燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗標準研究

王慧丹徐鵬國舒振杰劉紅娟

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團公司，北京 100022）

燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗標準研究

王慧丹1徐鵬國1舒振杰1劉紅娟2

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團公司，北京 100022）

針對燃油系統(tǒng)結(jié)冰，通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有標準，對燃油系統(tǒng)結(jié)冰的要求和驗證方法進行了梳理，對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)和研究，為燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗相關(guān)標準的制修訂提供了借鑒和指導。

燃油系統(tǒng)；結(jié)冰；試驗

飛機長時間在低溫條件下飛行，混入燃油中的水分會析出并凍結(jié)成冰，阻塞閥、泵、輸油管、過濾器和濾網(wǎng)，或使燃油附件或系統(tǒng)功能發(fā)生故障，使燃油系統(tǒng)失效而無法給發(fā)動機正常供油，造成流向發(fā)動機的燃油減慢或完全中斷，進而引起發(fā)動機熄火，危及飛行安全[1,2]。

為了解決燃油系統(tǒng)結(jié)冰問題曾采用過的措施包括加大濾網(wǎng)、增加旁路閥門、降低油濾稠密度、使用燃油加熱裝置和在燃油中加入防冰添加劑等[3]。燃油加熱裝置和防冰添加劑有效地防止了飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰，現(xiàn)已得到廣泛應用，但仍有可能遇到不含防冰添加劑的燃油，或使用代用燃油或應急燃油的情況，因此通過在結(jié)冰條件下，對飛機燃油系統(tǒng)加入不含防冰添加劑的燃油進行試驗，不僅可以驗證燃油系統(tǒng)工作的可靠性，而且可以避免燃油附件或系統(tǒng)的過度設(shè)計和試驗，減少不必要的費用成本和時間成本。

國內(nèi)原有軍用飛機一般不進行專門的結(jié)冰試驗，隨著民用飛機和大型軍用運輸機的發(fā)展，對于飛機安全性、可靠性的要求越來越高，按照適航條例的要求，必須通過燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗進行驗證，以確保在結(jié)冰條件下燃油系統(tǒng)能夠可靠運行。

國外相關(guān)資料表明，在工程應用中，結(jié)冰試驗的溫度和程序有很大的差異，對試驗設(shè)備、燃油配制、單程或循環(huán)試驗、是否采用防冰添加劑、試驗溫度、試驗時間、含水量分析和試驗后要求等相關(guān)內(nèi)容缺乏統(tǒng)一的要求。由于試驗方法差異很大，很難或者幾乎不可能準確比較從不同方法得到的試驗結(jié)果，并評價何種方法真實地代表了實際飛機環(huán)境或有效證明了符合性能要求。較為通用的燃油結(jié)冰試驗方法源于MIL-F-17874B《燃油系統(tǒng)安裝和設(shè)計》和SAE ARP 1401《燃油系統(tǒng)和附件結(jié)冰試驗》。該方法為燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的基本方法，針對特殊系統(tǒng)和附件的特定試驗程序以該方法為基礎(chǔ)[1]。

本文通過對國內(nèi)外已有的飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗標準的研究，對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的試驗要求、試驗項目和試驗方法進行了梳理和比較，對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)和分析，為我國飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗技術(shù)發(fā)展和標準的研究與制修訂提供支撐。

1 燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

目前可搜集到的飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗相關(guān)的國外技術(shù)資料十分有限，SAE ARP 1401B《燃油系統(tǒng)安裝和設(shè)計》中提到在軍用規(guī)范和飛機廠家報告中的結(jié)冰試驗要求和程序存在很大不同，對于特定的燃油系統(tǒng)或附件很難確定哪種試驗方法是最好的，SAE AIR 790C《關(guān)于飛機燃油系統(tǒng)中結(jié)冰問題的研究》中也指出，燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗采用的要求和程序差別很大，沒有最優(yōu)的通用試驗裝置或詳細試驗程序以覆蓋所有系統(tǒng)或附件的試驗。根據(jù)SAE ARP 1401B和SAE AIR 790C的內(nèi)容可以推測國外燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗研究已經(jīng)十分廣泛，并且試驗方法種類很多。但SAE AIR 790C作為2006年頒布的全面修訂版，其中介紹的燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗方法與1979年頒布的SAE ARP 1401中的方法一致，可見國外燃油結(jié)冰試驗研究至少已有30多年的歷史，而歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，一直沿用到現(xiàn)在，證明其試驗方法已非常成熟。

