民用飛機(jī)加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)研究

宋志強(qiáng)

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院動力燃油系統(tǒng)設(shè)計研究部，上海201210）

民用飛機(jī)加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)研究

宋志強(qiáng)

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院動力燃油系統(tǒng)設(shè)計研究部，上海201210）

加油系統(tǒng)是民用飛機(jī)的重要系統(tǒng)，壓力加油切斷控制系統(tǒng)是飛機(jī)加油系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，壓力加油切斷控制系統(tǒng)需在目標(biāo)加油量或最大加油量時準(zhǔn)確切斷加油，可靠性和維修性也是加油切斷控制系統(tǒng)設(shè)計需考慮的重要因素。對幾種典型的加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究分析，對比其優(yōu)勢、弊端，給出了各種架構(gòu)適用的飛機(jī)類型。

民用飛機(jī)；加油切斷；控制系統(tǒng)

加油系統(tǒng)是民用飛機(jī)的重要系統(tǒng)，每次飛行之前都要對飛機(jī)進(jìn)行加油。加油方式通常有重力加油和壓力加油兩種方式［1］。重力加油一般作為小型、中型民用飛機(jī)的備份功能，壓力加油是所有民用飛機(jī)必須具備的功能。

飛機(jī)對壓力加油系統(tǒng)的基本要求是快速、安全、準(zhǔn)確切斷和可靠性?？焖偌达w機(jī)加油時間需滿足飛機(jī)過站準(zhǔn)備時間的限制，以保證飛機(jī)派遣，增加盈利能力。對壓力加油系統(tǒng)的安全性要求包括油箱防爆要求［2］、最大加油量限制等，壓力加油系統(tǒng)應(yīng)限制加油流速，盡量減少或避免電氣部件進(jìn)入油箱以滿足油箱防爆要求；最大加油量限制即壓力加油應(yīng)能及時切斷，防止飛機(jī)加油溢出，嚴(yán)重時會引起油箱結(jié)構(gòu)損壞。壓力加油控制系統(tǒng)必須在目標(biāo)加油量或最大加油量時準(zhǔn)確切斷加油，如果飛機(jī)加油量超過飛行任務(wù)所需加油量，則可能需要進(jìn)行抽油以保證飛機(jī)重量在飛行手冊允許的限制范圍內(nèi)，抽油工作將大大增加飛機(jī)的過站時間，造成飛機(jī)延誤。由于加油系統(tǒng)大部分部件都安裝布置在油箱內(nèi)，更換維修這些部件需要較高的時間和人力成本，因此壓力加油系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)注重可靠性。

壓力加油切斷控制系統(tǒng)是飛機(jī)壓力加油系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，本文對幾種典型的加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究分析，對比其優(yōu)勢、弊端，給出了各種架構(gòu)適用的飛機(jī)類型。

1　架構(gòu)1——采用高油位浮子閥的加油切斷控制系統(tǒng)

一種采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)見圖1，系統(tǒng)主要組成部件有：高油位浮子控制閥、加油切斷閥、加油電磁閥、燃油計算機(jī)。

圖1所示為加油進(jìn)行時的系統(tǒng)工作狀態(tài)。當(dāng)高油位浮子閥的浮子落下時，加油切斷閥與高油位浮子控制閥之間的引壓管路有燃油流過，加壓壓力使得加油切斷閥打開，燃油通過加油管路進(jìn)入油箱。

圖1　采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)——加油過程

圖2所示為主動切斷加油時的系統(tǒng)工作狀態(tài)。燃油計算機(jī)發(fā)出加油切斷信號，加油電磁閥作動，壓力加油接頭與高油位浮子控制閥之間的引壓管路導(dǎo)通，加油壓力將浮子頂起，高油位浮子閥切斷引壓管路的燃油流動，導(dǎo)致加油切斷閥出口壓力趨近加油壓力，加油切斷閥內(nèi)部彈簧作動將切斷閥關(guān)斷，切斷加油。

圖2　采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)——主動切斷加油

圖3所示為油箱油面到達(dá)最大加油量位置時，高油位浮子控制閥自動切斷加油時的系統(tǒng)工作狀態(tài)。油面到達(dá)最大加油量位置時，浮子升起，高油位浮子閥切斷引壓管路的燃油流動，加油切斷閥關(guān)斷，切斷加油。

