APU火警探測(cè)系統(tǒng)溫度特性分析

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

0 引言

輔助動(dòng)力裝置(簡(jiǎn)稱APU)是裝在飛機(jī)上的一臺(tái)不依賴于機(jī)外任何能源、自稱獨(dú)立體系的小型燃?xì)鉁u輪動(dòng)力裝置[1-4]，其功用是為飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)提供壓縮空氣，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向飛機(jī)提供應(yīng)急電源，是飛機(jī)的重要子系統(tǒng)[5-8]。

APU系統(tǒng)包括APU、燃油和控制系統(tǒng)、點(diǎn)火和起動(dòng)系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、冷卻通風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)氣和排氣系統(tǒng)等。APU防火系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力裝置系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于飛機(jī)的安全性起著至關(guān)重要的作用，特別是對(duì)于大型運(yùn)輸類飛機(jī)而言，當(dāng)APU出現(xiàn)火情后，火警探測(cè)系統(tǒng)為機(jī)組提供快速準(zhǔn)確的報(bào)警指示，提示機(jī)組采取有效的滅火措施，將飛機(jī)發(fā)生著火或過熱等危險(xiǎn)狀況后的危害和損失控制在最小，以保證機(jī)組和乘客的安全。

為了評(píng)估APU火警探測(cè)系統(tǒng)的性能，一般需通過飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證。本文基于某民用飛機(jī)APU系統(tǒng)合格審定試飛，測(cè)量了APU火警探測(cè)系統(tǒng)環(huán)境溫度，研究APU火警探測(cè)系統(tǒng)溫度變化特性和探測(cè)系統(tǒng)評(píng)估方法，為APU火警探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)提供借鑒。

1 試驗(yàn)對(duì)象描述

某型號(hào)民用飛機(jī)選用的輔助動(dòng)力裝置是一臺(tái)恒速、600馬力燃?xì)鉁u輪輔助動(dòng)力裝置，其主要功能為：1)在4.5 km以下的機(jī)場(chǎng)和4.5 km以下的高度為環(huán)控系統(tǒng)提供引氣；2)在4.5 km以下的機(jī)場(chǎng)和7.5 km以下高度作為起動(dòng)主發(fā)的氣源；3)在4.5 km以下的機(jī)場(chǎng)和整個(gè)飛行包線內(nèi)作為飛機(jī)的輔助電源。

APU火警探測(cè)系統(tǒng)采用線狀火警探測(cè)元件。探測(cè)元件的電阻值隨溫度升高而減小，當(dāng)周圍的環(huán)境溫度超過設(shè)定值時(shí)，由防火控制盒通過航電系統(tǒng)向機(jī)組人員發(fā)出EICAS(飛行機(jī)組指示系統(tǒng))報(bào)警和語(yǔ)音報(bào)警。APU火警探測(cè)系統(tǒng)安裝在前、后防火墻上。APU火警探測(cè)系統(tǒng)均采用雙環(huán)路結(jié)構(gòu)，每條環(huán)路可獨(dú)立完成探測(cè)功能。當(dāng)兩條環(huán)路都正常工作時(shí)，防火控制盒采用雙環(huán)路工作模式，即兩條環(huán)路均有報(bào)警時(shí)才認(rèn)為APU有火警。當(dāng)一條探測(cè)環(huán)路故障后，防火控制盒自動(dòng)切換為單環(huán)路工作模式，即只要有一條環(huán)路報(bào)警就認(rèn)為有火警。

2 試飛方法

試飛過程中需對(duì)APU火警探測(cè)器環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量。在火警探測(cè)器附近分別加裝環(huán)境溫度傳感器，測(cè)量部位包括前防火墻(T1、T2)和后防火墻(T1、T2)?；鹁綔y(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是測(cè)量火警探測(cè)器的最高環(huán)境溫度。這需在APU運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，并給APU施加最大引氣負(fù)載和電負(fù)載條件下進(jìn)行。通常，飛機(jī)上的用電系統(tǒng)不能使APU電功率輸出達(dá)到最大，需在飛機(jī)上加裝額外的負(fù)載系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)飛行試驗(yàn)過程中，APU電功率輸出均處于最大狀態(tài)。試驗(yàn)狀態(tài)包括：①起飛前APU地面穩(wěn)定工作，②爬升、不同高度穩(wěn)定平飛、下降過程，③飛機(jī)返場(chǎng)后的APU停車階段。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1給出了整個(gè)飛行過程中飛行高度、APU轉(zhuǎn)速、APU引氣狀態(tài)和電負(fù)載的時(shí)間歷程曲線，圖2給出了整個(gè)飛行過程中火警探測(cè)器環(huán)境溫度時(shí)間歷程曲線。試驗(yàn)結(jié)果如下：

在地面APU完成起動(dòng)后，APU在最大引氣和最大電功率條件下穩(wěn)定工作，APU火警探測(cè)器環(huán)境溫度(T1、T2、T3、T4)逐漸上升，APU穩(wěn)定工作50 min后，火警探測(cè)器環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定(溫度變化率小于1.1 ℃/min)。

利用APU引氣起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后飛機(jī)滑跑、起飛，存在速度后，由于沖壓作用，外界氣流從APU冷卻進(jìn)氣口進(jìn)入APU艙，艙內(nèi)冷卻條件得到改善，火警探測(cè)器環(huán)境溫度開始下降。