國內(nèi)在燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗方面的研究工作開展較晚，雖然在早期的運8等型號上，進行過一些燃油結(jié)冰試驗研究，但試驗內(nèi)容十分簡單，試驗方法也比較落后。較為全面系統(tǒng)的研究工作主要開始于ARJ 21飛機的研制。近年來，國內(nèi)結(jié)合ARJ 21飛機適航取證工作，對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗符合性驗證方法進行了研究，特別是在燃油系統(tǒng)試驗室試驗方面取得了較大進展，并對飛行試驗驗證方法進行了探索。

根據(jù)現(xiàn)有文獻，燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的關(guān)鍵技術(shù)主要包括試驗用燃油的配制、結(jié)冰試驗項目和試驗程序。燃油結(jié)冰試驗的項目主要包括系統(tǒng)連續(xù)工作、系統(tǒng)應急工作和附件工作試驗[2,4]。針對不同的試驗項目，試驗用燃油和試驗程序均不同，因此對應不同的燃油配制方法和試驗程序。這是燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的重點和難點所在，也是本文研究的重點。

2 燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗標準現(xiàn)狀

2.1 國外標準現(xiàn)狀

國外與燃油結(jié)冰試驗相關(guān)的標準主要有MIL-F-17874B《燃油系統(tǒng)安裝和設(shè)計》、SAE ARP 1401《燃油系統(tǒng)和附件結(jié)冰試驗》、SAE AIR 790《關(guān)于飛機燃油系統(tǒng)中結(jié)冰問題的研究》和適航條例FAR 25《運輸類飛機適航標準》。

2.1.1 FAR 25《運輸類飛機適航標準》

在FAR 25 §25.951“燃油系統(tǒng)”及§25.952“燃油系統(tǒng)分析和試驗”中對燃油系統(tǒng)結(jié)冰要求和試驗要求進行了規(guī)定，其中§25.951(c)規(guī)定“用于渦輪發(fā)動機的燃油系統(tǒng)在使用下述狀態(tài)的燃油時，必須能在其整個流量和壓力范圍內(nèi)持續(xù)工作：燃油先在27℃（80℉）時用水飽和，并且每10 l燃油含有所添加的2 ml游離水（每1美加侖含0.75ml），然后冷卻到在運行中很可能遇到的最臨界結(jié)冰條件?！?/p>

2.1.2 MIL-F-17874B《燃油系統(tǒng)安裝和設(shè)計》

MIL-F-17874B頒布于1965年8月，是目前搜集到的美軍標中最早有關(guān)燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的標準，其中規(guī)定了系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)、系統(tǒng)應急工作狀態(tài)、燃油過濾器旁路試驗條件和試驗用燃油的配制過程。

2.1.3 SAE ARP 1401《燃油系統(tǒng)和附件結(jié)冰試驗》

SAE ARP 1401首次頒布于1979年，1997年12月進行格式性修改，形成SAE ARP 1401A。2012年6月全面修改形成SAE ARP 1401B。該標準介紹了燃油結(jié)冰的成因和防止結(jié)冰的措施，并在標準研究背景中指出MIL-F-17874B提出的結(jié)冰試驗程序是迄今為止最簡明的程序，也是SAE ARP 1401的基礎(chǔ)。SAE ARP 1401分別對燃油系統(tǒng)和附件的試驗程序進行了規(guī)定，具體包括：系統(tǒng)連續(xù)工作和系統(tǒng)應急工作試驗用燃油的配制方法及試驗程序；附件試驗用燃油的配制方法和試驗程序。同時給出了系統(tǒng)試驗和附件試驗的試驗裝置圖。其中試驗用燃油的要求與MIL-F-17874B的內(nèi)容一致。但是SAE ARP 1401B版中試驗用燃油的初始溫度從27℃變?yōu)?9℃。此外，附件試驗改為有旁路功能的過濾器試驗。

2.1.4 SAE AIR 790C《關(guān)于飛機燃油系統(tǒng)中結(jié)冰問題的研究》

SAE AIR 790C頒布于2006年8月，是在1999年頒布的SAE AIR 790B的基礎(chǔ)上，綜合SAE ARP 1401的相關(guān)內(nèi)容修訂而成。SAE AIR 790C重點介紹了燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的試驗研究、試驗方法。燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的試驗裝置、試驗燃油配制方法和試驗程序與SAE ARP 1401的內(nèi)容一致，但增加了試驗裝置、試驗設(shè)備、試驗室水含量分析、試驗用燃油、燃油流速的要求。

