民航客机引气污染物采样与数据分析

杨晓军 刘文博 常嘉文

摘要：本文首先简要介绍了当前国内适航规章的要求以及潜在的引气污染物种类，随后对采样与测试过程中发动机与辅助动力装置（APU）的工况设定、采样注意事项以及各种污染物的分析方法等方面展开详细说明。同时，汇总了当前各类污染物在各种环境下的含量，对比了客舱与室内、引气出口与室内污染物的含量差异，并分析了滑油泄漏对引气空气质量的影响，结果表明，此采样与分析方法存在一定的有效性，引气污染事故的发生使得客舱环境的空气质量急剧下降，此外，滑油的泄漏是引气事故发生应当考虑的因素。

关键词：飞机客舱；引气；空气污染；采样与分析；空气质量

中图分类号：V216文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.002

作为一种快捷、便利的交通工具，飞机出行已经逐渐影响到人们的生活。在飞行过程中，乘客呼吸的新鲜空气主要来源于飞机引气系统，一旦引气系统故障，将大大影响乘客出行的舒适度。然而现代飞机装备结构愈加复杂，综合化、电子化程度越来越高，必将带来可靠性、安全性等问题[1]。据统计，每1000架次飞机大约有3.9架次发生座舱引气污染事件[2]。引气污染事件的发生也会对航空公司造成巨大经济损失，据估计[3]，2012年因报告事故造成的飞行运营总财务损失在450～700万美元之间，每次事件的平均财务损失约为3.2～4.7万美元。

因此，当今对于机舱污染物的研究是一个十分重要的举措。针对飞机机舱空氣质量这一问题，美国汽车工程师学会（SAE）、世界卫生组织（WTO）等许多机构进行相关的探索与研究。SAE的客舱空气测试委员会（AC-9M）和飞机发动机燃气与颗粒物排放测试委员会（E31）长期以来关注客舱空气质量问题，其中AC-9M委员会专注于开发传感器的技术标准，这些传感器将能够检测和记录机舱空气中的化合物；E31委员会主要开发飞机动力装置排放物测量标准，它旨在发动机交付或者安装之前，对发动机以及辅助动力装置（APU）进行测试，来量化标志化合物的浓度。本文将对E31委员会的采样测试程序进行描述，总结测试结果，汇总现存的污染物数据并进行对比，对飞机空气质量进行总结性说明，从而为客舱引气污染物的测试提供一定的帮助。

1潜在污染物及其采样与测试程序

1.1国内适航规章要求以及潜在污染物

民用航空安全是民机产业的生命线[4]，如果发生飞行事故，不仅会造成不同程度的直接损失，还会造成严重的间接损失，导致社会公众对航空安全的信任度降低，影响民机产业的发展。关于客舱环境，中国民航规章（CCAR）25部第831条[5]中要求：在正常操作情况下和任何系统发生可能的失效而对通风产生有害影响条件下，通风系统都必须能提供足量的未被污染的空气，从而使得机组成员能正常完成其职责，此外还需向旅客提供合理的舒适性。此条款中还要求，飞行期间客舱内部二氧化碳（CO2）浓度不得超过0.5%体积含量（海平面当量），一氧化碳（CO）在空气中的浓度不得超过1/20000。此外CCAR 25部832条还对座舱环境中的臭氧浓度做出了要求：当飞行高度大于9750m时，臭氧浓度不得超过0.25/1000000体积含量；当飞行高度大于8230m的任何3h期间，不得超过0.1/1000000体积含量（海平面当量时间加权平均值）。

然而引气污染物并非只有上述几种，从1991年1月到2008年11月期间，根据美国联邦航空局（FAA）使用困难报告系统（FAA SDR）所审查的数据表示[6]，引气事故的原因多为燃油、滑油以及液压油的泄漏，这些物质在高温环境下会发生热解，从而产生挥发性污染物，目前已知的引气污染物除了CO和CO2外还可能有乙醛、甲醛、丙烯醛、甲苯这几种有害物质。以乙醛和甲醛为例，乙醛[7]对人体健康的影响包括头痛、呕吐、眼睛刺激，对皮肤、喉咙和呼吸道有负面影响；甲醛[8]会使得喉咙干燥甚至头痛，严重则会影响怀孕，甚至引发支气管哮喘等症状。

