民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)初探

劉斌慧

【摘 要】本文概述了機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)概念構(gòu)架，并對民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)研究方向進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】分子篩；機(jī)載制氧；制氧-制氮耦合

0 引言

美國海軍于20世紀(jì)60年代初就開展了機(jī)載制氧裝置的研究。經(jīng)過近50多年的研究與發(fā)展， 機(jī)載分子篩制氧技術(shù)幾乎在所有歐美戰(zhàn)斗機(jī)上得到了應(yīng)用，成熟度已很高。我國機(jī)載分子篩制氧技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，自主研發(fā)的分子篩制氧系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于軍機(jī)。

近幾年來機(jī)載分子篩制氮技術(shù)（燃油箱惰化系統(tǒng)）研究和驗證，為分子篩制氧技術(shù)應(yīng)用于民用飛機(jī)提供了可借鑒工程經(jīng)驗和技術(shù)儲備。在燃油箱惰化系統(tǒng)中，氧氣是當(dāng)作廢氣排出機(jī)外的，而對氧氣系統(tǒng)來說，這些“廢氣”可以成為氧源，若在飛機(jī)上實現(xiàn)機(jī)載分子篩制氮系統(tǒng)和機(jī)載制氧系統(tǒng)的耦合，可提高機(jī)載系統(tǒng)的集成水平和使用效率。

機(jī)載分子篩制氧技術(shù)應(yīng)用于民用飛機(jī)，可能會成為航空氧氣專業(yè)近幾年的研究熱點和主攻方向。

1 機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)基本組成

機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)主要由氣源部分、制氧部分、供氧部分、備用氧部分、控制部分等組成。氣源部分包括進(jìn)氣裝置、穩(wěn)壓裝置、調(diào)溫裝置和過濾裝置，主要是將來自發(fā)動機(jī)某級引氣或壓縮機(jī)氣體進(jìn)行降溫和降壓處理，除去空氣中的水和雜質(zhì)；制氧部分由分子篩制氧裝置和氧氣增壓裝置組成，通過分子篩制氧裝置，采用變壓吸附方法分離出氧氣、氮?dú)獾葰怏w，氧氣加壓后輸入飛機(jī)的氧氣調(diào)節(jié)器，其它氣體排出機(jī)外；供氧部分由分配管路和氧氣面罩組成，將制氧部分產(chǎn)生的氧氣，依照供氧規(guī)律輸送給機(jī)上人員呼吸用；控制部分則是利用氧分壓傳感器裝置及控制裝置，自動控制輸出氧氣濃度及氧氣壓力。

2 民用機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)構(gòu)架探討

圖1為民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)概念構(gòu)架框圖。為安全起見，加裝機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)后，需配備一套備用氧氣瓶進(jìn)行供氧。機(jī)載制氧和氧氣瓶共用一套供氧管路和面罩。備用氧氣瓶選用小型氧氣瓶，在機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)供氧量不足或系統(tǒng)故障時（監(jiān)控機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的出口壓力），自動切換到備用氧氣瓶供氧。該概念構(gòu)架即適用于機(jī)組供氧，也適用于旅客供氧。

新研的民用飛機(jī)一般都配備了機(jī)載分子篩制氮系統(tǒng)。在進(jìn)行民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的設(shè)計時，可考慮與制氮系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計，分子篩分離出的富氮?dú)怏w用于燃油箱惰化，富氧氣體用于機(jī)上人員供氧，實現(xiàn)機(jī)載分子篩制氮系統(tǒng)和制氧系統(tǒng)的耦合，提高飛機(jī)的集成性，達(dá)到減重節(jié)能的作用。圖2是機(jī)載分子篩制氮-制氧耦合系統(tǒng)概念架構(gòu)。

3 機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的優(yōu)點

初步評估，相對于傳統(tǒng)的民用飛機(jī)氧氣系統(tǒng)，機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點：

1）供氧時間無限制：機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)具有長時不斷產(chǎn)氧、遠(yuǎn)距長時飛行供氧能力，特別適合需要配備長時間應(yīng)急供氧的飛機(jī)。

2）安全性高：傳統(tǒng)的民用飛機(jī)氧氣系統(tǒng)采用高壓氧氣瓶或化學(xué)氧發(fā)生器作為氧源。高壓氧氣瓶在安裝不當(dāng)或受到?jīng)_擊時，有發(fā)生爆炸的可能，歷史上已發(fā)生多起該類事故?；瘜W(xué)氧發(fā)生器在工作時會產(chǎn)生大量熱，處理不當(dāng)會損害周圍設(shè)備，安裝布置時需要進(jìn)行散熱隔熱設(shè)計。而機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)完全可避免高壓氣氧的易燃易爆隱患，也不會產(chǎn)生大量的熱。

3）維護(hù)性好：機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)僅需進(jìn)行必要的定期維護(hù)工作，維護(hù)時間短、費(fèi)用低，可減輕機(jī)務(wù)勤務(wù)負(fù)擔(dān)。尤其是對高高原機(jī)場，明顯減少了氧氣瓶充氧工作。

4）重量輕：機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)不受供氧時間的限制，在整個航程中隨時可以按需用氧，可避免加裝大量的氧氣瓶，顯著節(jié)省了重量和安裝空間。

4 民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)工作展望

民用飛機(jī)機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的研究工作尚處在概念設(shè)計階段。從系統(tǒng)集成方面考慮，筆者認(rèn)為后續(xù)可主要從以下幾個方面開展機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的研究工作：

1）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)如何滿足適航條款的要求。

2）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)構(gòu)架的優(yōu)化和細(xì)化，以及機(jī)載分子篩制氧-制氮耦合技術(shù)的研究。

3）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)在不同飛行條件下的供氧能力分析。

4）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)的輸出壓力控制技術(shù)研究。

5）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)引氣的影響分析。

6）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)配套面罩TSO標(biāo)準(zhǔn)的制訂（傳統(tǒng)的民用飛機(jī)機(jī)組氧氣面罩和旅客氧氣面罩均是TSO產(chǎn)品）。

7）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)供氣源的研究（如進(jìn)行空氣壓縮機(jī)供氣和發(fā)動機(jī)引氣的權(quán)衡分析）。

8）機(jī)載分子篩制氧系統(tǒng)安全性評估。

【參考文獻(xiàn)】

[1]肖華軍， 袁修干.機(jī)載分子篩制氧技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與動向[J].航空科學(xué)技術(shù)，1997（1）：26.

[責(zé)任編輯：曹明明]