2.2 國內(nèi)標準現(xiàn)狀

國內(nèi)與燃油系統(tǒng)結(jié)冰相關(guān)的標準主要有GJB 1003A-2006《飛機燃油系統(tǒng)通用規(guī)范》、GJB 2022-1994《燃油系統(tǒng)安裝和設(shè)計要求》、GJB 3577-1999《飛機燃油系統(tǒng)與附件的結(jié)冰要求和試驗》、GJB 3212-1998《飛機燃油系統(tǒng)飛行試驗要求》。

2.2.1 GJB 1003A-2006《飛機燃油系統(tǒng)通用規(guī)范》

GJB 1003A-2006中規(guī)定了“燃油系統(tǒng)結(jié)冰不應對系統(tǒng)工作產(chǎn)生有害影響。”由于該標準為頂層標準，對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗并沒有具體的要求。

2.2.2 GJB 2022-1994《燃油系統(tǒng)安裝和設(shè)計要求》

GJB 2022-1994規(guī)定了燃油系統(tǒng)結(jié)冰設(shè)計的要求和相關(guān)的試驗驗證內(nèi)容，對燃油系統(tǒng)附件結(jié)冰條件下性能試驗的附件表面溫度條件和試驗溫度進行了規(guī)定并且規(guī)定了試驗用含水燃油的配制過程。該標準參考了MIL-F-17874，因此對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的相關(guān)要求與MIL-F-17874基本一致。該標準中沒有給出具體的試驗程序和方法等，僅規(guī)定了試驗應開展的內(nèi)容和試驗條件。

2.2.3 GJB 3212-1998《飛機燃油系統(tǒng)飛行試驗要求》

GJB 3212-1998在5.14“燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗”中規(guī)定了燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的試驗目的、試驗要求、測量參數(shù)和試驗設(shè)備、試驗內(nèi)容和方法。由于該標準針對飛行試驗，因此對于燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的相關(guān)規(guī)定均為飛行試驗內(nèi)容。

2.2.4 GJB 3577-1999《飛機燃油系統(tǒng)與附件的結(jié)冰要求和試驗》

GJB 3577-1999規(guī)定了飛機燃油系統(tǒng)與附件的結(jié)冰要求和試驗。該標準較為系統(tǒng)和全面地規(guī)定了燃油系統(tǒng)與附件的結(jié)冰要求和試驗方法。試驗項目包括試驗室試驗：系統(tǒng)試驗（分為系統(tǒng)連續(xù)工作和系統(tǒng)應急工作）、附件試驗；機上地面試驗：系統(tǒng)連續(xù)工作、系統(tǒng)應急工作；飛行試驗：系統(tǒng)連續(xù)工作、系統(tǒng)應急工作。該標準參考了SAE ARP 1401，因此試驗室試驗中燃油配制過程、試驗設(shè)備、試驗程序的技術(shù)內(nèi)容與SAE ARP 1401A一致，但該標準增加了機上地面試驗和飛行試驗的驗證方法，較為全面地規(guī)定了燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的試驗要求、試驗程序和試驗方法等技術(shù)內(nèi)容。

研究發(fā)現(xiàn)，MIL-F-17874、SAE ARP 1401和SAE AIR 790構(gòu)成了燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的基礎(chǔ)，為燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的要求和試驗方法提供了很好的參考和依據(jù)，但是國外標準中缺乏機上地面試驗和飛行試驗的內(nèi)容。國內(nèi)已有的標準中，GJB 3577-1999不僅有效轉(zhuǎn)化了SAE ARP 1401和SAE AIR 790的相關(guān)內(nèi)容，同時也涵蓋了機上地面試驗和飛行試驗的相關(guān)試驗項目，對于燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗具有較好的指導作用。但由于GJB 3577-1999制定較早，有些項目不適用現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展，針對國內(nèi)最新的型號研制需要，應根據(jù)新研型號燃油系統(tǒng)結(jié)冰的技術(shù)特點進行剪裁和修改。

3 燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗關(guān)鍵技術(shù)

3.1 試驗項目

燃油系統(tǒng)結(jié)冰適航驗證可采用的方法有MOC4（試驗室試驗）、MOC5（機上地面試驗）、MOC6（飛行試驗）及MOC9（設(shè)備鑒定）[5,6]。

