飞机空中加油地面试验技术通用化改进

(成都飞机工业(集团)有限责任公司， 四川成都 610091)

引言

空中加油在现代军事活动中具有非常重要的战略地位，它能够增加受油机的航程，增大有效载荷，延长续航时间。为考核飞机空中受油系统功能、性能是否满足设计要求，在出厂前必须对飞机进行空中加油地面模拟试验，测试验证飞机的空中加油性能(加油时间、加油流量/压力)[1]。

1 试验相关要求及现状

空中加油地面试验要求在整个流量(包括零流量)范围内，空中加油接头入口处的燃油压力应调节到规定值[2-3]。目前，我国各主机厂主要利用地面燃油加油车加装转接装置后与飞机空中受油头对接这种形式来完成空中加油地面试验。

然而，传统的空中加油地面试验方式在机型兼容性及使用维护上均存在一定程度的不足。本研究旨在通过分析研究，提出一种可兼容多机型使用且更易于机务操作维护的空中加油地面试验技术方案。

2 传统试验方法简介

2.1 试验方式

如图1为传统的飞机空中加油地面试验形式，试验时机务人员的操作步骤如下：

(1) 首先完成空中加油地面试验组件供油端与试验架的对接；

(2) 将空中加油地面试验组件加油端与地面燃油加油车相连；

(3) 通过空中加油地面试验架完成加油管路与飞机空中受油头的对接；

(4) 启动加油车供油，进行空中加油地面模拟试验。

图1 传统的空中加油地面试验形式

试验过程中，燃油流动方向为：加油车→加油软管→空中加油地面试验组件→空中加油地面试验架→加油软管→空中加油头→飞机空中受油头→飞机加油总管→飞机油箱。

2.2 存在的问题

上述试验方法工装设备连接方便，操作简单，但存在如下弊端：

(1) 系统缺少回路，油液只能单一方向流动，无法进行自循环清洗及除水，油液污染度控制存在风险隐患；

(2) 受限于飞机燃油加油车固定的加油压力以及空中加油地面试验组件(工作原理如图2所示)不具备燃油增压、调压功能，传统试验方法存在加油压力固定、加油功能单一、自动化控制程度低、机型兼容性差的缺点。一旦遇到科研或其他特殊型号飞机空中加油压力、加油流量需求超出飞机燃油加油车的加油能力，则传统的空中加油地面试验方式无法满足试验要求，须新研空中加油压力匹配的地面设备来完成空中加油地面试验，这无疑增加了设备购买成本以及维护成本；

1.单向活门 2.流量计 3.压力表 4、5.手动球阀图2 空中加油地面试验组件工作原理图

(3) 空中加油地面试验组件在长期的使用维护过程中，供油管路上各成附件安装固定处极易发生密封件失效，从而导致频发漏油现象；

(4) 空中加油地面试验结束后，在拆卸管路时，由于加油管路里残留有余油，管路较重，给机务拆卸管路带来极大不便，同时也易造成坏境污染。

3 试验方法改进分析

围绕传统试验方法使用中暴露出来的问题，经分析，系统可作如下改进：

(1) 增加回路，构建系统闭环油路，在供油路上设置两级过滤装置，在回油路上增设除水过滤器，使系统具备自循环清洁、除水功能，系统油液清洁度可以得到充分保证；

(2) 优化改进油源端，使油源具备加油增压及调压功能，能按预设的要求输出一定压力和流量的燃油，以此提高自动化控制程度和机型兼容性；

(3) 增设管路余油抽除功能，在加油结束后对加油软管内余油进行抽除，以此减轻机务维护的工作负担。

此外，考虑到由于空中压力加油流量大，加油过程中流量的快速变化会导致压力的大幅波动，特别是加油过程中时，由于加油活门快速关闭，必然产生剧烈的压力冲击。压力冲击会引起强烈振动，极易导致系统管路、连接件等断裂，系统附件及密封装置损坏；冲击压力还会引起噪声、联接件松动、漏油等不良后果，造成系统工作不稳定。因此，关于空中加油地面试验组件供油路密封件高频失效问题应为压力加油冲击压力所致。

近些年来国内对空中加油系统以及液压流体管路系统的压力冲击开展了部分研究工作，魏映等[4]、李正祥等[5]分析了液压冲击的原因及危害后提出了预防液压冲击的措施，周瑞祥等[6]研究了飞机地面压力加油管路系统通向油箱的管路压力脉动问题，任伟等[7]研究了飞机压力加油过程冲击压力的周期性变化，李小刚等[8-9]对飞机空中加油系统压力冲击抑制优化进行了仿真分析，王佳等[10]、王成宾等[11]研究验证了蓄能器缓冲液压冲击的效果。

