燃油系统结冰试验标准研究

王慧丹徐鹏国舒振杰刘红娟

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司，北京 100022）

燃油系统结冰试验标准研究

王慧丹1徐鹏国1舒振杰1刘红娟2

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司，北京 100022）

针对燃油系统结冰，通过分析国内外研究现状和现有标准，对燃油系统结冰的要求和验证方法进行了梳理，对燃油系统结冰试验的关键技术进行了总结和研究，为燃油系统结冰试验相关标准的制修订提供了借鉴和指导。

燃油系统；结冰；试验

飞机长时间在低温条件下飞行，混入燃油中的水分会析出并冻结成冰，阻塞阀、泵、输油管、过滤器和滤网，或使燃油附件或系统功能发生故障，使燃油系统失效而无法给发动机正常供油，造成流向发动机的燃油减慢或完全中断，进而引起发动机熄火，危及飞行安全[1,2]。

为了解决燃油系统结冰问题曾采用过的措施包括加大滤网、增加旁路阀门、降低油滤稠密度、使用燃油加热装置和在燃油中加入防冰添加剂等[3]。燃油加热装置和防冰添加剂有效地防止了飞机燃油系统结冰，现已得到广泛应用，但仍有可能遇到不含防冰添加剂的燃油，或使用代用燃油或应急燃油的情况，因此通过在结冰条件下，对飞机燃油系统加入不含防冰添加剂的燃油进行试验，不仅可以验证燃油系统工作的可靠性，而且可以避免燃油附件或系统的过度设计和试验，减少不必要的费用成本和时间成本。

国内原有军用飞机一般不进行专门的结冰试验，随着民用飞机和大型军用运输机的发展，对于飞机安全性、可靠性的要求越来越高，按照适航条例的要求，必须通过燃油系统结冰试验进行验证，以确保在结冰条件下燃油系统能够可靠运行。

国外相关资料表明，在工程应用中，结冰试验的温度和程序有很大的差异，对试验设备、燃油配制、单程或循环试验、是否采用防冰添加剂、试验温度、试验时间、含水量分析和试验后要求等相关内容缺乏统一的要求。由于试验方法差异很大，很难或者几乎不可能准确比较从不同方法得到的试验结果，并评价何种方法真实地代表了实际飞机环境或有效证明了符合性能要求。较为通用的燃油结冰试验方法源于MIL-F-17874B《燃油系统安装和设计》和SAE ARP 1401《燃油系统和附件结冰试验》。该方法为燃油系统结冰试验的基本方法，针对特殊系统和附件的特定试验程序以该方法为基础[1]。

本文通过对国内外已有的飞机燃油系统结冰试验标准的研究，对燃油系统结冰试验的试验要求、试验项目和试验方法进行了梳理和比较，对燃油系统结冰试验的关键技术进行总结和分析，为我国飞机燃油系统结冰试验技术发展和标准的研究与制修订提供支撑。

1 燃油系统结冰试验研究现状及关键技术

目前可搜集到的飞机燃油系统结冰试验相关的国外技术资料十分有限，SAE ARP 1401B《燃油系统安装和设计》中提到在军用规范和飞机厂家报告中的结冰试验要求和程序存在很大不同，对于特定的燃油系统或附件很难确定哪种试验方法是最好的，SAE AIR 790C《关于飞机燃油系统中结冰问题的研究》中也指出，燃油系统结冰试验采用的要求和程序差别很大，没有最优的通用试验装置或详细试验程序以覆盖所有系统或附件的试验。根据SAE ARP 1401B和SAE AIR 790C的内容可以推测国外燃油系统结冰试验研究已经十分广泛，并且试验方法种类很多。但SAE AIR 790C作为2006年颁布的全面修订版，其中介绍的燃油系统结冰试验方法与1979年颁布的SAE ARP 1401中的方法一致，可见国外燃油结冰试验研究至少已有30多年的历史，而历经几十年的发展，一直沿用到现在，证明其试验方法已非常成熟。

国内在燃油系统结冰试验方面的研究工作开展较晚，虽然在早期的运8等型号上，进行过一些燃油结冰试验研究，但试验内容十分简单，试验方法也比较落后。较为全面系统的研究工作主要开始于ARJ 21飞机的研制。近年来，国内结合ARJ 21飞机适航取证工作，对燃油系统结冰试验符合性验证方法进行了研究，特别是在燃油系统试验室试验方面取得了较大进展，并对飞行试验验证方法进行了探索。