MOC4是在試驗室環(huán)境中模擬飛機在整個飛行包線內(nèi)，在各種飛行環(huán)境和飛行溫度下燃油系統(tǒng)的結(jié)冰情況。MOC4以其明顯的優(yōu)勢：可精確控制和監(jiān)控試驗過程中的燃油含水量；可精確控制試驗條件，即環(huán)境溫度和燃油溫度變化；可實時監(jiān)控測量環(huán)境溫度和燃油溫度；可對系統(tǒng)和附件的結(jié)冰情況進行觀察，一般作為燃油系統(tǒng)結(jié)冰的主要驗證方法[5]。MOC4又分為附件級和系統(tǒng)級試驗。在SAE ARP 1401B中強調(diào)附件級試驗和系統(tǒng)級試驗可以互相取代，但實際上附件級試驗往往比系統(tǒng)級試驗的試驗條件更為苛刻，而系統(tǒng)級試驗除了考慮對附件本身進行驗證外，還考慮了管路在飛行環(huán)境下的互相影響，包括是否會附著冰晶、是否會造成冰晶的凝固聚集或冰團脫落造成下游堵塞以及聚集或脫落的冰團對附件的影響。因此附件級試驗和系統(tǒng)級試驗各有側(cè)重，為了充分保障飛機燃油系統(tǒng)安全可靠，在試驗室試驗中對于系統(tǒng)級和附件級試驗均需驗證。

MOC5是將飛機加滿燃油在高寒機場停放較長時間，然后發(fā)動機開車，檢驗發(fā)動機和燃油系統(tǒng)是否能正常工作，以驗證燃油系統(tǒng)在低溫燃油條件下的啟動和工作。由于地面很難將燃油溫度冷卻到運行中可能遇到的最臨界結(jié)冰條件，并且在機上地面試驗中無法驗證飛機在高空飛行時系統(tǒng)的工作情況，因此一般不采用MOC5進行燃油系統(tǒng)結(jié)冰驗證。

MOC6是在飛行中驗證燃油系統(tǒng)的結(jié)冰適航符合性。通常在地面將配制好的燃油加入飛機某一特定油箱內(nèi)，其余油箱加入有防冰添加劑的正常燃油，試驗時，僅向選定的試驗發(fā)動機供給配制好的試驗用燃油，其余發(fā)動機則使用正常燃油進行工作。MOC6一般作為飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰的輔助性驗證方法。由于在飛行條件下，如果燃油結(jié)冰嚴重堵塞了發(fā)動機供油，會對飛行造成很大的危害，因此采用MOC6時必須提供相應的安全措施。

MOC9 通過對燃油系統(tǒng)附件的鑒定表明燃油系統(tǒng)附件的設(shè)計和試驗符合適航要求。通常附件供應商會在附件驗證試驗中進行附件級結(jié)冰試驗，如果附件在已經(jīng)取證的飛機上使用，但進行了微小更改，可在適航當局認可的情況下采用相似性證明。對于新研飛機的適航取證，一般不采用MOC9。

因此，燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗的項目通常包括：試驗室試驗：系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)、系統(tǒng)應急工作狀態(tài)和附件試驗；飛行試驗：系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)、系統(tǒng)應急工作狀態(tài)。

3.2 試驗用燃油

對試驗用燃油的要求是飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗中需要明確規(guī)定的內(nèi)容之一。SAE ARP 1401中規(guī)定，試驗用燃油可采用含有10%～25%芳香化合物的JP-4、JP-5、JetA 或Jet A-1，但試驗用燃油必須不含任何防冰添加劑，如果含有則應該用水進行沖洗，直到防冰添加劑含量小于百萬分之一。GJB 3577-1999中規(guī)定“燃油系統(tǒng)應使用飛機型號規(guī)范中所規(guī)定的任何一種燃油”。

在SAE ARP 1401A、SAE AIR 790C和GJB 3577-1999中均規(guī)定了系統(tǒng)連續(xù)工作試驗用燃油“在27℃含水量達到飽和”，系統(tǒng)應急工作試驗用燃油“在27℃含水量達到飽和后，每升燃油中再加入0.2ml的游離水”，附件試驗用燃油“在27℃含水量達到飽和后，每升燃油中再加入0.53ml的游離水”。在SAE ARP 1401B中對于試驗用燃油的溫度要求為29℃，含水量要求相同。

