直升机动力舱灭火系统地面模拟试验技术

吴燕燕,孙 斐,罗铁苟,闵兴明,郭 芳

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.陆军航空装备发展办公室,北京 100012)

直升机动力舱灭火系统地面模拟试验技术

吴燕燕1,孙 斐2,罗铁苟1,闵兴明1,郭 芳1

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.陆军航空装备发展办公室,北京 100012)

直升机动力舱灭火系统地面模拟试验是灭火系统设计过程中的一个重要环节。详细设计阶段，利用已有的试验数据可对动力舱灭火系统的主要参数、管路及喷口布局进行优化；在设计完成后，也需要通过地面模拟试验来验证灭火系统是否满足设计要求。因此，该文从试验目的和要求、飞行中临界气流条件的模拟、专用灭火剂(Halon1301)浓度的测量三方面阐述了直升机动力舱灭火系统地面模拟试验技术。

动力舱；灭火系统；地面模拟试验

0 引言

20世纪60年代，欧美国家对飞机动力舱内防火系统的设计、分析和验证方法等方面进行了深入的研究，并拥有完备的系统试验室(可进行原理型研发试验、系统级验证试验和飞机级验证试验)，积累了丰富的经验，并形成了相应的指导性文件。如FAA颁发了航空器灭火剂浓度记录仪的安装与使用准则FAA-DS-70-3和咨询通报AC20-100，这两份文件一直作为动力舱灭火系统试验的通用指南。

国内在飞机动力舱防火系统方面的研究工作起步较晚，主要是跟踪国外的技术研究以及设备的应用，如灭火剂浓度测试方法、国外测试设备的应用等。李丽对国产Y7、Y8、Y12[4]等机型采用国外灭火剂浓度测试设备进行飞行试验的状况进行了总结。2003年由中国科技大学和西安飞机设计研究所联合研制了一台红外激光灭火剂浓度测量仪，该测试设备已经应用于多个型号的地面模拟试验。

动力舱灭火系统是直升机安全保障措施的重要组成部分，主要是为出现火警的动力舱提供足够的灭火剂，进行灭火。为了验证直升机动力舱灭火系统系统的性能和成附件的可靠性，保证系统安全可靠，必须对直升机动力舱灭火系统进行地面模拟试验。因此本文从试验目的和要求、飞行中临界气流条件的模拟、专用灭火剂浓度的测量三方面对直升机动力舱灭火系统地面试验技术进行阐述。

1 试验目的和要求

直升机动力舱灭火系统地面试验的主要目的是验证灭火系统是否满足型号动力舱的灭火需求，同时为系统优化设计提供数据。主要试验内容是模拟在飞行中临界气流条件下启动灭火系统后，测试发动机动力舱内各测点灭火剂的浓度随时间的变化情况，以确定各测试点的灭火剂体积浓度同时大于6%的共同时间是否满足大于0.5s的要求。在试验中，试验件采用装机件(包含灭火瓶、成品件和喷射管)；陪试件包括动力舱、发动机、燃滑油管路和辅助装置等，在条件允许的情况下尽量采用真实件。若不能采用真实件，则模拟件必须尽可能与真实件一致，如需采用模拟件则必须保证外形和体积等影响动力舱内容积及气流的参数与真实件一致，动力舱则需要尽可能模拟其内形，进风口、出风口则必须与机上状态一致。

直升机动力舱灭火系统地面试验一般按图1要求实施。试验时通过飞行通风量模拟系统模拟发动机舱内的通风量。当通风量稳定在给定值时，引爆灭火瓶上的电起爆器，灭火瓶通过喷射管路向动力舱内喷射灭火剂，同时通过专用灭火剂浓度测量系统测量动力舱内各测量点灭火剂浓度随时间的变化情况。试验中的重要因素包括飞行中临界气流条件的模拟和动力舱内各测量点灭火剂浓度的测量。

图1 试验系统框图

2 飞行中临界气流条件的模拟

飞行中临界气流条件的模拟主要是先通过仿真计算，获得地面模拟试验中的通风量值，然后通过飞行通风量模拟系统来实现。

2.1 飞行中临界气流条件的仿真计算

在不同的飞行状态下，整流罩下的通风可能会随发动机的功率和飞行速度而发生变化。根据FAA的相关适航条款和“海豚”直升机灭火系统飞行试验要求可知，可选择以下飞行状态和飞行高度进行动力舱通风量仿真计算，按通风量越大越不利于灭火的原则选取最大通风量作为地面模拟试验中的通风量值。

