何　勇，李超越

（1.海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室；2.南京航空航天大學(xué)，南京210016）

飛機(jī)燃油箱地面預(yù)洗滌技術(shù)理論研究

何勇1，李超越2

（1.海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室；2.南京航空航天大學(xué)，南京210016）

基于氧氮質(zhì)量守恒關(guān)系，建立了飛機(jī)燃油箱爬升過(guò)程中氣相空間、燃油中平衡氧濃度及地面預(yù)洗滌的數(shù)學(xué)模型，并采用微元段法對(duì)其進(jìn)行了求解。計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)采用富氮?dú)怏w進(jìn)行地面預(yù)洗滌后時(shí)達(dá)到的平衡濃度越低，則可達(dá)到的安全巡航高度越高。由于爬升過(guò)程中逸出的氧氣很多會(huì)排出燃油箱外，因而地面預(yù)洗滌時(shí)，并不需要將燃油中氧質(zhì)量濃度降低至安全氣相濃度所對(duì)應(yīng)極限質(zhì)量濃度，且飛機(jī)燃油箱中的初始載油率對(duì)洗滌后的氧質(zhì)量濃度有直接要求，當(dāng)載油率越高，需要將燃油中的氧質(zhì)量濃度洗滌的越低。計(jì)算還顯示，在地面洗滌時(shí)，油罐中的油量也對(duì)換氣次數(shù)有直接影響。通過(guò)選擇合適濃度的富氮?dú)怏w在地面預(yù)洗滌燃油箱，可保證飛機(jī)在巡航高度下氧濃度在安全范圍內(nèi)，但是會(huì)在一定程度上增加設(shè)備的初投資費(fèi)用。文章的研究結(jié)果可為燃油地面預(yù)洗滌的工程設(shè)計(jì)奠定初步的理論基礎(chǔ)

燃油箱；洗滌；氧濃度；惰化

近50年的空難數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)燃油箱的燃燒爆炸已成為飛機(jī)失事的重要因素。因此，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)就著手進(jìn)行了燃油箱惰化技術(shù)的研究，以減少飛機(jī)燃油箱燃爆事故的發(fā)生[1-2]。隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目的投產(chǎn)和新型戰(zhàn)機(jī)的研制，國(guó)內(nèi)近年來(lái)也對(duì)燃油箱惰化技術(shù)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究[3-4]。

油箱惰化技術(shù)可分為被動(dòng)式防火抑爆措施、主動(dòng)式防火抑爆措施2類(lèi)[5]。被動(dòng)式防火抑爆措施主要通過(guò)填充抑爆泡沫，將油箱內(nèi)混合氣體的燃燒控制在局部，即油箱在某一部分發(fā)生燃燒情況后，可抑制燃燒的蔓延，防止油箱內(nèi)氣體壓力超過(guò)承載限度造成爆炸。而主動(dòng)式防火抑爆措施則通過(guò)某種技術(shù)降低油箱上部氣相空間氧濃度，使其在遭遇點(diǎn)火源的情況下，因無(wú)充足的氧氣而無(wú)法燃燒。機(jī)載制氮惰化技術(shù)是目前最為流行的一種防火抑爆技術(shù)[6-9]，但是其尺寸、重量較大，特別是需要在飛機(jī)上進(jìn)行復(fù)雜的管路布置，因而大大增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