因此，为有效减少液压冲击所带来的危害，为系统增设蓄能器是很有必要的。

4 通用化改进情况

4.1 优化改进方案

通过上述分析，本研究提出一种集加油、增压、自循环、控制等多功能为一体，并可兼容多型飞机使用的高效率飞机空中加油地面试验技术方案。

如图3所示，系统增压、调压装置的核心部件由增压泵6、安全阀12和调压阀13构成：增压泵6为变量泵，由大功率变频电机5驱动，可根据不同工况的需要调节油泵转速，为系统提供不同的供油流量，满足不同机型的可调输出流量需求；安全阀12用于保证系统输出压力不会超过飞机受油口的安全压力值，安全阀设定好后，用安全螺母进行固定，防止由于抖动产生变化；调压阀13为电液比例溢流阀，其调定压力与输入电流成比例，系统根据操作人员预设的压力需求，将输入指令转换成电流信号实时调节阀的开度，从而调整加油流量，直至主油路压力达到预设值。

1、11.油箱 2、10单向活门 3.供油粗滤 4、21.进油取样阀5.电机 6.增压泵 7.手动球阀 8.补油箱 9.液位计 12.安全阀13.调压阀 14、19、20、22、26.电磁阀 15.除水过滤器16.抽油泵 17.流量计 18.供油精滤 23.压力计 24.压力指示器25.蓄能器 27.加油软管 28.抽油放气阀 29.加油接头图3 改进优化后的技术方案

系统采用旁路溢流的方法进行无级调压，可实现调压加油和定压加油，匹配不同机型空中加油地面试验加油压力的使用需求，大大提高了机型兼容性。溢流到调压支路的燃油进入补油箱，当补油箱装满后，后续的调压余油从补油箱的顶部排出，流经单向阀10后回油到主油箱。

系统通过集成PLC智能控制技术、触摸屏操作、传感器反馈技术，实现电子闭环自动控制。另外，系统设有手动控制方式，可作应急备份使用。

如图4所示，控制器通过接收来自控制面板上触摸屏或按键的输入指令以及传感器的反馈信号，通过逻辑分析、综合运算后，输出离散I/O量、D/A模拟量用于控制电机启停、阀门通断、压力阀开度、油泵转速等动作。运行过程中控制程序不断采集压力传感器信号、流量传感器等信号，在与系统预先设定的要求值进行比较后，实时输出相应的调整信号，使得系统值始终保持与预设值相同。

图4 电气控制原理框图

4.2 其他优化改进说明

(1) 系统具备自循环油路以及抽油回路，可进行加油前的自循环清洁、除水以及加油结束后对加油软管余油进行抽除；

(2) 在供油路上串入蓄能器25，消除试验过程中可能存在的液压冲击，设备使用寿命得到提升；

(3) 在补油箱的底部设置手动球阀7，便于在启动燃油增压泵时，对吸油管进行补油排气，防止燃油增压泵内进入大量的空气；

(4) 当空中加油头采用其他国际型号时，加油头与加油软管之间的机械接口具有防错措施[12]。此外，为保证空中加油头的快速更换，加油头与供油软管之间采用了快卸自封接头进行连接。

4.3 具体工作模式介绍

改进后，系统可分别实现自循环清洗、空中加油、余油抽除工作模式。

1) 自循环清洁、除水工作过程

在控制面板上启动“循环清洁”工作模式，自动控制程序自动断开电磁阀19、26，接通电磁阀14、20、22。燃油由油箱1抽出，经单向阀2，在供油粗滤3处过滤较大的杂质，经燃油增压泵6、流量计17后，在供油精滤18处过滤较小的杂质，然后过电磁阀20、电磁阀22，在除水过滤器15处进行除水后，经电磁阀14后回到油箱。在自循环一段时间后，可从取样阀4、21处取样化验，检查油液污染度是否达标。

2) 空中加油工作过程

系统自循环清洁、除水工作完毕后，经采样化验检查油液污染度合格后，可进行空中加油。

在控制面板上启动“空中加油”工作模式，自动控制程序自动断开电磁阀14、19、22，接通电磁阀20、26。燃油从油箱1抽出，经单向阀2、供油粗滤3，经燃油增压泵6增压，及调压阀13根据预设压力需求进行旁路调压后，流经流量计17、供油精滤18、电磁阀20、电磁阀26、加油软管27和空中加油头29，最后进入飞机。

