飞机燃油箱惰化

一、惰化飞机燃油箱的重要性
　　飞机燃油系统起火或爆炸是引起飞机失事的主要原因之一。飞机燃油系统的防火防爆能力，直接关系到飞机生存力和易损性，也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。燃油箱若具有防爆能力，即使中弹或其他原因引起火灾，也不至于机毁人亡，飞机经修复后乃可继续使用，这就相应提高了飞机的利用率和生存力，降低了飞机的易损性。飞机燃油箱防爆技术的采用还可以增加救生时间，使飞机在燃油箱出现故障的情况下有足够的时间返航。另外，还可以在应急情况下保护飞机。
　　随着飞行技术的发展，飞机上将普遍采用燃油热管理技术，使燃油温度提高，这将导致飞机燃油箱的温度提高，相应地增加了飞机燃油箱起火爆炸的机率。因此，使燃油箱始终处于安全状态是非常必要的。
　　飞机燃油箱的惰化技术在国外得到迅速发展, 开始应用到战斗机、直升机和运输机上。它的应用能有效地提高飞机的生存力、利用率和可靠性。
　　二、飞机燃油箱惰化技术
　　飞机燃油箱在一定条件下可分为四个不同的层面：最下面为液态燃油层，该层的燃油含有氧气，当压力变化和被晃动时，燃油会释放出氧气；紧靠液态燃油层为富油气体层，它不仅含有大量的油分子，还含有大量氧分子；再上面为含氧最丰富的燃烧层，该层易燃；最上面为贫油分子层，氧气浓度很淡，不易燃烧。因此，必须控制燃烧层和富油层的氧气浓度，保证氧气浓度低于9%，使燃油箱始终处于惰化状态。下面介绍几种燃油箱惰化技术。
　　1.液氮惰化技术
　　在每次飞行前，地面基地通过液氮充灌系统向飞机上的液氮贮存罐充氮。当飞机燃油箱需要惰化时，飞行员将液氮开关打开，液氮瓶内具有一定压力的液氮通过温控器转换成氮气后，由管路不断将氮气充填到油箱内，以保持油箱上部的氧气浓度低于9%，从而达到油箱惰化目的。
　　2.Halon 1301惰化技术
　　Halon 1301是一种低沸点（其沸点为-57.75℃）物质，通常被压缩成液态贮存在飞机上。该物质具有较好的热稳定性和化学惰性。当油箱需要惰化时，控制系统打开惰化气体流量控制器，大量的Halon 1301气体流向飞机燃油箱，使油箱上部形成91%以上的惰性气体，保证飞机燃油箱在整个任务过程处于安全状态。该方法目前已在F-16、F-20等飞机上使用。为了完善该技术，美国研制出一种精密气体传感器，并与燃油数字综合管理技术相结合，使Halon 1301气体按精确需要供应给燃油箱，节省Halon 1301气体的消耗，在同等性能条件下，减少了该系统在飞机上的体积和重量。
　　3.燃油催化技术
　　该方法是从发动机引气，并与燃油混合，在高温催化床中催化。为满足飞机油箱的惰化要求，一般飞机上装两个反应器，在整个飞行阶段，反应器连续工作，反应器的控制模式保证恒定的燃油流量和引气流量混合，当油箱需要惰化时，油箱的压力信号器发出信号，油箱开始喷射燃油，气流中的氧被消耗掉，在油箱上部形成惰性的二氧化碳和一氧化碳满足油箱的惰化要求。该方法在A-5飞机上使用。
　　4.分子筛技术
　　引自发动机的增压空气经过净化和压力调节后，进入分子筛吸氧床组件中的一个吸氧床上，吸氧床由吸氧沸石填充，具有优先吸收氧气的功能。因此，来自发动机的增压空气的氧气就被吸附在沸石的表面，输出的气体为几乎不含氧气的富氮气体，直到沸石表面能收集气体的地方都被氧气占据。达到这种状态后，输出气体中氮气的纯度可根据需要在95%～99%之间，一部分富氮气体经过处理后就可以流到燃油箱供增压和惰化使用，另一部分富氮气体从吸氧床流出后去冲洗另一个吸氧床沸石上所吸附的氧气并排出，这一过程结束时，流量控制阀将压缩空气送入另一吸氧床，继续产生惰性气体，这两个分子筛吸氧床不断相互交替工作或吹洗，使富氮的惰性气体源源不断供应燃油箱，保证燃油箱的氧气浓度低于9%。