圖3　采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)——高油位切斷

這種加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)的主要優(yōu)點有：

（1）油箱內(nèi)僅有流體機(jī)械設(shè)備，無用電設(shè)備，極大地降低了油箱防爆安全性風(fēng)險；

（2）可靠性較高，流體機(jī)械設(shè)備有較高的可靠性；

（3）維護(hù)性較好，系統(tǒng)部件較少，可靠性較高的流體機(jī)械設(shè)備布置在油箱內(nèi)；

（4）雙余度設(shè)計，當(dāng)加油量到達(dá)預(yù)設(shè)任務(wù)用油量時，燃油計算機(jī)可主動發(fā)出切斷指令控制加油電磁閥切斷加油，如果主動切斷控制功能失效，當(dāng)油箱油面達(dá)到最大加油量位置時，高油位浮子控制閥仍可自動控制加油切斷，避免了溢油風(fēng)險。

這種加油切斷系統(tǒng)架構(gòu)的主要缺點是：該架構(gòu)主動加油切斷通常略有延遲，這是因為主動加油切斷指令發(fā)出時，不能直接切斷加油切斷閥引壓管路的燃油流動，而是加油電磁閥先作動，然后高油位浮子控制閥的浮子升起，之后加油切斷閥響應(yīng)切斷加油。

通過提高高油位浮子控制閥性能、縮短引壓管路等措施，通常可以將加油切斷延遲問題控制在可接受的程度內(nèi)。這種簡單、可靠的加油切斷控制系統(tǒng)適用于較小的民用支線飛機(jī)。

2　架構(gòu)2——簡化的采用高油位浮子閥的加油切斷控制系統(tǒng)

圖4所示為一種簡化的采用高油位浮子閥的加油切斷控制系統(tǒng)，這種架構(gòu)的系統(tǒng)主要組成部件與架構(gòu)1相同，區(qū)別在于引壓管路的設(shè)計，該架構(gòu)僅采用一根引壓管路，由加油切斷閥引壓口至高油位浮子控制閥，加油電磁閥安裝在該引壓管路的中間。

圖4所示為加油進(jìn)行時的系統(tǒng)工作狀態(tài)，當(dāng)高油位浮子閥的浮子落下時，引壓管路有燃油流過，加壓壓力使得加油切斷閥打開，燃油通過加油管路進(jìn)入油箱。

圖4　簡化的采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)——加油過程

圖5所示為主動切斷加油時的系統(tǒng)工作狀態(tài)。燃油計算機(jī)發(fā)出加油切斷信號，加油電磁閥作動，切斷引壓管內(nèi)燃油流動，加油切斷閥響應(yīng)，切斷加油。

圖5　簡化的采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)——主動切斷加油

該架構(gòu)的高油位切斷工作狀態(tài)與架構(gòu)1類似，此處不再詳細(xì)闡述。

這種加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)除架構(gòu)1所述各項優(yōu)點外，避免了架構(gòu)1加油切斷延遲的缺點，并且該架構(gòu)采用的高油位浮子閥部件本身也更為簡單。但是這種簡化卻帶來了額外的風(fēng)險——高油位浮子閥失效成為一種隱蔽故障。

架構(gòu)1無論主動切斷加油還是滿油時高油位切斷，均通過浮子升起、切斷引壓管燃油流動、加油切斷閥響應(yīng)實現(xiàn)加油切斷。而架構(gòu)2只有達(dá)到油箱最大加油量時才會通過浮子升起控制加油切斷，假設(shè)使用該架構(gòu)的民用飛機(jī)通常在固定的航線往返，因此一直采用固定的、低于最大加油量的任務(wù)用油，該飛機(jī)很長時間未使用高油位切斷功能，則高油位浮子閥失效成為一種隱蔽故障，且該故障的暴露時間很長。當(dāng)機(jī)上存在該故障時，維護(hù)人員無法及時知悉故障狀態(tài)，如果加油未主動切斷時，加油量將超過飛機(jī)最大允許加油量，造成溢油事故，嚴(yán)重時可導(dǎo)致飛機(jī)油箱結(jié)構(gòu)損壞。

3　架構(gòu)3——采用高油位傳感器的加油切斷控制系統(tǒng)

為了規(guī)避架構(gòu)2帶來的風(fēng)險，一種被廣泛采用的解決方式是采用高油位傳感器作為高油位切斷功能的備份，這種加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖6.