因此，另外一種設(shè)計(jì)思路就是在地面將燃油箱中的氧氣濃度預(yù)先降低至一定的濃度，從而簡(jiǎn)化機(jī)載惰化系統(tǒng)中的管路設(shè)計(jì)。但是由于燃油中溶解了大量的氧氣，隨著飛機(jī)爬升，環(huán)境壓力逐漸降低，溶解氧氮?dú)怏w會(huì)從燃油中逸出或向燃油中溶解，因而僅僅處理燃油箱上部氣相空間遠(yuǎn)不能滿足要求，需要將燃油在地面進(jìn)行預(yù)先洗滌，即將富氮?dú)怏w通入燃油中，從而置換出溶解的氧氣，這樣飛機(jī)在爬升過(guò)程中，所逸出的氧氣量大大降低，從而保證油箱上部氣相空間氧濃度不會(huì)超標(biāo)。文獻(xiàn)[10]提出了地面預(yù)洗滌的流程，研究結(jié)果也表明，燃油在采用地面預(yù)先洗滌后，由于洗滌后的燃油直接加注到油箱中，飛機(jī)可不安裝機(jī)載洗滌裝置，這就大大簡(jiǎn)化了設(shè)備的復(fù)雜性。同時(shí)，該文獻(xiàn)也對(duì)采用開(kāi)式和閉式油罐的洗滌效果進(jìn)行了比較。

但該研究中僅分析了洗滌時(shí)間與燃油中氧濃度變化關(guān)系，并沒(méi)有根據(jù)巡航高度及富氮?dú)怏w中含氧量不同來(lái)確定洗滌所需達(dá)到的最終氧濃度要求。有鑒于此，本文參照文獻(xiàn)[11]中所提出的爬升過(guò)程中平衡氧濃度計(jì)算方法及文獻(xiàn)[10]中開(kāi)式油罐地面預(yù)洗滌的計(jì)算模型，分析了不同巡航高度下燃油地面預(yù)洗滌時(shí)所需達(dá)到的洗滌效果及需要采用的富氮?dú)怏w濃度。

1　數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化燃油地面預(yù)洗滌過(guò)程及洗滌后充入油箱中燃油隨著爬升過(guò)程中氧氮的逸出計(jì)算，本文作出如下的假設(shè)：

1）燃油液相與其上部氣相空間溫度相等，不考慮溫度差異；

2）洗滌所用富氮?dú)怏w通入燃油底部后迅速與燃油充分混合，且沒(méi)有富氮?dú)怏w直接進(jìn)入氣相空間，逸出的氧氣和氮?dú)饣旌衔镆才c氣相空間充分混合；

3）氧氣與氮?dú)饣旌虾蟀凑辗謮罕扰懦鲇凸?，并保持油罐中的壓力恒定，恒等于環(huán)境壓力；

4）忽略燃油蒸汽壓對(duì)洗滌及爬升過(guò)程中氧氮逸出的影響。

對(duì)于石油制品，常用阿斯特瓦爾德系數(shù)來(lái)表征氣體在燃油中的溶解量，它的含義是單位體積燃油在氣體和液體規(guī)定的氣體分壓和溫度下處于平衡時(shí)溶解的氣體體積，其關(guān)系為[12]：

式（1）中：T為氣體和燃油溫度；d為燃油在15℃時(shí)的密度；β0為密度為850 kg/m3的燃油在15℃時(shí)的系數(shù)；氧氣為0.16，氮?dú)鉃?.069。

1.1燃油箱爬升過(guò)程中平衡氧濃度計(jì)算模型

任意狀態(tài)時(shí)，氣相空間和燃油中的氧氮滿足平衡關(guān)系，且油箱中的壓力與外界環(huán)境壓力相等，則任意高度下氧氮的分壓為：

任意高度下燃油中氧氮質(zhì)量濃度為：

式中，RO和RN分別為氧氮的氣體常數(shù)。

參照文獻(xiàn)[11]的計(jì)算模型，則當(dāng)高度變化ΔH時(shí)，燃油中氧氮質(zhì)量濃度變化量為：

由于假設(shè)氧氮成比例排出，因而新高度下氧氮分壓比應(yīng)該與氣相空間氧氮摩爾比相同，即：

1.2地面預(yù)洗滌工作原理及數(shù)學(xué)模型

燃油地面預(yù)洗滌系統(tǒng)采用開(kāi)放式油箱，通過(guò)設(shè)置在油箱底部的引射器，將燃油與惰性氣體混合，再通過(guò)細(xì)小噴管將富氮?dú)怏w通入油罐內(nèi)燃油中，置換其中的氧氣，降低燃油中的含氧量，其基本原理見(jiàn)圖1。參照文獻(xiàn)[10]，建立地面燃油預(yù)洗滌過(guò)程數(shù)學(xué)模型。

