飞机燃油箱地面预洗涤技术理论研究

何　勇，李超越

（1.海军驻南京地区航空军事代表室；2.南京航空航天大学，南京210016）

飞机燃油箱地面预洗涤技术理论研究

何勇1，李超越2

（1.海军驻南京地区航空军事代表室；2.南京航空航天大学，南京210016）

基于氧氮质量守恒关系，建立了飞机燃油箱爬升过程中气相空间、燃油中平衡氧浓度及地面预洗涤的数学模型，并采用微元段法对其进行了求解。计算结果显示，当采用富氮气体进行地面预洗涤后时达到的平衡浓度越低，则可达到的安全巡航高度越高。由于爬升过程中逸出的氧气很多会排出燃油箱外，因而地面预洗涤时，并不需要将燃油中氧质量浓度降低至安全气相浓度所对应极限质量浓度，且飞机燃油箱中的初始载油率对洗涤后的氧质量浓度有直接要求，当载油率越高，需要将燃油中的氧质量浓度洗涤的越低。计算还显示，在地面洗涤时，油罐中的油量也对换气次数有直接影响。通过选择合适浓度的富氮气体在地面预洗涤燃油箱，可保证飞机在巡航高度下氧浓度在安全范围内，但是会在一定程度上增加设备的初投资费用。文章的研究结果可为燃油地面预洗涤的工程设计奠定初步的理论基础

燃油箱；洗涤；氧浓度；惰化

近50年的空难数据显示，飞机燃油箱的燃烧爆炸已成为飞机失事的重要因素。因此，从20世纪80年代开始，美国就着手进行了燃油箱惰化技术的研究，以减少飞机燃油箱燃爆事故的发生[1-2]。随着国产大飞机项目的投产和新型战机的研制，国内近年来也对燃油箱惰化技术进行了大量的理论和实验研究[3-4]。

油箱惰化技术可分为被动式防火抑爆措施、主动式防火抑爆措施2类[5]。被动式防火抑爆措施主要通过填充抑爆泡沫，将油箱内混合气体的燃烧控制在局部，即油箱在某一部分发生燃烧情况后，可抑制燃烧的蔓延，防止油箱内气体压力超过承载限度造成爆炸。而主动式防火抑爆措施则通过某种技术降低油箱上部气相空间氧浓度，使其在遭遇点火源的情况下，因无充足的氧气而无法燃烧。机载制氮惰化技术是目前最为流行的一种防火抑爆技术[6-9]，但是其尺寸、重量较大，特别是需要在飞机上进行复杂的管路布置，因而大大增加了设计的复杂性。

因此，另外一种设计思路就是在地面将燃油箱中的氧气浓度预先降低至一定的浓度，从而简化机载惰化系统中的管路设计。但是由于燃油中溶解了大量的氧气，随着飞机爬升，环境压力逐渐降低，溶解氧氮气体会从燃油中逸出或向燃油中溶解，因而仅仅处理燃油箱上部气相空间远不能满足要求，需要将燃油在地面进行预先洗涤，即将富氮气体通入燃油中，从而置换出溶解的氧气，这样飞机在爬升过程中，所逸出的氧气量大大降低，从而保证油箱上部气相空间氧浓度不会超标。文献[10]提出了地面预洗涤的流程，研究结果也表明，燃油在采用地面预先洗涤后，由于洗涤后的燃油直接加注到油箱中，飞机可不安装机载洗涤装置，这就大大简化了设备的复杂性。同时，该文献也对采用开式和闭式油罐的洗涤效果进行了比较。

但该研究中仅分析了洗涤时间与燃油中氧浓度变化关系，并没有根据巡航高度及富氮气体中含氧量不同来确定洗涤所需达到的最终氧浓度要求。有鉴于此，本文参照文献[11]中所提出的爬升过程中平衡氧浓度计算方法及文献[10]中开式油罐地面预洗涤的计算模型，分析了不同巡航高度下燃油地面预洗涤时所需达到的洗涤效果及需要采用的富氮气体浓度。

1　数学模型

为了简化燃油地面预洗涤过程及洗涤后充入油箱中燃油随着爬升过程中氧氮的逸出计算，本文作出如下的假设：

1）燃油液相与其上部气相空间温度相等，不考虑温度差异；

2）洗涤所用富氮气体通入燃油底部后迅速与燃油充分混合，且没有富氮气体直接进入气相空间，逸出的氧气和氮气混合物也与气相空间充分混合；

3）氧气与氮气混合后按照分压比排出油罐，并保持油罐中的压力恒定，恒等于环境压力；

4）忽略燃油蒸汽压对洗涤及爬升过程中氧氮逸出的影响。

对于石油制品，常用阿斯特瓦尔德系数来表征气体在燃油中的溶解量，它的含义是单位体积燃油在气体和液体规定的气体分压和温度下处于平衡时溶解的气体体积，其关系为[12]：