根据现有文献，燃油系统结冰试验的关键技术主要包括试验用燃油的配制、结冰试验项目和试验程序。燃油结冰试验的项目主要包括系统连续工作、系统应急工作和附件工作试验[2,4]。针对不同的试验项目，试验用燃油和试验程序均不同，因此对应不同的燃油配制方法和试验程序。这是燃油系统结冰试验的重点和难点所在，也是本文研究的重点。

2 燃油系统结冰试验标准现状

2.1 国外标准现状

国外与燃油结冰试验相关的标准主要有MIL-F-17874B《燃油系统安装和设计》、SAE ARP 1401《燃油系统和附件结冰试验》、SAE AIR 790《关于飞机燃油系统中结冰问题的研究》和适航条例FAR 25《运输类飞机适航标准》。

2.1.1 FAR 25《运输类飞机适航标准》

在FAR 25 §25.951“燃油系统”及§25.952“燃油系统分析和试验”中对燃油系统结冰要求和试验要求进行了规定，其中§25.951(c)规定“用于涡轮发动机的燃油系统在使用下述状态的燃油时，必须能在其整个流量和压力范围内持续工作：燃油先在27℃（80℉）时用水饱和，并且每10 l燃油含有所添加的2 ml游离水（每1美加仑含0.75ml），然后冷却到在运行中很可能遇到的最临界结冰条件。”

2.1.2 MIL-F-17874B《燃油系统安装和设计》

MIL-F-17874B颁布于1965年8月，是目前搜集到的美军标中最早有关燃油系统结冰试验的标准，其中规定了系统连续工作状态、系统应急工作状态、燃油过滤器旁路试验条件和试验用燃油的配制过程。

2.1.3 SAE ARP 1401《燃油系统和附件结冰试验》

SAE ARP 1401首次颁布于1979年，1997年12月进行格式性修改，形成SAE ARP 1401A。2012年6月全面修改形成SAE ARP 1401B。该标准介绍了燃油结冰的成因和防止结冰的措施，并在标准研究背景中指出MIL-F-17874B提出的结冰试验程序是迄今为止最简明的程序，也是SAE ARP 1401的基础。SAE ARP 1401分别对燃油系统和附件的试验程序进行了规定，具体包括：系统连续工作和系统应急工作试验用燃油的配制方法及试验程序；附件试验用燃油的配制方法和试验程序。同时给出了系统试验和附件试验的试验装置图。其中试验用燃油的要求与MIL-F-17874B的内容一致。但是SAE ARP 1401B版中试验用燃油的初始温度从27℃变为29℃。此外，附件试验改为有旁路功能的过滤器试验。

2.1.4 SAE AIR 790C《关于飞机燃油系统中结冰问题的研究》

SAE AIR 790C颁布于2006年8月，是在1999年颁布的SAE AIR 790B的基础上，综合SAE ARP 1401的相关内容修订而成。SAE AIR 790C重点介绍了燃油系统结冰试验的试验研究、试验方法。燃油系统结冰试验的试验装置、试验燃油配制方法和试验程序与SAE ARP 1401的内容一致，但增加了试验装置、试验设备、试验室水含量分析、试验用燃油、燃油流速的要求。

2.2 国内标准现状

国内与燃油系统结冰相关的标准主要有GJB 1003A-2006《飞机燃油系统通用规范》、GJB 2022-1994《燃油系统安装和设计要求》、GJB 3577-1999《飞机燃油系统与附件的结冰要求和试验》、GJB 3212-1998《飞机燃油系统飞行试验要求》。

2.2.1 GJB 1003A-2006《飞机燃油系统通用规范》

GJB 1003A-2006中规定了“燃油系统结冰不应对系统工作产生有害影响。”由于该标准为顶层标准，对燃油系统结冰试验并没有具体的要求。

2.2.2 GJB 2022-1994《燃油系统安装和设计要求》

GJB 2022-1994规定了燃油系统结冰设计的要求和相关的试验验证内容，对燃油系统附件结冰条件下性能试验的附件表面温度条件和试验温度进行了规定并且规定了试验用含水燃油的配制过程。该标准参考了MIL-F-17874，因此对燃油系统结冰试验的相关要求与MIL-F-17874基本一致。该标准中没有给出具体的试验程序和方法等，仅规定了试验应开展的内容和试验条件。

2.2.3 GJB 3212-1998《飞机燃油系统飞行试验要求》

GJB 3212-1998在5.14“燃油系统结冰试验”中规定了燃油系统结冰试验的试验目的、试验要求、测量参数和试验设备、试验内容和方法。由于该标准针对飞行试验，因此对于燃油系统结冰试验的相关规定均为飞行试验内容。