圖1　燃油地面預(yù)洗滌示意圖Fig.1 Diagram for fuel ground-based prescribing

燃油中的氧氮分壓與溶解氧氮摩爾質(zhì)量之間滿足如下關(guān)系式：

在dt微元時(shí)間間隔內(nèi)，充入油罐底部的富氮?dú)怏w，與燃油充分溶解，使其溶解氧分壓增高，從而產(chǎn)生向氣相空間逸出的趨勢(shì)，從燃油逸出的氧氮?dú)怏w與氣相空間原有氣體充分混合，最終排出油罐。首先，以燃油所占液相體積VF為控制體積建立物料平衡方程：

然后，以氣相空間VU為控制體積則可得到以下氧氮質(zhì)量守恒方程式：

氣相空間氣體混合后按照氧氮分壓比排出：

氧氣與氮?dú)庖舶凑辗謮罕葟娜加椭幸绯觯?/p>

因?yàn)橛凸夼c大氣直接連通，所以認(rèn)為油罐中的總壓力與大氣環(huán)境相一致。各分壓之間的關(guān)系如下：

式（15）、（16）中，MO和MO是氧氮分子量。

聯(lián)立以上各式，通過(guò)微元法可得到洗滌過(guò)程中燃油與氣相空間含氧量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

2　結(jié)果與分析

選取燃油為RP-3號(hào)燃油，燃油箱體積為1 m3，溫度為30℃，計(jì)算了不進(jìn)行地面預(yù)洗滌及幾種洗滌至不同濃度后的燃油加注到飛機(jī)燃油箱中，隨著飛機(jī)的爬升，氣相空間的氧濃度隨高度的變化關(guān)系，如圖2所示。從圖2中可見(jiàn)，隨著高度的增加，由于燃油中氧氣的逸出，均會(huì)造成氣相空間氧濃度的增加。特別是不洗滌時(shí)，飛行至12km后，氣相空間氧濃度大于35%，這與文獻(xiàn)[11]中計(jì)算結(jié)果一致。而采用地面預(yù)洗滌后，爬升至同樣巡航高度時(shí)，氣相空間氧濃度顯著降低，即地面預(yù)洗滌是一種十分有效的惰化技術(shù)。

通常，惰化技術(shù)中規(guī)定軍機(jī)氣相空間安全氧濃度為9%[6]，從圖2中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孛骖A(yù)洗滌至氣相空間濃度為5%時(shí)，爬升至約10.3km巡航高度后，氣相空間氧濃度超過(guò)安全氧濃度，而當(dāng)洗滌至3%時(shí)，則安全巡航高度約為17km，洗滌至1%時(shí)，則爬升至20km巡航高度時(shí)仍可保證油箱氧濃度在安全值以下。

圖2　不同初始平衡氧濃度下爬升后氣相氧濃度變化關(guān)系Fig.2 Variation relationship of ullage oxygen concentration after climbing at different initial equilibrium oxygen concentration

如果認(rèn)為洗滌的時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，則洗滌終了時(shí)氣相空間氧濃度應(yīng)當(dāng)與富氮?dú)怏w中氧濃度一致[10，14]。因此，圖3計(jì)算了不同巡航高度下，富氮?dú)怏w中最高的含氧摩爾濃度。從圖3中可發(fā)現(xiàn)，雖然安全氧摩爾濃度為9%，但隨著巡航高度的增加，地面預(yù)洗滌所采用的富氮?dú)怏w中氧濃度要逐漸降低，且基本呈線性關(guān)系。

圖3　洗滌的富氮?dú)怏w中氧含量最高值隨巡航高度變化Fig.3 Change of the maximum oxygen content in the scribed nitrogen-rich gas along with the cruising altitude