在飛機(jī)起飛爬升過程中，隨著速度的增加，高速的外界氣流在沖壓進(jìn)氣道中減速增溫，使艙內(nèi)冷卻效果變差，火警探測(cè)器環(huán)境溫度這時(shí)隨著速度的增加而略微上升。飛機(jī)完成起飛爬升后，接著隨高度的增加，大氣溫度降低，外界冷空氣通過冷卻進(jìn)氣口和進(jìn)氣道進(jìn)入APU艙和APU內(nèi)，使冷卻火警探測(cè)器環(huán)境溫度取得良好效果。飛機(jī)在某一高度上平飛，隨飛行時(shí)間的增加，APU艙內(nèi)的冷卻效果得到改善，火警探測(cè)器環(huán)境溫度隨之降低。在飛機(jī)從高空下降、返場(chǎng)等過程中，大氣溫度逐漸升高，使APU艙內(nèi)冷卻效果變差，火警探測(cè)器環(huán)境溫度這時(shí)隨高度的降低而上升。APU卸載關(guān)車，火警探測(cè)器環(huán)境呈略微下降趨勢(shì)。APU關(guān)車后，外界沖壓冷卻空氣消失，APU本體散發(fā)的熱量導(dǎo)致火警探測(cè)器環(huán)境溫度呈先上升后下降的趨勢(shì)。

試飛結(jié)果表明，火警探測(cè)器環(huán)境溫度最大值出現(xiàn)在起飛前APU地面開車階段或飛機(jī)著陸后APU關(guān)車后的熱浸透階段。對(duì)于APU火警探測(cè)系統(tǒng)，符合性驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)在地面、起飛、爬升及不同高度平飛及飛機(jī)著陸后APU關(guān)車階段考核，重點(diǎn)應(yīng)考核起飛前APU地面開車階段和飛機(jī)返場(chǎng)后APU關(guān)車后的熱浸透階段，在APU開車階段，還應(yīng)給APU施加最大的電氣負(fù)載和引氣負(fù)載。

4 火警探測(cè)系統(tǒng)評(píng)估方法

適航條例要求[9]，火警探測(cè)器的數(shù)量和位置要保證能迅速探測(cè)該區(qū)的火警，在可能出現(xiàn)的油、水和其它液體或氣體條件下不得影響報(bào)警。從條款要求來看，火警探測(cè)器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：1)把指示火災(zāi)的溫度極限定得盡量低一些；2)留有一定的余量以避免虛假報(bào)警。因此，在飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過程中火警探測(cè)器的真實(shí)最高環(huán)境溫度對(duì)設(shè)計(jì)單位制定合理的報(bào)警溫度值具有重要指導(dǎo)意義。

為了對(duì)安裝的火警探測(cè)系統(tǒng)定義可接受的設(shè)定裕度，按照CCAR25.1043(b)冷卻試驗(yàn)要求的最大熱天溫度(海平面環(huán)境溫度至少規(guī)定為37.8℃)測(cè)量的火警探測(cè)器最高溫度值與定義的火警探測(cè)器報(bào)警溫度設(shè)定值相比較，火警探測(cè)器最高溫度值和報(bào)警溫度值之間的裕度應(yīng)在65℃～120℃[10]。保持這個(gè)裕度可以確保不會(huì)發(fā)生過多的假火警而且能夠探測(cè)到著火。

某飛機(jī)環(huán)境包線定義如下：

當(dāng)Hp≤4.5 km

Th=ISA+40=15-6.5*Hp+40

(1)

當(dāng)4.5 km

Th=ISA+35=15-6.5*Hp+35

(2)

Th—飛機(jī)環(huán)境溫度包線右邊界溫度，℃；

Hp—?dú)鈮焊叨?，km；

一般試驗(yàn)天的環(huán)境溫度低于飛機(jī)環(huán)境溫度包線右邊界規(guī)定的溫度，采用公式(3)對(duì)試驗(yàn)中采集的火警探測(cè)器環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

T=Tc+(Th-Ta)

(3)

T—修正后的火警探測(cè)器環(huán)境溫度，℃；

Tc—實(shí)際測(cè)量的火警探測(cè)器環(huán)境溫度，℃；

Ta—環(huán)境溫度，試驗(yàn)中火警探測(cè)器最高溫度首次出現(xiàn)時(shí)的外界大氣溫度，℃。

圖3

圖3給出了整個(gè)飛行過程中火警探測(cè)器各測(cè)點(diǎn)最高溫度值(Tc)、修正后的最高溫度值(T)和推薦的報(bào)警溫度值(Tb)。試驗(yàn)結(jié)果表明，飛行試驗(yàn)中測(cè)量的火警探測(cè)器最高溫度值101.3℃，按照MIL-F-7278C的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，推薦的報(bào)警值為221.3℃。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)單位最終確定的APU火警探測(cè)系統(tǒng)報(bào)警溫度值為221℃。

5 結(jié)論

APU火警探測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)是民用飛機(jī)防火系統(tǒng)適航取證的重要考核內(nèi)容，對(duì)于某型號(hào)飛機(jī)，APU火警探測(cè)系統(tǒng)溫度特性如下：APU火警探測(cè)器環(huán)境溫度隨高度上升而下降，火警探測(cè)器環(huán)境溫度的最大值出現(xiàn)在地面APU開車階段或APU關(guān)車后的熱浸透階段。

采用合適的數(shù)據(jù)修正方法對(duì)實(shí)際測(cè)量的火警探測(cè)系統(tǒng)最高溫度進(jìn)行修正，對(duì)合理設(shè)定火警探測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警溫度值具有重要指導(dǎo)意義。

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