飛機燃油箱檢修口蓋雷電引燃源防護研究

張鐵純, 郭 江,, 李志寶, 段澤民,4, 司曉亮

(1.中國民航大學 航空工程學院,天津 300300; 2.安徽省飛機雷電防護省級實驗室,安徽 合肥 230031; 3.強電磁環(huán)境防護技術(shù)航空科技重點實驗室,安徽 合肥 230031; 4.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

飛機燃油系統(tǒng)的引燃源防護是雷電防護最重要的任務(wù)之一。當飛機遭受雷擊時,幾千安培的電流通過機體進行傳導(dǎo)。在燃油箱內(nèi),小于1 A的電流產(chǎn)生的火花都可能釋放足夠的能量點燃燃油蒸氣并引起火災(zāi)或爆炸[1]。盡管傳統(tǒng)金屬燃油箱具有良好的導(dǎo)電性[2-3],在蒙皮結(jié)合處的導(dǎo)電性也較好,但若燃油箱組件沒有足夠的防護,則仍有可能引發(fā)災(zāi)難性事故。

遭受雷擊時,結(jié)構(gòu)件間接觸面處產(chǎn)生的電弧是燃油蒸氣的引燃源之一。電弧成因主要是由于導(dǎo)電部件間的接觸面熔化而形成空氣或其他氣體的電離,當接觸面的電流密度超過其載流能力時會產(chǎn)生電弧,造成熔化或燃燒的物質(zhì)從接觸區(qū)噴射,引燃燃油蒸氣。例如,從檢修門與適配裝置間產(chǎn)生電弧;電流傳導(dǎo)至搭接不良的油箱蒙皮結(jié)合處時產(chǎn)生電弧;電流流過搭接不良的油箱內(nèi)部組件時產(chǎn)生的熱顆粒簇射等。

國內(nèi)對飛機雷電防護設(shè)計與試驗研究已有報道[4-7],但關(guān)于飛機燃油箱雷電防護的研究尚處于起步階段,關(guān)于燃油箱檢修口蓋具體結(jié)構(gòu)的雷電防護研究很少。飛機燃油箱檢修口蓋在設(shè)計上應(yīng)為雷電流提供低阻抗的通路,使強大的雷電電流安全通過而無過熱,在任何間隙處都不會發(fā)生起弧[8-9]。防護設(shè)計應(yīng)根據(jù)檢修口蓋的實際情況采取適當?shù)睦纂姺雷o措施,盡可能減少雷電對飛機的危害。

本文利用COMSOL Multiphysics有限元軟件對傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋進行雷電流仿真,通過電流密度分布識別出潛在的起弧位置,經(jīng)試驗驗證,實際起弧位置與仿真結(jié)果一致。基于對傳統(tǒng)檢修口蓋防護設(shè)計缺陷的分析,設(shè)計了新型檢修口蓋,并通過仿真與試驗驗證了新型檢修口蓋引燃源防護的有效性。

1 傳統(tǒng)檢修口蓋引燃源防護

1.1 檢修口蓋防護設(shè)計

傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,使用加強板,通過緊固件將油箱壁板與檢修口蓋相連接。

圖1 傳統(tǒng)檢修口蓋的結(jié)構(gòu)示意圖

飛機遭遇雷擊時,強大的雷電流在通過檢修口蓋的過程中,由于導(dǎo)電表面接觸面積較小或緊固件間配合面存在間隙,因此可能會造成緊固件連接表面或其他接觸表面的電流密度過大,產(chǎn)生電弧,引燃燃油蒸氣[10]。針對此潛在的引燃源,傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋采取的防護方式見表1所列。

表1 傳統(tǒng)檢修口蓋引燃源防護

1.2 檢修口蓋電流密度分布研究

本試驗利用COMSOL Multiphysics有限元軟件對上述傳統(tǒng)檢修口蓋進行雷電流分布進行仿真計算。仿真注入的雷電流分量D波形(單極性脈沖電流波)如圖2所示,其中脈沖電流表達式為:

I(t)=I0(e-α t-e-β t)(1-e-γ t)2

(1)

其中,I0=109 405 A;α=22 708 s-1;β=1 294 530 s-1;γ=10 847 100 s-1;t為時間。

圖2 雷電流分量D波形

仿真設(shè)置檢修口蓋螺釘上表面中心處為雷電注入點,注入雷電流分量D波,設(shè)置油箱壁板側(cè)面接地,計算緊固件及整個結(jié)構(gòu)上電流密度的分布。仿真所得t=6.4 μs傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋上的電流密度如圖3所示。由整體結(jié)構(gòu)的電流密度分布仿真可知,在雷電注入點處電流密度最大,這也說明了在螺栓處容易產(chǎn)生電弧;雷電流從注入點在向油箱壁板側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)的過程中電流密度明顯降低;雷電流從緊固件傳導(dǎo)至檢修口蓋壁板中,鉚釘及盤形螺母與油箱壁板的接觸面電流密度較高為最易產(chǎn)生電弧處,即圖3的A、B處附近易產(chǎn)生電弧。

圖3 t=6.4 μs時電流密度分布

1.3 試驗驗證

對傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋進行雷電引燃源試驗,通過暗室檢測引燃源,觀察燃油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)電弧,判斷防護是否有效。傳統(tǒng)檢修口蓋實物如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)檢修口蓋

選取檢修口蓋的螺釘中心位置為注入點,即位于圖4中的C處,油箱模擬件壁板接地。試驗原理如圖5所示[11-12]。

圖5 燃油箱引燃源試驗原理圖

雷電流波形發(fā)生器將雷電流注入試驗件,通過在暗室中的照相系統(tǒng)檢測在燃油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)雷電起弧。本試驗的傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋實際安裝位置位于飛機的雷電2A區(qū),則試驗注入的的雷電流分量組合為D+B+C*,試驗中采集到的電流波形如圖6所示。