　　5.膜分离技术
　　引自发动机的增压空气经过净化和压力调节和温度调节后，流过可透膜管路，利用氧气和氮气在膜中的溶解度和扩散系数的差别，使氧气和氮气在膜中的渗透率有差异，在膜两侧压力差作用下，渗透率相对于氮气较高的氧气优先透过膜在膜外富集，从而达到氧气和氮气的分离，富氮气体通过管道进入油箱使油箱惰化。
　　三 、几种惰化技术的比较
　　1.液氮惰化技术
　　液氮惰化技术可以满足飞机燃油箱对惰性气体瞬时大流量的要求，但其重量较大，对飞机的可用燃油量和飞机性能有一定的影响，并且需要一套复杂的后勤保障系统，成本高，效率低。这些缺点对飞机而言是不利的。
　　2.Halio 1301惰化技术
　　Halio 1301惰化技术比较成熟，应用较为广泛。它具有对常用金属材料腐蚀性小、电绝缘性好、不减少可用燃油量、重量轻、效率高、安全可靠、维护简便及成本低等优点，但它对地球臭氧层破坏较大而被禁止使用。
　　3.燃油催化技术
　　用喷射燃油催化氧化法消耗气流中的氧的方法与其他方法相比，在重量、性能和后勤方面有许多优势。其产生的二氧化碳、一氧化碳和水蒸气对飞机的燃油箱具有一定的腐蚀性，而且由于它的分子结构，它也不能提供全面的保护来抗击静电，还有最大的问题在于其射流压力将油箱底部沉积物冲起，在工作过程中对燃油和飞机燃油系统所造成较严重的污染。
　　4.分子筛技术
　　分子筛技术最大的优点是在整个飞行过程中都可源源不断地提供惰性气体供飞机燃油箱使用，不受任何存贮容量的限制。该系统产生的惰性气体一部分供燃油箱正常使用，另一部分经压缩后贮存在容器内，当系统发生故障时，贮存在容器内的惰性气体仍然可以满足燃油箱的惰化要求，提高了系统的可靠性，降低了系统的工作时间。除此以外，还有寿命长、重量轻的优点。但缺点是：从飞机发动机的引气量较大，当飞机处于非巡航状态时，引气量和发动机的供气能力产生一定的矛盾，对飞机性能有一定的影响, 而且，环境温度和介质温度对分子筛组件性能影响较大，使其工作可靠性降低。
　　5.膜分离技术
　　膜分离技术除拥有与分子筛技术相同的优点外，膜分离技术特别能生产含氧量更低的气体。由于油箱中储存了大量的惰性气体，因而当飞机在快速下降时，它可以减少对供气流量的需求。在性能要求一定的情况下，其引气量只有分子筛的一半，设备重量和体积比分子筛小，并由于分离过程无运动部件，其寿命更长、可靠性更高。
　　四、结束语
　　飞机燃油箱惰化技术作为一个新的设计思想，能够更好地解决飞机的燃油箱爆炸问题。惰化技术强调提高飞机的利用率、安全性，产品的维护性、可靠性，快速的灭火能力以及经济性。
　　在美国，机载惰性气体产生系统正在加紧研制。据资料显示，美国空军已进行了供 KC-135飞机使用的机载惰性气体产生系统的地面模拟试验，并将分子筛惰性气体产生装置和膜分离装置进行了对比试验，研制出可供运输机和直升机使用的通用型机载惰性气体产生系统。
　　在我国，由于某些条件制约，飞机燃油箱的防火防爆技术研究还十分落后，在防火防爆技术应用和材料研究方面还是一项空白。在今后发展中，我国航空工业将要面临与解决大量的问题，其中，飞机燃油系统防火防爆性能是新时期我国飞机性能能否达到世界先进水平的关键技术之一。为尽快赶上世界先进水平，应在综合考虑的基础上，借鉴别人的先进经验，并结合我国的实际情况来确定研究方向，改变我国在这一领域的落后状况。一、惰化飞机燃油箱的重要性