2.2.4 GJB 3577-1999《飞机燃油系统与附件的结冰要求和试验》

GJB 3577-1999规定了飞机燃油系统与附件的结冰要求和试验。该标准较为系统和全面地规定了燃油系统与附件的结冰要求和试验方法。试验项目包括试验室试验：系统试验（分为系统连续工作和系统应急工作）、附件试验；机上地面试验：系统连续工作、系统应急工作；飞行试验：系统连续工作、系统应急工作。该标准参考了SAE ARP 1401，因此试验室试验中燃油配制过程、试验设备、试验程序的技术内容与SAE ARP 1401A一致，但该标准增加了机上地面试验和飞行试验的验证方法，较为全面地规定了燃油系统结冰试验的试验要求、试验程序和试验方法等技术内容。

研究发现，MIL-F-17874、SAE ARP 1401和SAE AIR 790构成了燃油系统结冰试验的基础，为燃油系统结冰试验的要求和试验方法提供了很好的参考和依据，但是国外标准中缺乏机上地面试验和飞行试验的内容。国内已有的标准中，GJB 3577-1999不仅有效转化了SAE ARP 1401和SAE AIR 790的相关内容，同时也涵盖了机上地面试验和飞行试验的相关试验项目，对于燃油系统结冰试验具有较好的指导作用。但由于GJB 3577-1999制定较早，有些项目不适用现有技术的发展，针对国内最新的型号研制需要，应根据新研型号燃油系统结冰的技术特点进行剪裁和修改。

3 燃油系统结冰试验关键技术

3.1 试验项目

燃油系统结冰适航验证可采用的方法有MOC4（试验室试验）、MOC5（机上地面试验）、MOC6（飞行试验）及MOC9（设备鉴定）[5,6]。

MOC4是在试验室环境中模拟飞机在整个飞行包线内，在各种飞行环境和飞行温度下燃油系统的结冰情况。MOC4以其明显的优势：可精确控制和监控试验过程中的燃油含水量；可精确控制试验条件，即环境温度和燃油温度变化；可实时监控测量环境温度和燃油温度；可对系统和附件的结冰情况进行观察，一般作为燃油系统结冰的主要验证方法[5]。MOC4又分为附件级和系统级试验。在SAE ARP 1401B中强调附件级试验和系统级试验可以互相取代，但实际上附件级试验往往比系统级试验的试验条件更为苛刻，而系统级试验除了考虑对附件本身进行验证外，还考虑了管路在飞行环境下的互相影响，包括是否会附着冰晶、是否会造成冰晶的凝固聚集或冰团脱落造成下游堵塞以及聚集或脱落的冰团对附件的影响。因此附件级试验和系统级试验各有侧重，为了充分保障飞机燃油系统安全可靠，在试验室试验中对于系统级和附件级试验均需验证。

MOC5是将飞机加满燃油在高寒机场停放较长时间，然后发动机开车，检验发动机和燃油系统是否能正常工作，以验证燃油系统在低温燃油条件下的启动和工作。由于地面很难将燃油温度冷却到运行中可能遇到的最临界结冰条件，并且在机上地面试验中无法验证飞机在高空飞行时系统的工作情况，因此一般不采用MOC5进行燃油系统结冰验证。

MOC6是在飞行中验证燃油系统的结冰适航符合性。通常在地面将配制好的燃油加入飞机某一特定油箱内，其余油箱加入有防冰添加剂的正常燃油，试验时，仅向选定的试验发动机供给配制好的试验用燃油，其余发动机则使用正常燃油进行工作。MOC6一般作为飞机燃油系统结冰的辅助性验证方法。由于在飞行条件下，如果燃油结冰严重堵塞了发动机供油，会对飞行造成很大的危害，因此采用MOC6时必须提供相应的安全措施。

MOC9 通过对燃油系统附件的鉴定表明燃油系统附件的设计和试验符合适航要求。通常附件供应商会在附件验证试验中进行附件级结冰试验，如果附件在已经取证的飞机上使用，但进行了微小更改，可在适航当局认可的情况下采用相似性证明。对于新研飞机的适航取证，一般不采用MOC9。

因此，燃油系统结冰试验的项目通常包括：试验室试验：系统连续工作状态、系统应急工作状态和附件试验；飞行试验：系统连续工作状态、系统应急工作状态。

3.2 试验用燃油

对试验用燃油的要求是飞机燃油系统结冰试验中需要明确规定的内容之一。SAE ARP 1401中规定，试验用燃油可采用含有10%～25%芳香化合物的JP-4、JP-5、JetA 或Jet A-1，但试验用燃油必须不含任何防冰添加剂，如果含有则应该用水进行冲洗，直到防冰添加剂含量小于百万分之一。GJB 3577-1999中规定“燃油系统应使用飞机型号规范中所规定的任何一种燃油”。