总的来说，这些物质无疑会对人体健康造成不良影响，因此对于污染物的采样以及测试就显得尤为重要，关于污染物的采样以及测试如下文所述。

1.2发动机和APU的工况要求

测试过程中须将发动机安装在测试台上，采样过程中需要对环境空气和引气采样，将发动机引气出口的污染物浓度减去进口的浓度，从而获得真实数据。在进行此过程时需要使用到实时分析仪记录发动机的工况，由于发动机的运行成本过于昂贵，记录所有的工况并不现实，因此主要选择了如下稳定工况，分别是：（1）带有高压引气的慢车运行；（2）高压转换到低压引气之前的条件；（3）高压转换到低压引气之后的条件；（4）在高功率条件下（如高度巡航）选择低压引气。

APU的测试主要是当工况稳定在环境控制系统（ECS）最大流量设置条件下开展的。

当发动机和APU达到上述稳定条件时，则开始进行采样程序。选择稳定工况的目的是使得测试条件更接近真实情况，从而使得所得数据有更好的说服力。

1.3污染物的采样分析

对于乙醛和甲醛的测试[9]，采用批量采样，其中在合理的时间内通过2，4-二硝基苯肼（DNPH）的流量为1～2slpm（标准公升每分钟流量值）。SAE对乙醛和甲醛进行了三组试验，其中第一组过滤的样品体积为33L，第二组和第三组过滤的体积为50L。

分析过程中SAE参考了美国环境保护署TO-11A中的高效液相色谱（DNPH-HPLC）方法，针对醛类物质，在分析过程中需要使用乙腈和水制备带有线性梯度的HPLC流动相，随后需要对其进行过滤、脱气以及放气，最终将带有线性梯度的流动相配合使用检测仪器相可以分析出甲醛和乙醛含量。

对丙烯醛和甲苯，同样采用了批量采样，从体积为1～ 6L的钝化的不锈钢罐当中提取1L的样品，在此过程当中流速必须匹配。最后使用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）对样品进行分析。加热/冷却GC柱箱和低温或吸附捕集器到达它们的设定值，开始收集样品。

使用气密注射器或者其他代替方法在收集样品期间加入内标，标准值为10ppbV（十亿分之一的体积比），即将0.5mL、浓度为10ppmV（百万分之一的体积比）的内标化合物混合物加入到500mL的样品当中，则样品中每个内标为10ppbV。将样品注入色谱柱后，将运行GC / MS系统，以使MS扫描原子质量范围为35～300amu。每个洗脱色谱峰至少要进行10次扫描，分析丙烯醛和甲苯含量。

针对CO和CO2，采用实时分析的方法，主要使用了非色散红外（NDIR），它的工作原理是吸收特定于样品中特定的气体成分的红外辐射。CO、CO2等气体在红外波段都有自己的特征吸收带，特征吸收带具有可鉴别性，通过测量在特征吸收带对红外能量的吸收，可以反映出气体的浓度大小。

对CO和CO2典型的测试方法是：提前为要测试的发动机设计好测试程序，确定好它的稳定特性模式，并采取适当的预防措施以留出足够的时间进行稳定，之后则可以向分析仪输送样品；其次，发动机和分析仪稳定之后应当对数据进行记录。

在测试过程当中，应当经常检查每个分析仪的零位和跨度，每两次之间的时间间隔不得超过1h。调整方式视情况而定，如果任何检测仪器的读数与之前检查相比变化不到满量程的±2%，根据需要调整分析仪，并记录新调整的零位和跨度；如果任检测仪器的读数与之前的检查相比变化超过满量程的±2%，则调整分析仪，记录新调整的零和跨度，然后重新运行该部分测试。另外，在测试结束时，还要检查并记录每个分析仪的零位和跨度。

1.4采样注意事项

发动机引气样品将通过安装在引气管中心线中的采样探头获得，探头的材料不能与样品发生反应。样品应通过不锈钢、碳载聚四氟乙烯（PTFE）或其他非反应性材料的采样管从探头转移到分析仪。样品传输硬件应能够在实际时间内，在特定测试方法要求的输送压力和温度下提供足够数量的样品。在运输过程中，样品温度应始终保持在露点以上。采样管应保持尽可能短，以减少样品停留时间。对于测试报告，如果同时进行实时和批次采样，则应在相同的时间间隔内对从实时分析仪记录的数据取平均值；如果实时测量和批量采样需要顺序采样，则实时测量至少应在5min内取平均值。

此外，由于所采集的大多数样品要等到测试后才能进行分析，因此，如果采样系统被碳氢化合物高度污染，则可能会使得所得数据无效。因此，采取一些必要的措施降低这种潜在的风险是十分有必要的，主要有以下两种方式：（1）使用干净的排气和入口样品传输空气管线；（2）使用碳氢化合物分析仪（如具有适当灵敏度的火焰离子化检测仪（FID））来测量样品传输和进气管线，其中零级空气流过整个样品部分。如果从任一管线排出的空气中C1含量大于1.0ppmV，则应调查原因并采取适当措施。这虽然不能保证系统不会受到污染，但可以在测试之前，可以得出采样管受污染的严重程度。