3) 余油抽除工作过程

在空中加油地面试验结束后，为方便加油软管的拆卸，可对管路余油进行抽除，以减轻加油软管的重量。

首先，手动拧开空中加油头转接组件上的排气阀28，然后在控制面板上启动“余油抽除”工作模式，自动控制程序自动断开电磁阀14、20、22，接通电磁阀19、26，启动抽油泵16。加油软管内残余的燃油流经电磁阀26、电磁阀19、抽油泵16进入补油箱7，在补油箱装满油的情况，燃油经单向阀回到油箱内部。

5 实际应用情况

改进后的空中加油地面试验设备主要由油罐、显控系统(含增压调压组件、抽油组件和电气控制组件)、传感器系统、管道系统等部分组成。

设备采用分体固定式模块化设计，各模块组件独立安装固定。设备油罐组件安装于地下油库，受油组件安装于油库上前方，油罐组件通过埋于地下的不锈钢吸油管道与室内的增压调压组件、抽油组件连接。增压调压组件及设备其它部分安装于机库旁的设备间内，通过埋地管道与油罐组件连接。油罐主体采用双层304不锈钢材质结构，通过切割、折弯、焊接、打磨、清洗等工艺制造完成。油罐整体采用椭圆外形结构，加入适量加强钢梁，使油罐具有良好的压力承受能力。在油罐内部设置横向、纵向挡波板，用于防止油罐在移动或是供回液时产生较大的冲击。油罐底部两侧采用工字钢制成固定，用于安装时固定油罐，同时固定底座两侧开有叉车孔，方便使用叉车进行短距离移动。油罐两端设计有吊装吊耳，方便进行吊装作业。

增压调压组件主体采用钣金厢体进行覆盖，并开设维护保养舱门和进出油管孔。设备设置专用的防爆供电接头，电接头采用三相五线制接头形式。电动卷管器则设置在厢体外面，便于操作人员可直观的操作。在厢体内部铺设隔音棉，燃油泵底座安装减震块，降低噪声。

设备采用油、电隔离设计，防爆电气箱、系统电气控制部分与油路采用独立布置。防爆电机、传感器通过防爆电缆与电气控制部分连接，避免电气系统与油路系统混合布置产生的安全隐患。

设备所选器件(电机、防爆箱、油泵、球阀、传感器等)均为符合国家标准防爆等级产品。所有电子元件都安装于防爆控制箱内，防爆箱密封件、管道密封圈及系统减震垫都选用环保阻燃材料硅橡胶。系统电缆全部采用防火阻燃硅橡胶电缆，裸露部分全部采用防爆软管进行防护。

设备设置有专用静电接地电缆，各个模块组件采用全金属结构，与静电接地线可靠连接。加油软管采用金属纺织橡胶管，并可靠接地。

如图5所示，通过软件界面可选择工作模式；参数更改设置则具备密码保护锁定功能，如图6所示。

图5 控制面板初始界面 图6 密码确认界面

控制面板能实时显示供油压力、流量、电压、液位、报警信息、污染度等关键参数，同时显示过滤器压差状态、系统告警灯信息，并提供即时声光警报信号。控制面板操作简单方便，系统调节响应迅速准确，能按预设的要求进行供输油。另外，设置有紧急停止按钮，紧急情况时能够快速停止系统运行。

系统具备逻辑控制、参数监控、数据采集、记录储存、实时报警等功能，并可通过预留标准数据传输端口进行数据上传、下载。

6 结论

基于传统空中加油地面试验存在的不足，本研究以问题为导向开展研究分析，对飞机空中加油地面试验技术方案进行了改进。

改进后空中加油地面试验设备具有如下优势：

具备自循环清洗功能，试验设备的油液污染度得到充分保证；在设备加油能力允许范围内实现无级调压，可以满足不同空中加油压力、流量需求的机型完成空中加油地面试验，实现兼容多机型使用的目标；对控制系统进行自动化升级后，实现设备操控智能化，提升了工作效率；试验结束后的余油抽除功能则可以有效减轻机务工作者拆卸管路的工作负担。

因此，本次飞机空中加油地面试验技术通用化改进是完全可行的。