在SAE ARP 1401A、SAE AIR 790C和GJB 3577-1999中均规定了系统连续工作试验用燃油“在27℃含水量达到饱和”，系统应急工作试验用燃油“在27℃含水量达到饱和后，每升燃油中再加入0.2ml的游离水”，附件试验用燃油“在27℃含水量达到饱和后，每升燃油中再加入0.53ml的游离水”。在SAE ARP 1401B中对于试验用燃油的温度要求为29℃，含水量要求相同。

SAE ARP 1401B、SAE AIR 790C和GJB 3577-1999对试验用燃油配制的程序也进行了详细规定。燃油配制的基本程序为：首先通过对每升燃油注入水的量、注水流速、循环时间进行控制以达到燃油和水均匀配比，实现含水饱和燃油的配制，并在此基础上通过水分离器和取样检测严格控制燃油中的含水量。针对系统应急工作状态和附件试验中所需燃油在含水饱和的基础上需添加游离水，在饱和燃油中通过气动雾化喷嘴将游离水按照要求的量注入燃油，实现不同含水量燃油的配制。

燃油配制过程中和试验结束后均有采样检测，严格保证燃油含水量满足要求。

3.3 试验要求

在GJB 3577-1999中对燃油系统结冰试验各项目的试验过程进行了描述，对于试验室试验，燃油配制和试验均在同一套试验装置上进行，首先通过试验装置循环进行试验用燃油的配制，当燃油达到试验规定的含水量后，停止循环开始试验；对于机上地面试验/飞行试验，利用试验室试验装置配制好燃油后加入试验油箱进行后续试验。

根据试验室试验、机上地面试验和飞行试验的差异，试验的内容和要求均有不同，在试验室试验中，系统连续工作、应急工作试验和附件试验也有不同的要求。

3.3.1 针对试验室试验和机上地面试验，应重点规定的内容包括：

1) 试验件的表面温度和被试燃油的温度；

2) 试验中燃油的冷却速度；

3) 试验燃油的流量；

4) 不同温度对应的试验时间；5) 试验主要测量参数。

3.3.2 针对飞行试验，应重点规定的内容包括：1) 试验的环境温度与试验燃油的温度；2) 试验前的准备；

3) 试验过程中的被试发动机出现工作不正常时应采取的措施；

4) 试验飞行剖面的确定。

4 结束语

本文通过对国内外燃油系统结冰试验研究和技术现状的分析，发现燃油系统结冰试验是目前公认的验证燃油系统结冰是否符合设计要求的有效手段。国外经过多年的发展已经形成较为成熟的试验方法，但是国内该项研究的开展较晚，且在已有型号中真正应用较少，与国外技术现状存在较大差距。由于适航条例对燃油系统结冰要求的提出，燃油系统结冰试验将越来越多应用于民用飞机和大型军用运输机，保证飞机满足适航要求，提高飞机的安全性。

本文通过燃油系统结冰试验相关标准研究，梳理了国内外相关标准中对燃油系统结冰的要求和验证方法，并对其中的关键技术内容进行了整理和分析。本文明确了燃油系统结冰试验项目通常包括试验室试验（含系统连续工作状态、系统应急工作状态和附件试验）、飞行试验（含系统连续工作状态、系统应急工作状态），确定了系统连续工作试验、系统应急工作试验和附件试验用燃油的要求，进而归纳了各个试验项目的试验要求中应重点规定的内容，为今后型号专用燃油系统结冰试验标准的制定及后续GJB 3577-1999的修订提供了借鉴和指导。

[1] SAE AIR 790C-2006 Considerations on ice Formation in Aircraft Fuel Systems[S].

[2] SAE ARP 1401B-2012 Aircraft Fuel System and Component Icing Test [S].

[3] 张宇. 关于飞机燃油系统中结冰问题的研究及试验. 中国航空学会2007年学术年会[C], 2007.

[4] MIL-F-17874B-1965 Fuel Systems: Aircraft, Installation and Test of [S].

[5] 刘德刚, 周宇穗. 民用飞机燃油系统结冰适航验证方法研究[J]. 民用飞机设计与研究, 2011, (2):32-39.

[6] 王京娅, 孙有朝, 王丰产. 大型民用飞机燃油系统结冰适航符合性验证方法研究. 2010年航空器适航与空中交通管理学术年会论文集[C].2010.

（编辑：劳边）

V228.1

C

1003-6660（2014）05-0003-05

10.13237/j.cnki.asq.2014.05.001

[收修订稿日期] 2014-07-27