圖6 典型雷電流試驗波形

在傳統(tǒng)檢修口蓋的雷電引燃源試驗中,檢測到電弧,如圖7所示。

從圖7可看也，試驗結(jié)束后,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)口蓋油箱內(nèi)側(cè)的鉚釘與盤型螺母配合面周圍(圖3中位置B周圍)的密封劑缺失,而盤型螺母與油箱壁板接觸面附近(圖3中位置A附近)處仍包覆密封劑,故判斷試驗中發(fā)生電弧的位置為鉚釘與盤型螺母配合面處,即圖3中的位置B。

圖7 火花瞬間

2 新型檢修口蓋引燃源防護

2.1 檢修口蓋防護設(shè)計

結(jié)合傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋進行電流密度仿真與試驗結(jié)果可知，傳統(tǒng)檢修口蓋在螺釘處電流密度高,在遭受雷擊時會在燃油箱內(nèi)部產(chǎn)生電弧,產(chǎn)生的電弧極有可能點燃燃油蒸氣,造成嚴重災(zāi)難?；谏鲜龇治?開展新型檢修口蓋的設(shè)計。

傳統(tǒng)檢修口蓋的螺釘貫穿油箱壁板,與內(nèi)部燃油蒸氣相接觸,該結(jié)構(gòu)不可避免地成為雷電防護的關(guān)鍵區(qū)域。綜合考慮可知,新型檢修口蓋在設(shè)計上考慮了避免燃油箱內(nèi)外界直接相通的結(jié)構(gòu),因此從根本上消除了雷電直擊造成內(nèi)部打火的風險。

新型檢修口蓋結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示,在結(jié)構(gòu)上取消了圖1中的加強板,去除了貫穿燃油箱壁板與燃油蒸氣直接接觸的緊固件,避免了潛在的引燃源,口蓋內(nèi)部利用橡膠密封圈阻止電弧生成物與燃油蒸氣接觸。新型檢修口蓋為反裝式結(jié)構(gòu),口蓋從燃油箱內(nèi)側(cè)安裝,利用內(nèi)部壓力結(jié)合橡膠密封圈形成更好的密封。通過使用夾持環(huán)將檢修口固定在燃油箱結(jié)構(gòu)壁板上,其中,黑色部分為不導(dǎo)電密封圈。

圖8 新型檢修口蓋結(jié)構(gòu)示意圖

考慮在遭受雷擊時,結(jié)構(gòu)間的接觸面處可能會由于承載過大的電流進而產(chǎn)生電弧,新型檢修口蓋采取的防護方式見表2所列。

表2 新型檢修口蓋引燃源防護

2.2 檢修口蓋電流密度分布研究

對新型檢修口蓋進行雷電流分布仿真計算,設(shè)置檢修口蓋螺釘上表面中心處為雷電注入點,注入雷電流D波,設(shè)置油箱壁板側(cè)面接地。計算緊固件及整個結(jié)構(gòu)上電流密度的分布,驗證新型檢修口蓋結(jié)構(gòu)與防護措施的合理性。

仿真所得t=6.4 μs傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋上的電流密度如圖9所示。由整體檢修口蓋的電流密度分布可知,在注入點處電流密度最大;雷電流從緊固件傳導(dǎo)至檢修口蓋壁板,緊固件與檢修口蓋的接觸面電流密度很高,但內(nèi)側(cè)壁板及安裝結(jié)構(gòu)電流密度較低,迫使雷電流沿外表面?zhèn)鬟f是相對合理的雷電防護設(shè)計方案。此外,結(jié)構(gòu)中沒有貫穿結(jié)構(gòu)、接觸燃油蒸氣的螺釘,避免了因電流密度過高所產(chǎn)生的電弧生成物引燃燃油蒸氣的風險。

圖9 t=6.4 μs時電流密度分布

2.3 試驗驗證

對新型燃油箱檢修口蓋進行雷電引燃源試驗,通過暗室檢測引燃源,觀察燃油箱內(nèi)部是否出現(xiàn)電弧,驗證其引燃源防護是否有效。

新型燃油箱檢修口蓋實物如圖10所示,其安裝、接地及試驗方法與傳統(tǒng)燃油箱檢修口蓋相同。對新型燃油箱檢修口蓋進行雷電流注入,試驗中未檢測到電弧如圖11所示，驗證了新型口蓋引燃源防護設(shè)計的有效性。

圖10 新型檢修口蓋

圖11 新型檢修口蓋試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過電流分布仿真與雷電引燃源試驗研究了燃油箱檢修口蓋的雷電防護性能,對比2種檢修口的防護設(shè)計可以得出以下結(jié)論:

(1) 傳統(tǒng)檢修口蓋的制造與安裝相比新型檢修口蓋較為簡單,但大量緊固件的使用增加了防護失效的風險,同時也增加了后期維護工作量。

(2) 試驗發(fā)現(xiàn),新型檢修口蓋未檢測到電弧,而傳統(tǒng)檢修口蓋檢測到電弧。經(jīng)證明是電弧造成緊固件處密封膠失效,進而形成電弧噴射,后期應(yīng)該對密封膠的種類、涂敷厚度等進行研究。

(3) 新型檢修口蓋通過定期檢查并更換密封圈保證防護的有效性,相比傳統(tǒng)檢修口蓋的引燃源防護,無貫穿螺釘安裝的新型燃油箱檢修口蓋更為安全可靠,為今后飛機燃油箱檢修口蓋引燃源防護設(shè)計提供參考。