）：95-100.

[5]金峙良，卞朋交，周佐俊.通气系统对直升机燃油箱惰化系统的影响[J].直升机技术，2016（02）：26-31.