飞行高度是600～1500m[1]；

飞行状态：有地效悬停、不同速度下的平飞、爬升[3]。

仿真计算的主要步骤如下：

1) 建立仿真计算模型。采用全机建模(即机身外形全机建模)，根据不同机型的配置状态，对动力舱、发动机总体构型、动力舱内部管路和设备进行了必要的简化。简化模型直接影响流场分布情况。

2) 网格划分。全机计算网格采用非结构化网格，对计算关键区域进行局部加密(如动力舱进气口)达到提高计算精度的目的，对动力舱外流场区域网格作粗化处理。

3) 流场数值计算。通过流体力学软件(如Fluent)进行解算及后处理。边界条件设置是流场数值计算的关键，本仿真计算对边界条件进行了如下的设置：

①动力舱通风口边界条件、发动机舱流动出口(发动机尾喷口和尾喷口整流罩之间的区域)边界条件设置为内部(interior)；

②发动机尾喷口边界条件设为质量入口(mass-flow-inlet)；

③全机外部进口边界条件设置为速度入口(Velocity-inlet)；

④全机外部出口设置为自由出流(outflow)。

2.2 飞行通风量模拟系统的设计与实现

2.2.1 飞行通风量模拟系统的设计

由于动力舱内的流场非常复杂，所以试验时通常只模拟动力舱内的通风量大小，飞行通风量模拟系统的设计按以下步骤进行：

1)确定动力舱内的通风方式，抽风还是鼓风，原理图见图2；

2)确定空气质量流量测量方法和控制方法、传感器等，确定流量测量和控制方式时需要考虑试验要求、传感器的特性，并综合考虑实现成本；

3)计算通风管路的各项参数；

4)确定风机型号。

图2 飞行通风量模拟原理示意图

2.2.2 飞行通风量模拟系统的实现

在飞行通风量的模拟控制中，通过手动调节蝶阀的开度对通风量进行粗调，然后通过风机的出口挡板进行微调。使用热式气体质量流量计测量通风量。此流量计是采用热扩散原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系来直接测量气体质量流量。

具体的实现步骤如下：

1)按图2要求进行飞行通风量模拟系统的安装。

2)调试时检查系统的气密性，确保系统不漏气。

3)通过计算机采集空气质量流量计的信号；

4)启动离心风机，通过流量调节阀将风量值调节在设定值附近，然后再微调离心风机开口的大小，实现风量值的微调。

3 专用灭火剂浓度的测量

直升机灭火系统地面模拟试验需要测量Halon1301灭火剂浓度、空气质量流量、大气压力、湿度、温度等信号，灭火剂浓度是极其重要的测量参数。咨询通报AC20-100要求，在所有灭火剂取样点，灭火剂体积浓度必须大于6%，且各点同时维持6%体积浓度的时间不小于0.5s时，灭火系统才能满足灭火要求。因此灭火剂浓度是判断灭火系统设计是否合理的试验依据。由于直升机动力舱灭火系统喷射时间短、速度快，灭火剂在动力舱内保留时间很短，因而需要灭火剂浓度测量仪响应速度快，精度高。Halon1301灭火剂浓度的测量由专用灭火剂浓度测量系统来完成。该系统包括专用灭火剂浓度测量仪和专用数据采集软件，专用灭火剂浓度测量系统示意图见图3。

图3 专用灭火剂浓度测量系统组成示意图

3.1 专用灭火剂浓度测量仪

专用灭火剂浓度测量仪是测量灭火系统喷射后动力舱内灭火剂的浓度以及浓度分布情况的设备。针对目前国内外专用灭火剂浓度测量仪的发展技术和试验要求，研制了一台基于压差式原理的专用灭火剂浓度测量仪，它具有测量精度高、响应速度快、体积小、可靠性高、对环境适应能力强等特点。主要技术指标如下：

1) 工作原理：压差式灭火剂浓度测量；

2) 浓度分析方式：在线实时分析；

3) 测量气体种类：Halon1301(CF3Br)、CO2；

4) 测量范围：0～100%V/V(浓度)；

5) 测量误差：≤0.5%V/V(浓度)；

6) 测量响应时间：≤20ms；

7) 通道数：12通道。

3.2 专用数据采集软件

专用数据采集软件主要任务是采集动力舱内各点的灭火剂浓度，并给出灭火剂浓度值随时间的变化曲线，通过对试验数据的分析可以对灭火系统的灭火能力做出判断。本采集软件采用虚拟仪器技术、数据库管理技术、报表技术以及通用测试软件设计方法等技术，以虚拟仪器软件开发平台LabVIEW作为编程语言，具有稳定可靠、人机界面友好、良好操作向导及容错能力、操作简单的特点。采集软件功能示意图见图4，人机界面见图5。

