直升机坠毁后燃油系统对燃油的包容性研究

袁斐 杜荣超 蒋佳峻

摘   要：本文首先从油箱部分和油箱外管路部分两方面对燃油系统可能的泄漏源进行了分析。针对这些泄漏源，基于直升机可生存坠毁条件对燃油系统进行抗坠毁设计，从系统级和部件级列出了需要完成的抗坠毁试验项目。最后给出燃油包容性的评估方法，通过该方法对燃油系统各部件的抗坠毁特性进行评估，以期最大程度地利用当前先进的抗坠毁技术。

关键词：燃油系统  抗坠毁技术  燃油包容性

中图分类号：TP273                                 文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0006-03

Abstract： This article first analyzes possible leakage sources from two aspects of fuel tanks and external lines in the fuel system. For these leakage sources， the crash resistant fuel system is design based on the survival crash condition. The crash resistant test items to be completed are listed from the system level and component level. Finally， the evaluation method of fuel containment is given， by which the components crash resistant characteristics are evaluated， to maximize the use current advanced crash resistant technology.

Key Words： Fuel System; Crash Resistant Technology; Fuel Containment

直升机坠毁事故表明对于机上人员生存影响最大的因素就是因燃油泄漏而引发的火灾。在直升机坠毁后，从燃油系统中泄漏的燃油油气会包围在直升机周围。当遇到火花或其他点燃源如热表面、其他可燃液体燃烧的火焰，油气在0.6s内会被点燃。受燃烧的油气膨胀加速火焰蔓延速度可达到45ft/s。同时低挥发性燃油并不能防止燃油被点燃。因此，直升机坠毁后燃油系统对燃油的包容是减少火灾的关键，必须防止燃油泄漏。本文基于直升机在可生存撞击坠毁条件下对燃油系统内燃油的包容性进行研究。

1  泄漏源分析

直升机燃油系统一般包括储油系统、供油系统、输油系统、油箱通气系统、压力加油系统以及油量测量系统。从燃油的包容性方面考虑，可分为油箱部分及油箱外管路部分，如图1所示。

1.1 油箱部分

油箱部分包括影响油箱完整性的所有部件，包括油箱之间的连通接头、通气管路接头、供油管路接头、加油管路接头、各设备的安装接口以及油箱内部设备。在直升机坠毁后，油箱部分可能的泄漏源包括：

油箱箱体受燃油冲击被撕裂，也可能被周围结构尖边刺穿或被油箱内部设备如油量传感器刺穿，燃油泄漏;

油箱接头与周围结构存在相对位移，接头与油箱本体结合面出现漏油;

油箱下部放泄阀受到地面撞击后，阀门打开，燃油从阀门流出;

油箱下部设备受到撞击后，安装法兰破裂。

1.2 油箱外管路部分

油箱外部管路包括供油管路、通气管路以及压力加油管路及其上的设备。可能的渗漏源包括：

管路受周围结构的挤压或切割出现破损，燃油泄漏;

管接头与周围结构之间存在相对位移，管接头从管体上被拉脱出现漏油;

在受到撞击后发动机脱离机体，与之相连的供油管路受到拉扯而损坏;

安装在管路上的设备与结构一起移动，与之连接的管路受到拉扯而损坏;

直升机发生侧翻，油箱中的燃油从通气管路中流出。

2  防止燃油泄漏的措施

2.1 燃油系统抗坠毁设计

为保证直升机在坠毁后燃油能包容在系统中，燃油系统应采用抗坠毁设计技术。

（1）燃油箱。

当今现役直升机安装的燃油箱有橡胶软油箱、金属油箱、尼龙油箱等。然而直升机可生存撞击试验表明金属油箱和尼龙油箱在受到撞击后易于撕裂或被刺穿，而满足MIL-T-27422B抗坠毁标准要求的橡胶软油箱能够满足燃油的包容要求。对于民用直升机，燃油箱也可按照TSO-C80、CCAR29.952及CCAR29.963要求进行研制。软油箱与油箱舱之间不能存在硬连接，油箱侧壁可采用尼龙搭扣固定，顶部利用挂绳悬挂在油箱舱结构上。油箱接头具有变形补偿功能，以便补偿周围结构与油箱之间存在的相对位移，防止油箱接头从油箱壁上撕裂。油箱安装采用易断连接，如易断螺栓、易断片等，在直升机坠毁时，易断片断裂，油箱与结构脱离，防止油箱被结构撕裂。图2是某型直升机油箱下部连接，在受到撞击后，易断连接件断裂，附件安装板与油箱一起向上移动，与结构分离。