圖6　采用高油位傳感器的加油切斷控制系統(tǒng)——高油位切斷

與架構(gòu)2相比，該架構(gòu)增加了高油位傳感器，當(dāng)油箱油面達(dá)到最大加油量時，高油位傳感器將高油位信號傳遞給燃油計算機(jī)，燃油計算機(jī)將發(fā)出加油切斷指令，控制加油電磁閥切斷加油。

這種架構(gòu)采用的高油位傳感器可以與燃油量測量系統(tǒng)的油量傳感器集成使用，因此并不增加系統(tǒng)重量。這種架構(gòu)的缺點是燃油計算機(jī)軟件功能復(fù)雜化，軟件開發(fā)工作量略有增加。該架構(gòu)適用于集成設(shè)計程度較高的燃油系統(tǒng)，如較大的干線大型民用飛機(jī)。

該架構(gòu)還可以進(jìn)一步簡化，采用壓電效應(yīng)原理研發(fā)的新型點式油位傳感器具有重量輕、信號傳遞快的優(yōu)點［3］，因此，可取消高油位浮子控制閥，采用兩個點式高油位傳感器互為備份，也可以滿足高油位切斷余度設(shè)計要求。這種加油切斷控制系統(tǒng)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)重量，但是由于要保證兩個點式高油位傳感器及其信號傳輸通路、信號處理通道需完全獨立，進(jìn)一步增加了燃油計算機(jī)軟件開發(fā)的復(fù)雜性。該架構(gòu)適用于集成設(shè)計程度更高的大型民用飛機(jī)。

4　結(jié)束語

本文對幾種典型的民用飛機(jī)加油切斷控制系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了研究分析，架構(gòu)1是一種采用高油位浮子控制閥的加油切斷控制系統(tǒng)，該架構(gòu)加油切斷略有延遲，但是整體優(yōu)勢較為明顯，適用于民用支線飛機(jī)；架構(gòu)2是基于架構(gòu)一的一種簡化系統(tǒng)，這種簡化設(shè)計避免了架構(gòu)一的缺點，但是也帶來了隱蔽故障風(fēng)險；架構(gòu)3基于架構(gòu)二并增加了高油位傳感器作為高油位切斷功能的備份，適用于集成設(shè)計程度較高的大型民用飛機(jī)；架構(gòu)3可進(jìn)一步簡化，取消高油位浮子控制閥，采用兩個點式高油位傳感器，該優(yōu)化架構(gòu)適用于集成設(shè)計程度更高的大型民用飛機(jī)。

［1］羅伊·蘭頓.飛機(jī)燃油系統(tǒng)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2011：109-113.

［2］FAA.Fuel Tank Ignition Source Prevention Guidelines，AC 25.981-1C［R］.2008.

［3］馮銳，肖莉.壓電效應(yīng)［J］.防災(zāi)博覽，2003，（5）:22.

Research on the Architecture of the Control System of Civil Aircraft Refueling and Cutting

SONG Zhi-qiang
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Shanghai 201210，China）

Refuel system is an important system of civil aircraft，and refuel shutoff control system is the significant part of refuel system.Mission of refuel shutoff control system is to shutoff refuel when fuel quantity on the aircraft reaches the target fuel quantity or the maximal allowable refuel quantity of the aircraft.Reliability and maintainability are also key factors that should be taken into account by designer of refuel shutoff control system.Three typical architectures of refuel shutoff control system are described in this paper，and advantage and disadvantage of these architectures are discussed here.Furthermore，applicative aircraft of these architectures are presented in this paper.

civil aircraft；refuel shutoff；control system

V288.1

A

1672-545X（2016）07-0088-03

2016-04-09

宋志強(qiáng)（1987-），男，山西人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為飛機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計。