直升机燃油箱惰化系统富氮气体及引气量需求分析

刘 欢

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333000）

0 引言

在直升机燃油箱的气相空间（油箱液面以上空间）内聚集了大量易燃易爆的燃油蒸汽，当燃油蒸汽和空气的混合气体处于易燃易爆极限范围以内时，有可能与点火源（雷电、静电、子弹、燃烧弹、导弹碎片、炽热的发动机碎片等）接触，这些燃油蒸汽极易被点燃，并在燃油箱内迅速燃烧，导致燃爆，造成直升机的损失和人员伤亡。为了提高军用武装直升机安全性、生存能力，燃油箱须采取可靠、高效防爆措施［1-3］。

目前欧、美先进武装直升机采用中空纤维膜式机载制氮惰化技术，如“虎”式、AH-64，RAH-66 等武装直升机。该惰化系统技术成熟，便于维护保障。中空纤维膜式机载制氮惰化技术采用一种高分子聚合物中空纤维膜（HFM）来选择“过滤”进料空气而达到氧/氮分离的。当两种或两种以上的气体混合物通过中空纤维膜时，在膜两侧压差作用下，由于各气体组分在聚合物中的溶解和渗透扩散系数的差异，导致其透过膜壁的速率不同，渗透速率快的气体——“快气”（如O2，H2O，H2，He 等）和渗透速率慢的气体——“慢气”（如N2，CH4及其他烃类等），渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集，氧氮气体分离膜就是利用分子渗透特性的差别使氧气和氮气在膜两侧富集而实现分离［4-6］，原理如图1所示。

图1 中空纤维膜式机载制氮惰化原理

ADS-50-PRF《旋翼机推进系统性能和验证要求》规定，惰化系统应能完全自动地降低和维持空气含氧浓度至9%，才能有效地防止爆炸和起火。根据国外对燃油箱用23 mm子弹射击试验数据，12%氧浓度不支持燃烧。9%氧浓度能确保油箱压力不会瞬间剧增。

1 燃油箱惰化系统数学模型

1.1 单舱油箱不同飞行阶段富氮气体流量需求计算方法

爬升、巡航阶段，在单位时间步长内，初始状态1时，气相和燃油中氧氮处于平衡状态，随着冲洗的富氮气体流入，气相空间中的氧气被逐渐稀释，而氮气相应增加，由于气体组分浓度的改变，气液两相的平衡状态被破坏，燃油中溶解的氧气析出，在该时间段内，燃油中逸出的气体与气相空间中原有的气体充分混合后，排出油箱，直至在终了时刻2 达到新的平衡状态，如图2所示。

1.2 燃油箱惰化系统参数分析

机载惰化系统惰化效率和结果受多方面因素影响。机载惰化系统要求：燃油系统全包线使用下，直升机燃油箱气相空间以上的氧气浓度始终小于9%。依据发动机的耗油率可计算得到整个飞行时间下各个阶段燃油箱中的燃油量和载油率，如图3所示。

2 燃油箱惰化富氮气体流量需求计算分析

2.1 爬升阶段富氮气体流量需求

考虑到氮氧逸出等因素，惰化时间与所需富氮气体流量关系如图4 所示，惰化时间从5 min 计算至30 min，当惰化时间较小时，所需富氮气体流量很大，随着惰化时间增加，富氮气体流量迅速减少，惰化时间大于15 min后，流量基本与时间呈线性关系。惰化时间为20 min 时，流量与时间的关系线性度较好。对NEA2，NEA5 和NEA9 3 种浓度的富氮气体计算了所需流量，NEA9所需的流量过大，而NEA2虽然流量较小，但是考虑制氮效率后，引气流量并不会低于NEA5，起飞—爬升阶段纯度的富氮气体NEA5 较优。考虑到氮氧逸出，分离膜按照地面、起飞和爬升引起压力、温度下，综合得到NEA5的流量。

图2 单位时间步长内燃油冲洗过程示意

图3 燃油消耗率和载油率

图4 惰化时间与所需富氮气体流量关系

2.2 巡航阶段富氮气体流量需求

在巡航阶段，油箱气相空间应该惰化至足够低的浓度，因此可采用NEA2 进行冲洗，如图5 所示，氧浓度已经低于9%，通过NEA2冲洗，并经过长时间的惰化，氧浓度无限接近于2%。在巡航阶段，最终NEA2流量需求为1.1 kg/h，按照制氮效率10%估算，则需要引气流量为11 kg/h（3.06 g/s）。

图5 氧浓度与惰化时间的关系

2.3 下降阶段富氮气体流量需求

2.3.1 下降所需的增压流量

俯冲下降时，因燃油箱外部压力变化，可能会导致通气阀开启，空气倒流。富氮气体纯度越高，其抵制油箱氧浓度升高的能力也越强。由于直升机燃油箱是封闭油箱，具有一定的增压值，当余压为5 kPa时，油箱向外排气，而余压为-0.8 kPa时，外界空气进入油箱。当设计安全余度较大时，所需富氮气体的填补量较小，最大安全余度，填补流量为2.56 kg/h 时，NEA9 的流量为3.66 kg/h，甚至比起飞阶段所需的NEA5气体还少，如表1所示。

表1 最大增压流量

2.3.2 最大下降速率所需的增压流量

最大下降速率为5 m/s，远小于极限速度，因此，需要针对最大下降速率对所需富氮气体的增压流量进行计算。依据固定载油量为10%，下降速率为10 m/s，针对600 m，1 200 m，2 400 m作为起始下降高度进行增压流量计算。计算结果如图6所示，情况A所需的气量总是大于情况B，但是情况A中增压气量与起始下降高度无关，基本恒定，而情况B与起始高度相关，起始高度越高，所需气量越大。

图6 10 m/s下降速率下增压气量需求

3 结语

本文仅针对直升机的飞行特点，利用常规典型的飞行剖面，提出了一种针对直升机燃油箱惰化所需富氮气体流量分析方法。针对直升机复杂的飞行环境及不同的飞行剖面，全面地进行直升机燃油箱惰化所需富氮气体流量分析，需在未来的工作中展开更深入的研究。