2数据分析

2.1机舱与室内污染物浓度对比

经过上述的采样和测试程序之后，最终得出了各个污染物的检测极限（LOD）和定量极限（LOQ）见表1。其中LOD和LOQ是用于描述可通过分析程序可靠测量的最小被测量物浓度的术语。LOD指的是检测可行的最小浓度。LOQ也是指最小浓度，不过在该最低浓度下不仅可以可靠地检测到分析物，而且可以满足某些预定义的偏差和不精确度。另外LOQ可能等于LOD，也可能大于LOD[10]。

关于机舱内部的空气质量，欧洲航空安全局（EASA）对长途、短途飞行的飞机机舱和驾驶舱内的空气进行了采样分析。测试数据表明在大部分的情况下，驾驶舱和座艙内部不会有甲醛、乙醛、甲苯、丙烯醛这几种污染物。但是在滑行、起飞/爬升、降落/着陆过程中乙醛、甲醛、丙烯醛这三种物质的含量显著上升，如图1所示，其中，LBNL为室内平均值，EPA为办公室平均值。并且滑行过程中乙醛和甲醛这两种污染物的含量较高，但是污染物浓度并未超过室内的污染物平均含量，因此在大部分情况下不会影响到人体健康。

美国暖通空调工程师协会（ASHRAE）收集了飞机在爬升、巡航以及降落这三个环节中引气污染物的最大值，详细数据见表2。

通过对比可以发现巡航过程中乙醛的含量有一定的上升，其余污染物的含量均小于室内和办公室对应污染物的平均值。另一方面，起飞过程中，乙醛的含量也显著上升，而且远高于室内和办公室乙醛的平均值，这可能是由于起飞过程中发动机的功率很大造成的，其余污染物含量与巡航过程一样小于室内和办公室的含量。另外，降落过程中乙醛和甲苯的浓度也显著上升，并且甲苯的含量远远高于室内和办公室的平均浓度。

此外不同机型飞行过程中污染物的含量也有所差异，图2展示了三种机型在飞行过程中舱内的污染物浓度，从平均值角度来看，舱内污染物浓度均小于室内浓度，但需要引起注意的是机舱内部污染物浓度的最大值比室内污染物浓度的平均值大得多，这种情况下污染物含量过高，极有可能导致机舱空气污染事故的发生，对人体健康造成威胁。

2.2引气与室内环境的对比

关于飞机发动机引气污染物测量[11]，FOX报告了从1997年至2011年，一家制造发动机和APU的制造商的测试数据，进行测试的对象中有一些因质量问题而被退回的发动机和APU，并且在测试过程中针对污染物的数据进行了收集。此外SAE E31参考了劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）和美国环境保护局（EPA）对室内和办公室相关污染物的测量数据，最终将测试数据和室内污染物中乙醛、丙烯醛、甲醛、甲苯、CO这几种物质的数据进行了汇总。

圖3～图6分别展示了乙醛、甲醛、甲苯和CO在不同环境的浓度对比图，从中可知在各百分数下乙醛、甲醛和甲苯这三种物质的浓度都要小于室内和办公室的浓度，CO在30%～75%内浓度高于室内的含量。此外，将图3～图6与表1结合可以发现，各污染物的浓度含量在超过一定百分数后会大于检测极限和定量极限，有些甚至在全百分数范围内大于检测极限LOD，进而也说明了SAE E31对于各种污染物采样与分析方法的有效性。

2.3滑油泄漏对引气空气质量的影响

发动机的滑油的泄漏往往会导致引气污染事故的发生，为探究滑油泄漏对引气质量的影响，NASA在高温和低温环境下针对预冷室和组件出口有无滑油的泄漏进行了试验，其中有滑油泄漏试验的滑油流量为1200g/h，所得数据见表3，其中甲苯和CO2未测得数据。

从表3可以得知，当出现滑油泄漏时，引气污染物的含量会显著上升，并且无论是在高温还是在低温，只要有滑油泄漏，甲醛、乙醛的含量会显著上升；丙烯醛在低温下的变化不明显，但是在高温环境下注入滑油，其含量也显著上升；在高温环境下，滑油的泄漏也会使得CO的含量有所上升。