图4 专用数据采集软件功能示意图

图5 专用数据采集软件主界面

4 试验方法

根据咨询通报AC20-100确定测点和安装步骤，制订了以下的试验方法。

试验前进行如下检查：

1) 检查所有传感器的安装情况；

2) 检查通风系统的工作情况；

3) 检查灭火剂浓度测试设备的连接情况，如传感器、真空泵、电源的连接，计算机的连接；

4) 检查动力舱内测点布置情况，确保测点布置符合测点布置图要求；

5) 检查测点的采样管路在动力舱内是否固定牢固，确保所有取样管长度相同，无折弯等现象，保障各测点测量时间轴相同；

6) 检查动力舱内是否清洁。

检查完毕，按以下的试验方法和步骤进行试验：

1) 打开灭火剂浓度测试设备机柜前面板上的总电源开关，预热灭火剂浓度测试系统30分钟；

2) 安装好排气管，启动真空泵；

3) 启动风机，调节模拟通风量为给定值 ，同时打开灭火剂浓度测试系统的测试软件，准备测试；

4) 待通风量稳定后，引爆电起爆器(灭火瓶喷射灭火剂)；

5) 通过专用灭火剂浓度测试仪实时记录各测试点灭火剂体积浓度，记录时间不少于30s，并绘制出浓度随时间变化的曲线，如图6；

6) 试验持续30s，关闭风机，真空泵继续工作20 min，确保灭火剂气体被完全排出。

图6 灭火剂浓度曲线图

5 结论

直升机动力舱灭火系统地面模拟试验技术已应用于多个型号，试验结果表明：

1) 飞行中临界气流条件的模拟可准确模拟直升机飞行中临界气流条件，飞行通风量模拟系统满足动力舱灭火系统地面试验要求；

2) 灭火剂浓度系统响应速度快，精度高，测量数据较好地反映了动力舱内各测点灭火剂的浓度随时间的变化情况，满足试验要求；

3) 本文介绍的试验技术具有一定的通用性，为后续型号直升机或固定翼的灭火系统地面模拟试验提供参考。

[1] General Guidelines for measuring fire-extinguishing agent concentration in power plant compartments[R]．FAA Advisory Circular AC NO．20-100,1977-9-21．

[2] Chamberlain G. Criteria for aircraft installation and utilization of an extinguishing agent concentration recorder[R],FAA Final Report No. FAA-DS-70-3, 1970．[3] 直升机适航参考资料[Z]．中国直升机设计研究所，1991．

[4] 李 丽．飞机发动机舱灭火剂浓度测量[J]．测控技术，2008(27)．

[5] 李丽芳．热式气体质量流量计在工业生产中的应用[J]．金属世界，2007(6)．

[6] 王 芳，余建祖．直升机动力舱流场计温度场的模拟[J]．航空动力学报，2005(2)．

[7] 谢永齐，余建祖．直升机动力舱通风冷却系统仿真[J]．航空动力学报，2006(2)．

[8] 张洪亭．测试技术[M]．沈阳： 东北大学出版社，2005．

Ground Simulation Test Technology about Helicopter Powerplant Fire-extinguishing System

WU Yanyan1，SUN Fei2,LUO Tiegou1，MIN Xingming1，GUO Fang1

(1.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China;2.Aviation Equipment Development Office of Army,PLA, Beijing 100012, China)

Ground simulation test is an important part of the design of helicopter powerplant fire-extinguishing system. During critical design review, test acquired datas can be used to optimize the powerplant fire-extinguishing system,such as main parameters、layout of discharge pipes and discharge spouts. After the system design is completed, the ground simulation test is used to demonstrate whether the fire-extinguishing system is satisfied with design requirements. This paper described the ground simulation test technology about the helicopter powerplant fire-extinguishing that includes the main objective of the ground test, the requirements of the ground test, simulation of flight critical condition and the measurement of Halon1301 agent concentration.

powerplant compartment；fire-extinguisher system；ground simulation test

2016-02-29

吴燕燕(1976-)女，安徽宿松人,大学学历，高级工程师，主要研究方向：系统试验测控技术和系统仿真。

1673-1220(2016)03-052-04

V244.1+2; V233

A