　　飞机燃油系统起火或爆炸是引起飞机失事的主要原因之一。飞机燃油系统的防火防爆能力，直接关系到飞机生存力和易损性，也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。燃油箱若具有防爆能力，即使中弹或其他原因引起火灾，也不至于机毁人亡，飞机经修复后乃可继续使用，这就相应提高了飞机的利用率和生存力，降低了飞机的易损性。飞机燃油箱防爆技术的采用还可以增加救生时间，使飞机在燃油箱出现故障的情况下有足够的时间返航。另外，还可以在应急情况下保护飞机。
　　随着飞行技术的发展，飞机上将普遍采用燃油热管理技术，使燃油温度提高，这将导致飞机燃油箱的温度提高，相应地增加了飞机燃油箱起火爆炸的机率。因此，使燃油箱始终处于安全状态是非常必要的。
　　飞机燃油箱的惰化技术在国外得到迅速发展, 开始应用到战斗机、直升机和运输机上。它的应用能有效地提高飞机的生存力、利用率和可靠性。
　　二、飞机燃油箱惰化技术
　　飞机燃油箱在一定条件下可分为四个不同的层面：最下面为液态燃油层，该层的燃油含有氧气，当压力变化和被晃动时，燃油会释放出氧气；紧靠液态燃油层为富油气体层，它不仅含有大量的油分子，还含有大量氧分子；再上面为含氧最丰富的燃烧层，该层易燃；最上面为贫油分子层，氧气浓度很淡，不易燃烧。因此，必须控制燃烧层和富油层的氧气浓度，保证氧气浓度低于9%，使燃油箱始终处于惰化状态。下面介绍几种燃油箱惰化技术。
　　1.液氮惰化技术
　　在每次飞行前，地面基地通过液氮充灌系统向飞机上的液氮贮存罐充氮。当飞机燃油箱需要惰化时，飞行员将液氮开关打开，液氮瓶内具有一定压力的液氮通过温控器转换成氮气后，由管路不断将氮气充填到油箱内，以保持油箱上部的氧气浓度低于9%，从而达到油箱惰化目的。
　　2.Halon 1301惰化技术
　　Halon 1301是一种低沸点（其沸点为-57.75℃）物质，通常被压缩成液态贮存在飞机上。该物质具有较好的热稳定性和化学惰性。当油箱需要惰化时，控制系统打开惰化气体流量控制器，大量的Halon 1301气体流向飞机燃油箱，使油箱上部形成91%以上的惰性气体，保证飞机燃油箱在整个任务过程处于安全状态。该方法目前已在F-16、F-20等飞机上使用。为了完善该技术，美国研制出一种精密气体传感器，并与燃油数字综合管理技术相结合，使Halon 1301气体按精确需要供应给燃油箱，节省Halon 1301气体的消耗，在同等性能条件下，减少了该系统在飞机上的体积和重量。
　　3.燃油催化技术
　　该方法是从发动机引气，并与燃油混合，在高温催化床中催化。为满足飞机油箱的惰化要求，一般飞机上装两个反应器，在整个飞行阶段，反应器连续工作，反应器的控制模式保证恒定的燃油流量和引气流量混合，当油箱需要惰化时，油箱的压力信号器发出信号，油箱开始喷射燃油，气流中的氧被消耗掉，在油箱上部形成惰性的二氧化碳和一氧化碳满足油箱的惰化要求。该方法在A-5飞机上使用。
　　4.分子筛技术
　　引自发动机的增压空气经过净化和压力调节后，进入分子筛吸氧床组件中的一个吸氧床上，吸氧床由吸氧沸石填充，具有优先吸收氧气的功能。因此，来自发动机的增压空气的氧气就被吸附在沸石的表面，输出的气体为几乎不含氧气的富氮气体，直到沸石表面能收集气体的地方都被氧气占据。达到这种状态后，输出气体中氮气的纯度可根据需要在95%～99%之间，一部分富氮气体经过处理后就可以流到燃油箱供增压和惰化使用，另一部分富氮气体从吸氧床流出后去冲洗另一个吸氧床沸石上所吸附的氧气并排出，这一过程结束时，流量控制阀将压缩空气送入另一吸氧床，继续产生惰性气体，这两个分子筛吸氧床不断相互交替工作或吹洗，使富氮的惰性气体源源不断供应燃油箱，保证燃油箱的氧气浓度低于9%。