（2）燃油管路及接头。

燃油系统管路采用抗坠毁柔性软管，尽量布置在机身主要承力结构附近，同时可对周围结构的变形提供长度补偿。在进行软管布置时，可预留20%～30%的长度，且软管自身也可实现拉长20%而无燃油泄漏。在直升机撞击时，管路与油箱以及管路与管路之间存在比较危险的相对运动，则在这些部位需要安装易断自封阀，阀脱开后每一侧的燃油泄漏量不大于5滴/min。管路在结构上的固定采用易碎卡箍，以便结构变形时管路与结构分离。

（3）燃油系统设备。

与燃油包容性关系较密切的设备主要有燃油泵、放泄阀、油量传感器以及通气阀等。

燃油泵通常安装在油箱底部，燃油泵的安装必须具有足够的强度;

放泄阀放泄口能够得到有效保护，防止坠毁时直接触碰地面从而打开阀门;

油量传感器采用易断设计，受到撞击后能够自行折断，防止刺破油箱;

安装油箱通气阀，以便在直升机发生侧翻时防止油箱中燃油从通气口溢出。

2.2 试验验证

为了验证燃油系统在可生存撞击条件下坠毁时燃油能够包容在系统中，对燃油系统进行抗坠毁试验。试验通常按系统级和部件级分别进行。

（1）系统级试验。

对军机而言，油箱系统连同周围结构须按照MIL-T-27422B进行全尺寸油箱坠落试验，坠落高度65ft;对民机而言，坠落试验须满足CCAR29.952条要求，坠落高度50ft。军、民用直升机使用环境不同，则坠落试验高度不同，更主要的是由于民机缺少足够的坠毁事故调查数据来确定更高的坠落高度。

坠落试验成功的唯一判据是无泄漏，从而表明坠毁后能够包容燃油，即使油箱内部设备损坏，油箱舱结构破裂。圖3（a）为某型机油箱坠落试验后油箱舱复材壁板破损，图3（b）为油箱内部油量传感器断裂，但系统无泄漏，通过坠落试验。

（2）部件级试验。

针对燃油包容性所进行的部件级试验项目见表1。诸如燃油泵、放泄阀等设备通常随油箱系统一起进行试验。

3  燃油包容性评估

在燃油系统设计阶段应对燃油的包容性进行评估，主要评估系统中各部件抗坠毁特性，从而保证在直升机坠毁后其对燃油的包容性。评估可采用评分法从以下3个方面进行：（1）在直升机坠毁后对燃油包容性的影响程度;（2）燃油系统部件所能利用的抗坠毁技术水平;（3）抗坠毁技术在燃油系统部件中的落实程度。上述3个方面分别对应表2中的A、B、C项，每一项按1～5分进行打分。A项中的5分表明该部件对于坠毁后燃油能否被有效包容影响最大，在设计过程中需要重点关注，1分基本无影响。B项中的5分表明当前该部件已经具有较好的抗坠毁技术水平，1分完全不具有抗坠毁性，需要重新设计。C项中的5分表明该产品已经较好地落实了当前的抗坠毁技术水平，1分未落实。

通过评估，有助于改进设计以提高燃油系统对燃油的包容性。表中软油箱对燃油的包容性评分为5分，并且所能利用的抗坠毁技术水平为5分，即油箱可采用抗坠毁软油箱，但其落实水平仅3分，表明油箱抗坠毁技术并未落实到当前的油箱设计中，需要对燃油箱进行设计更改。

对于燃油系统部件的评估除分析其自身的固有设计特性外，还需要考虑安装位置。如在可预期的坠毁条件下，能够表明加油接头周围的结构不会发生变形，则加油接头可赋予低分。

4  结语

在直升机可生存的撞击坠毁条件下，采用抗坠毁燃油系统能够很好地解决坠毁后燃油的包容性问题，能够最大限度地避免燃油泄漏。利用评分法对燃油系统的包容性进行评估，有助于燃油系统采用当前最新的抗坠毁技术。

参考文献

[1] 运输类旋翼航空器适航规定：CCAR-29-R1[S].2002.

[2] Advisory Circular， Certification of transport category rotorcraft ：AC29-2C [S]. Washington， D.C.： FAA， 2014.

[3] Roy G. Fox. Realistic Civil Helicopter Crash Safety， Crashworthy Design of Rotorcraft[R]. Atlanta，Georgia： Gerogia Institute of Technology， April 1986.

[4] H.P.Scheuerman. Crash Resistant Fuel Systems Demonstrations and Evaluation. Report： No. FAA-RD-71-27[R]. Atlantic City， New Jersey： National Aviation Facilities Experimental Center， August 1971.

[5] Richard L.Boitnott， Akif O.Bolukbasi， Sotiris Kellas. Helicopter Fuel Bladder Drop Tests and Analyses[R]. Washington， D.C.： American Helicopter Society， May 1994.