但是，前述已經(jīng)說(shuō)明，圖3由于采用的富氮?dú)怏w中含氧量與最終預(yù)洗滌達(dá)到的含氧量相同，即洗滌時(shí)間為無(wú)限長(zhǎng)，但是實(shí)際情況下，完全可以用比圖3計(jì)算純度更高的富氮?dú)怏w進(jìn)行有限時(shí)間的洗滌即可。然而如果所采用的富氮?dú)怏w并不按照?qǐng)D3選取，那么如何確定洗滌到什么程度時(shí)刻達(dá)到洗滌要求呢？

若認(rèn)為巡航高度下，氣相空間安全氧濃度為9%，則可十分簡(jiǎn)單地根據(jù)式（2）、（3）計(jì)算出與之所平衡中的燃油中溶解氧氣質(zhì)量濃度。只要在某個(gè)巡航高度下，燃油中溶解氧氣質(zhì)量濃度低于計(jì)算平衡值，則在巡航高度下氧氣不會(huì)從燃油中向氣相空間逸出，氣相空間氧摩爾濃度會(huì)始終低于9%，處于安全范圍之下。

圖4對(duì)該極限平衡情況進(jìn)行了計(jì)算。從圖中可見(jiàn)，在12km巡航高度時(shí)，只要燃油中的溶解氧質(zhì)量濃度低于約6 mg/m3，則絕對(duì)安全；而隨著巡航高度增加，該極限溶解氧質(zhì)量濃度也相應(yīng)降低，在20km時(shí)，則需要低于約1.2 mg/m3。

但是，如前所述，由于爬升過(guò)程中逸出的氧氣很多會(huì)排出燃油箱外，因而地面預(yù)洗滌時(shí)，并不需要將燃油洗滌到圖4中所示的極限質(zhì)量濃度?？筛鶕?jù)1.1節(jié)所建立的模型反算出地面預(yù)洗滌結(jié)束時(shí)燃油中的溶解氧質(zhì)量濃度，如圖5所示。從圖5中可見(jiàn)，地面預(yù)洗滌所要求的溶解氧質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于圖4所計(jì)算的巡航高度下的極限溶解氧質(zhì)量濃度，兩者的差值就是爬升過(guò)程中氧氣從燃油中逸出的質(zhì)量，這部分逸出的氧氣有一部分被排放到環(huán)境中，還有一部分停留在燃油箱中，被初始的低濃度氣相空間所“中和”和“緩沖”。由于溶解的氧氣逸出量與載油量相關(guān)，因而會(huì)對(duì)實(shí)際洗滌結(jié)束時(shí)溶解氧質(zhì)量濃度的選取有直接影響。

圖4　不同巡航高度下燃油中安全的氧氣質(zhì)量濃度Fig.4 Safe oxygen concentration of fuel at different cruising altitudes

圖5　不同巡航高度下地面預(yù)洗滌后燃油中氧氣質(zhì)量濃度Fig.5 Oxygen mass concentration of fuel after ground-based prescribing at different cruising altitudes

從圖5中可見(jiàn)，當(dāng)載油量降低時(shí)，燃油的質(zhì)量也降低，逸出的氧氣總質(zhì)量減少，同時(shí)氣相空間體積也增加，可用于“緩沖”逸出氧的能力也越大，故初始載油量越少，則地面預(yù)洗滌的要求就越低。

由于預(yù)洗滌時(shí)，富氮?dú)怏w的流量和時(shí)間均會(huì)對(duì)洗滌產(chǎn)生影響。為了分析，定義一無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)，即體積置換次數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中，ρNEA是富氮?dú)怏w密度。

考慮到軍機(jī)中的初始載油量都較大，基本達(dá)到膨脹線附近，因而認(rèn)為飛機(jī)燃油箱初始載油量為95%，燃油分別采用不同的富氮?dú)怏w、不同油罐存油量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在相同的巡航高度下，惰化氣體中含氧量越低，則所需的換氣次數(shù)越少，而油罐車(chē)中存油量越少，則換氣次數(shù)也越少。以油罐車(chē)存油量60%、巡航高度12km為例，當(dāng)采用氧摩爾濃度為3%的富氮?dú)怏w洗滌時(shí)，所需換氣次數(shù)為0.35次，而當(dāng)富氮?dú)怏w含氧摩爾濃度降低至1%時(shí)，則可縮短為0.24次。此外，從圖6中可見(jiàn)，當(dāng)巡航高度超過(guò)12km后，如果采用氧摩爾濃度為5%的富氮?dú)怏w時(shí)，則無(wú)論換氣次數(shù)多大，也無(wú)法達(dá)到洗滌的要求。