SAE ARP 1401B、SAE AIR 790C和GJB 3577-1999對試驗用燃油配制的程序也進行了詳細規(guī)定。燃油配制的基本程序為：首先通過對每升燃油注入水的量、注水流速、循環(huán)時間進行控制以達到燃油和水均勻配比，實現(xiàn)含水飽和燃油的配制，并在此基礎(chǔ)上通過水分離器和取樣檢測嚴格控制燃油中的含水量。針對系統(tǒng)應急工作狀態(tài)和附件試驗中所需燃油在含水飽和的基礎(chǔ)上需添加游離水，在飽和燃油中通過氣動霧化噴嘴將游離水按照要求的量注入燃油，實現(xiàn)不同含水量燃油的配制。

燃油配制過程中和試驗結(jié)束后均有采樣檢測，嚴格保證燃油含水量滿足要求。

3.3 試驗要求

在GJB 3577-1999中對燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗各項目的試驗過程進行了描述，對于試驗室試驗，燃油配制和試驗均在同一套試驗裝置上進行，首先通過試驗裝置循環(huán)進行試驗用燃油的配制，當燃油達到試驗規(guī)定的含水量后，停止循環(huán)開始試驗；對于機上地面試驗/飛行試驗，利用試驗室試驗裝置配制好燃油后加入試驗油箱進行后續(xù)試驗。

根據(jù)試驗室試驗、機上地面試驗和飛行試驗的差異，試驗的內(nèi)容和要求均有不同，在試驗室試驗中，系統(tǒng)連續(xù)工作、應急工作試驗和附件試驗也有不同的要求。

3.3.1 針對試驗室試驗和機上地面試驗，應重點規(guī)定的內(nèi)容包括：

1) 試驗件的表面溫度和被試燃油的溫度；

2) 試驗中燃油的冷卻速度；

3) 試驗燃油的流量；

4) 不同溫度對應的試驗時間；5) 試驗主要測量參數(shù)。

3.3.2 針對飛行試驗，應重點規(guī)定的內(nèi)容包括：1) 試驗的環(huán)境溫度與試驗燃油的溫度；2) 試驗前的準備；

3) 試驗過程中的被試發(fā)動機出現(xiàn)工作不正常時應采取的措施；

4) 試驗飛行剖面的確定。

4 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗研究和技術(shù)現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗是目前公認的驗證燃油系統(tǒng)結(jié)冰是否符合設(shè)計要求的有效手段。國外經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成較為成熟的試驗方法，但是國內(nèi)該項研究的開展較晚，且在已有型號中真正應用較少，與國外技術(shù)現(xiàn)狀存在較大差距。由于適航條例對燃油系統(tǒng)結(jié)冰要求的提出，燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗將越來越多應用于民用飛機和大型軍用運輸機，保證飛機滿足適航要求，提高飛機的安全性。

本文通過燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗相關(guān)標準研究，梳理了國內(nèi)外相關(guān)標準中對燃油系統(tǒng)結(jié)冰的要求和驗證方法，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容進行了整理和分析。本文明確了燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗項目通常包括試驗室試驗（含系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)、系統(tǒng)應急工作狀態(tài)和附件試驗）、飛行試驗（含系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)、系統(tǒng)應急工作狀態(tài)），確定了系統(tǒng)連續(xù)工作試驗、系統(tǒng)應急工作試驗和附件試驗用燃油的要求，進而歸納了各個試驗項目的試驗要求中應重點規(guī)定的內(nèi)容，為今后型號專用燃油系統(tǒng)結(jié)冰試驗標準的制定及后續(xù)GJB 3577-1999的修訂提供了借鑒和指導。

[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] 張宇. 關(guān)于飛機燃油系統(tǒng)中結(jié)冰問題的研究及試驗. 中國航空學會2007年學術(shù)年會[C], 2007.

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

[5] 劉德剛, 周宇穗. 民用飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰適航驗證方法研究[J]. 民用飛機設(shè)計與研究, 2011, (2):32-39.

[6] 王京婭, 孫有朝, 王豐產(chǎn). 大型民用飛機燃油系統(tǒng)結(jié)冰適航符合性驗證方法研究. 2010年航空器適航與空中交通管理學術(shù)年會論文集[C].2010.

（編輯：勞邊）

V228.1

C

1003-6660（2014）05-0003-05

10.13237/j.cnki.asq.2014.05.001

[收修訂稿日期] 2014-07-27