式（1）中：T为气体和燃油温度；d为燃油在15℃时的密度；β0为密度为850 kg/m3的燃油在15℃时的系数；氧气为0.16，氮气为0.069。

1.1燃油箱爬升过程中平衡氧浓度计算模型

任意状态时，气相空间和燃油中的氧氮满足平衡关系，且油箱中的压力与外界环境压力相等，则任意高度下氧氮的分压为：

任意高度下燃油中氧氮质量浓度为：

式中，RO和RN分别为氧氮的气体常数。

参照文献[11]的计算模型，则当高度变化ΔH时，燃油中氧氮质量浓度变化量为：

由于假设氧氮成比例排出，因而新高度下氧氮分压比应该与气相空间氧氮摩尔比相同，即：

1.2地面预洗涤工作原理及数学模型

燃油地面预洗涤系统采用开放式油箱，通过设置在油箱底部的引射器，将燃油与惰性气体混合，再通过细小喷管将富氮气体通入油罐内燃油中，置换其中的氧气，降低燃油中的含氧量，其基本原理见图1。参照文献[10]，建立地面燃油预洗涤过程数学模型。

图1　燃油地面预洗涤示意图Fig.1 Diagram for fuel ground-based prescribing

燃油中的氧氮分压与溶解氧氮摩尔质量之间满足如下关系式：

在dt微元时间间隔内，充入油罐底部的富氮气体，与燃油充分溶解，使其溶解氧分压增高，从而产生向气相空间逸出的趋势，从燃油逸出的氧氮气体与气相空间原有气体充分混合，最终排出油罐。首先，以燃油所占液相体积VF为控制体积建立物料平衡方程：

然后，以气相空间VU为控制体积则可得到以下氧氮质量守恒方程式：

气相空间气体混合后按照氧氮分压比排出：

氧气与氮气也按照分压比从燃油中溢出：

因为油罐与大气直接连通，所以认为油罐中的总压力与大气环境相一致。各分压之间的关系如下：

式（15）、（16）中，MO和MO是氧氮分子量。

联立以上各式，通过微元法可得到洗涤过程中燃油与气相空间含氧量随时间的变化规律。

2　结果与分析

选取燃油为RP-3号燃油，燃油箱体积为1 m3，温度为30℃，计算了不进行地面预洗涤及几种洗涤至不同浓度后的燃油加注到飞机燃油箱中，随着飞机的爬升，气相空间的氧浓度随高度的变化关系，如图2所示。从图2中可见，随着高度的增加，由于燃油中氧气的逸出，均会造成气相空间氧浓度的增加。特别是不洗涤时，飞行至12km后，气相空间氧浓度大于35%，这与文献[11]中计算结果一致。而采用地面预洗涤后，爬升至同样巡航高度时，气相空间氧浓度显著降低，即地面预洗涤是一种十分有效的惰化技术。

通常，惰化技术中规定军机气相空间安全氧浓度为9%[6]，从图2中可发现，当地面预洗涤至气相空间浓度为5%时，爬升至约10.3km巡航高度后，气相空间氧浓度超过安全氧浓度，而当洗涤至3%时，则安全巡航高度约为17km，洗涤至1%时，则爬升至20km巡航高度时仍可保证油箱氧浓度在安全值以下。

图2　不同初始平衡氧浓度下爬升后气相氧浓度变化关系Fig.2 Variation relationship of ullage oxygen concentration after climbing at different initial equilibrium oxygen concentration

如果认为洗涤的时间无限长，则洗涤终了时气相空间氧浓度应当与富氮气体中氧浓度一致[10，14]。因此，图3计算了不同巡航高度下，富氮气体中最高的含氧摩尔浓度。从图3中可发现，虽然安全氧摩尔浓度为9%，但随着巡航高度的增加，地面预洗涤所采用的富氮气体中氧浓度要逐渐降低，且基本呈线性关系。

图3　洗涤的富氮气体中氧含量最高值随巡航高度变化Fig.3 Change of the maximum oxygen content in the scribed nitrogen-rich gas along with the cruising altitude