圖6　不同純度富氮?dú)怏w洗滌時(shí)氣相和燃油中氧濃度變化Fig.6 Change of oxygen concentration in ullage and fuel under scribing by nitrogen-rich gas with different purity

3　結(jié)論

通過(guò)建立飛機(jī)燃油箱爬升過(guò)程氣相和燃油中平衡氧濃度及地面預(yù)洗滌計(jì)算模型，對(duì)地面預(yù)洗滌的洗滌要求進(jìn)行了分析計(jì)算。研究結(jié)果表明，在地面對(duì)燃油進(jìn)行預(yù)洗滌從理論上是可行的，這樣無(wú)須在飛機(jī)上設(shè)置洗滌管路，可減少飛機(jī)本身的一部分設(shè)計(jì)工作。洗滌所需的富氮?dú)怏w必須有較高的純度，從安全性而言，不推薦含氧量為5%的富氮?dú)怏w，而應(yīng)當(dāng)采用含氧量為1%的富氮?dú)怏w或純氮?dú)狻?/p>

然而即使燃油采用地面預(yù)洗滌后，飛機(jī)上仍需要設(shè)置機(jī)載制氮系統(tǒng)，用于填充燃油消耗所造成的空間增加及保證飛機(jī)在俯沖、降落時(shí)油箱內(nèi)部增壓。

但地面預(yù)洗滌會(huì)增加了后勤保障的難度，增加了諸多不安全因素，從系統(tǒng)角度而言，取消機(jī)載洗滌，而用地面預(yù)洗滌，預(yù)計(jì)會(huì)降低油箱惰性化技術(shù)的全壽命經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)增加了油箱的起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。這些問(wèn)題需要在未來(lái)的工作中進(jìn)一步研究和評(píng)估。

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Theoretical Research on Ground-Based Prescribing Technology for Aircraft Fuel Tank

HE Yong1,LI Chaoyue2
（1.Aeronautical Military Representatives Office of Navy in Nanjing; 2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210006,China）

Based on mass conservation law of oxygen and nitrogen,in this paper,two mathematic models were established for equilibrium oxygen concentration in ullage and fuel along with the altitude during aircraft climbing as well as nitrogenrich gas performing ground-based prescribing for fuel tank.And solution was worked out via infinitesimal method.Result of calculation showed the lower the equilibrium concentration was reached after ground-based prescribing using nitrogenrich gas,the higher the achievable safety cruising altitude could be.Since much of the escaped oxygen would be dis?charged out of fuel tank during climbing,therefore when performing ground-based prescribing,it was not necessary to re?duce oxygen mass concentration of the fuel to limit concentration corresponding with safety ullage concentration.Besides, initial fuel load rate in the aircraft fuel tank had direct requirement for the scribed oxygen concentration that the higher the fuel load rate was,the lower the oxygen concentration of fuel was needed to be scribed.Calculation also showed that during ground-based scribing,quantity of fuel in the tank also had direct impact on ventilation rate.By choosing nitrogen-rich gas with proper concentration to perform ground-based prescribing for fuel tank,it could be guaranteed that the oxygen concentration would be within safety scope at aircraft cruising altitude,however,initial investment fee for equipment would also increase to some extent.Research findings of this paper could lay a preliminary theoretic basis for the engineering de?sign of fuel ground-based prescribing.

fuel tank;scribing;oxygen concentration;inerting

V228；TQ021.4

A

1673-1522（2016）01-0095-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.017

2015-06-05；

2015-12-31

何勇（1978-），男，工程師，碩士。