　　5.膜分离技术
　　引自发动机的增压空气经过净化和压力调节和温度调节后，流过可透膜管路，利用氧气和氮气在膜中的溶解度和扩散系数的差别，使氧气和氮气在膜中的渗透率有差异，在膜两侧压力差作用下，渗透率相对于氮气较高的氧气优先透过膜在膜外富集，从而达到氧气和氮气的分离，富氮气体通过管道进入油箱使油箱惰化。
　　三 、几种惰化技术的比较
　　1.液氮惰化技术
　　液氮惰化技术可以满足飞机燃油箱对惰性气体瞬时大流量的要求，但其重量较大，对飞机的可用燃油量和飞机性能有一定的影响，并且需要一套复杂的后勤保障系统，成本高，效率低。这些缺点对飞机而言是不利的。
　　2.Halio 1301惰化技术
　　Halio 1301惰化技术比较成熟，应用较为广泛。它具有对常用金属材料腐蚀性小、电绝缘性好、不减少可用燃油量、重量轻、效率高、安全可靠、维护简便及成本低等优点，但它对地球臭氧层破坏较大而被禁止使用。
　　3.燃油催化技术
　　用喷射燃油催化氧化法消耗气流中的氧的方法与其他方法相比，在重量、性能和后勤方面有许多优势。其产生的二氧化碳、一氧化碳和水蒸气对飞机的燃油箱具有一定的腐蚀性，而且由于它的分子结构，它也不能提供全面的保护来抗击静电，还有最大的问题在于其射流压力将油箱底部沉积物冲起，在工作过程中对燃油和飞机燃油系统所造成较严重的污染。
　　4.分子筛技术
　　分子筛技术最大的优点是在整个飞行过程中都可源源不断地提供惰性气体供飞机燃油箱使用，不受任何存贮容量的限制。该系统产生的惰性气体一部分供燃油箱正常使用，另一部分经压缩后贮存在容器内，当系统发生故障时，贮存在容器内的惰性气体仍然可以满足燃油箱的惰化要求，提高了系统的可靠性，降低了系统的工作时间。除此以外，还有寿命长、重量轻的优点。但缺点是：从飞机发动机的引气量较大，当飞机处于非巡航状态时，引气量和发动机的供气能力产生一定的矛盾，对飞机性能有一定的影响, 而且，环境温度和介质温度对分子筛组件性能影响较大，使其工作可靠性降低。
　　5.膜分离技术
　　膜分离技术除拥有与分子筛技术相同的优点外，膜分离技术特别能生产含氧量更低的气体。由于油箱中储存了大量的惰性气体，因而当飞机在快速下降时，它可以减少对供气流量的需求。在性能要求一定的情况下，其引气量只有分子筛的一半，设备重量和体积比分子筛小，并由于分离过程无运动部件，其寿命更长、可靠性更高。
　　四、结束语
　　飞机燃油箱惰化技术作为一个新的设计思想，能够更好地解决飞机的燃油箱爆炸问题。惰化技术强调提高飞机的利用率、安全性，产品的维护性、可靠性，快速的灭火能力以及经济性。
　　在美国，机载惰性气体产生系统正在加紧研制。据资料显示，美国空军已进行了供 KC-135飞机使用的机载惰性气体产生系统的地面模拟试验，并将分子筛惰性气体产生装置和膜分离装置进行了对比试验，研制出可供运输机和直升机使用的通用型机载惰性气体产生系统。
　　在我国，由于某些条件制约，飞机燃油箱的防火防爆技术研究还十分落后，在防火防爆技术应用和材料研究方面还是一项空白。在今后发展中，我国航空工业将要面临与解决大量的问题，其中，飞机燃油系统防火防爆性能是新时期我国飞机性能能否达到世界先进水平的关键技术之一。为尽快赶上世界先进水平，应在综合考虑的基础上，借鉴别人的先进经验，并结合我国的实际情况来确定研究方向，改变我国在这一领域的落后状况。