但是，前述已经说明，图3由于采用的富氮气体中含氧量与最终预洗涤达到的含氧量相同，即洗涤时间为无限长，但是实际情况下，完全可以用比图3计算纯度更高的富氮气体进行有限时间的洗涤即可。然而如果所采用的富氮气体并不按照图3选取，那么如何确定洗涤到什么程度时刻达到洗涤要求呢？

若认为巡航高度下，气相空间安全氧浓度为9%，则可十分简单地根据式（2）、（3）计算出与之所平衡中的燃油中溶解氧气质量浓度。只要在某个巡航高度下，燃油中溶解氧气质量浓度低于计算平衡值，则在巡航高度下氧气不会从燃油中向气相空间逸出，气相空间氧摩尔浓度会始终低于9%，处于安全范围之下。

图4对该极限平衡情况进行了计算。从图中可见，在12km巡航高度时，只要燃油中的溶解氧质量浓度低于约6 mg/m3，则绝对安全；而随着巡航高度增加，该极限溶解氧质量浓度也相应降低，在20km时，则需要低于约1.2 mg/m3。

但是，如前所述，由于爬升过程中逸出的氧气很多会排出燃油箱外，因而地面预洗涤时，并不需要将燃油洗涤到图4中所示的极限质量浓度。可根据1.1节所建立的模型反算出地面预洗涤结束时燃油中的溶解氧质量浓度，如图5所示。从图5中可见，地面预洗涤所要求的溶解氧质量浓度远小于图4所计算的巡航高度下的极限溶解氧质量浓度，两者的差值就是爬升过程中氧气从燃油中逸出的质量，这部分逸出的氧气有一部分被排放到环境中，还有一部分停留在燃油箱中，被初始的低浓度气相空间所“中和”和“缓冲”。由于溶解的氧气逸出量与载油量相关，因而会对实际洗涤结束时溶解氧质量浓度的选取有直接影响。

图4　不同巡航高度下燃油中安全的氧气质量浓度Fig.4 Safe oxygen concentration of fuel at different cruising altitudes

图5　不同巡航高度下地面预洗涤后燃油中氧气质量浓度Fig.5 Oxygen mass concentration of fuel after ground-based prescribing at different cruising altitudes

从图5中可见，当载油量降低时，燃油的质量也降低，逸出的氧气总质量减少，同时气相空间体积也增加，可用于“缓冲”逸出氧的能力也越大，故初始载油量越少，则地面预洗涤的要求就越低。

由于预洗涤时，富氮气体的流量和时间均会对洗涤产生影响。为了分析，定义一无量纲准则数，即体积置换次数，其表达式如下：

式中，ρNEA是富氮气体密度。

考虑到军机中的初始载油量都较大，基本达到膨胀线附近，因而认为飞机燃油箱初始载油量为95%，燃油分别采用不同的富氮气体、不同油罐存油量进行了计算，结果如图6所示。从计算结果可见，在相同的巡航高度下，惰化气体中含氧量越低，则所需的换气次数越少，而油罐车中存油量越少，则换气次数也越少。以油罐车存油量60%、巡航高度12km为例，当采用氧摩尔浓度为3%的富氮气体洗涤时，所需换气次数为0.35次，而当富氮气体含氧摩尔浓度降低至1%时，则可缩短为0.24次。此外，从图6中可见，当巡航高度超过12km后，如果采用氧摩尔浓度为5%的富氮气体时，则无论换气次数多大，也无法达到洗涤的要求。

图6　不同纯度富氮气体洗涤时气相和燃油中氧浓度变化Fig.6 Change of oxygen concentration in ullage and fuel under scribing by nitrogen-rich gas with different purity

3　结论

通过建立飞机燃油箱爬升过程气相和燃油中平衡氧浓度及地面预洗涤计算模型，对地面预洗涤的洗涤要求进行了分析计算。研究结果表明，在地面对燃油进行预洗涤从理论上是可行的，这样无须在飞机上设置洗涤管路，可减少飞机本身的一部分设计工作。洗涤所需的富氮气体必须有较高的纯度，从安全性而言，不推荐含氧量为5%的富氮气体，而应当采用含氧量为1%的富氮气体或纯氮气。

然而即使燃油采用地面预洗涤后，飞机上仍需要设置机载制氮系统，用于填充燃油消耗所造成的空间增加及保证飞机在俯冲、降落时油箱内部增压。

但地面预洗涤会增加了后勤保障的难度，增加了诸多不安全因素，从系统角度而言，取消机载洗涤，而用地面预洗涤，预计会降低油箱惰性化技术的全寿命经济性，同时增加了油箱的起火爆炸的风险。这些问题需要在未来的工作中进一步研究和评估。

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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，工程师，硕士。