总而言之，高温环境下滑油的泄漏会使污染物的含量大幅度上升，会增大引气污染事故发生的风险。

3结论

近年来，飞机机舱内部的空气质量问题一直是一个备受关注的问题，频频发生的机舱污染事件，使得对机舱内部空气质量的研究迫在眉睫。通过研究，可以得到以下结论：

（1）对比了机舱和室内污染物数据，发现在大部分情况下，机舱内污染物均小于室内的含量，但是机舱污染物浓度最大值含量远大于室内的含量。

（2）分析了室内和引气污染物的浓度，得出除了CO、其他污染物在一定百分位范围内引气污染物含量均小于室内含量，且所测得的引气数据基本大于LOD，在一定百分比范围内大于LOQ，验证了分析方法的有效性。

（3）高温的环境下滑油的泄漏确实会使引气污染物的浓度显著上升，增大引气事故发生的可能性。

参考文献

[1]王洁，周鑫，李元祥.飞机供电系统健康管理技术研究[J].航空科学技术， 2019， 30（11）： 57-61. Wang Jie， Zhou Xin， Li Yuanxiang. Research of the health management for the aircraft power supply system[J]. Aeronautical Science & Technology，2019， 30（11）： 57-61. （in Chinese）

[2]Council N R. The airliner cabin environment and the health of passengers and crew[M]. Washington，D C：The National Academies Press，2002.

[3]Shehadi M，Jones B，Hosni M. Bleed air contamination financial related costs on board commercial flights[J]. SAE International Journal ofAerospace，2015，8：310-315.

[4]石鹏飞，张航，陈洁.先进民机飞控系统安全性设计考虑[J].航空科学技术， 2019， 30（12）： 52-58. Shi Pengfei， Zhang Hang， Chen Jie. Safety design considerations for advanced civil aircraft flight control system[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（12）： 52-58.（in Chinese）

[5]CCAR-25-R4运输类飞机适航标准[S].中国民用航空局， 2011. CCAR-25-R4Airworthiness standards for transport aircraft[S]. CivilAvationAdministration of China，2011. （in Chinese）

[6]Overfelt R，Jones B，Loo S，et al. Sensors and prognostics to mitigate bleed air contamination events：progress report[R]. RITE-ACER-CoE-2012-05，2012.

[7]Kanjanasiranont N，Prueksasit T，Morknoy D，et al. Inhalation exposure and health risk levels to Btex and carbonyl compounds of traffic policeman working in the inner city of Bangkok，Thailand[J]. Atmospheric Environment，2017，152：111-120.

[8]Barkhordari A，Azari M R，Zendehdel R，et al. Analysis of formaldehyde and acrolein in the aqueous samples using a novel needle trap device containing nanoporous silica aerogel sorbent[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2017，189（4）：171.

[9]ARP4418B. Procedure for sampling and measurement of aircraft propulsion engine and APU generated contaminants in bleed air[S].USA：SAE E31，2018.

[10]Armbruster D A，Pry T. Limit of blank，limit of detection and limit of quantitation[J]. Clin Biochem Rev，2008，29（Suppl 1）：S49-S52.

[11]AIR7521.Measurementdataandreferencevaluesfor compounds potentially found in aircraft engine bleed air[S]. USA：SAE E31，2018.

作者簡介

杨晓军（1980-）男，博士，教授。主要研究方向：发动机内部复杂流动与换热，发动机排放。

Tel：022-24092415

E-mail：xiaojunyoung@hotmail.com

刘文博（1997-）男，硕士研究生。主要研究方向：民航客机引气污染物分析。

E-mail：2019012090@cauc.edu.cn

常嘉文（1991-）男，硕士研究生。主要研究方向：航空发动机颗粒物排放。

E-mail：924253094@qq.com

Sampling and Data Analysis on Bleed Air Contaminations from Civil Aircraft

Yang Xiaojun*，Liu Wenbo，Chang Jiawen

Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： This paper first briefly introduces the current domestic airworthiness regulations and the types of potential bleed air pollutants. Subsequently， a detailed description of the engine and APU operating condition settings， sampling precautions， and analysis methods of various pollutants during the sampling and testing process are described in detail. At the same time， it summarizes the current levels of various pollutants in various environments， compares the differences in the levels of pollutants between the cabin and the room， the bleed air outlet and the indoor pollutants， and analyzes the impact of oil leakage on bleed air quality. The results show that this sampling and analysis method has certain validity. The occurrence of bleed air pollution accidents makes the air quality of the cabin environment drop sharply. In addition， the leakage of lubricating oil is a factor that should be considered in the occurrence of bleed air accidents.

Key Words： aircraft cabin； bleed air； air contamination； sampling and analysis； air quality