專用滅火劑濃度測試設(shè)備研制及其應(yīng)用

吳燕燕,楊小龍,李海濤,羅鐵茍,鄭友蘭,閔興明

(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所 機(jī)電系統(tǒng)部， 景德鎮(zhèn) 333001)

(2.湖南蒼樹航天科技有限公司， 長沙 410201)

0 引 言

按照CAAC適航條例[1-2],國軍標(biāo)[3]和AC20-100[4]的要求，滅火系統(tǒng)的有效性必須用動力艙滅火系統(tǒng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。要求規(guī)定，滅火系統(tǒng)滿足滅火要求的條件是試驗(yàn)中所有滅火劑采樣點(diǎn)體積濃度同時大于6%且維持時間不小于0.5 s。因此，專用滅火劑濃度測試設(shè)備成為滅火系統(tǒng)試驗(yàn)中極其關(guān)鍵的測試設(shè)備，其準(zhǔn)確性和響應(yīng)時間直接影響到滅火系統(tǒng)性能指標(biāo)的判斷。

目前，歐美飛機(jī)動力艙內(nèi)滅火劑濃度測試技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。20世紀(jì)60年代，國外開始關(guān)于飛機(jī)動力艙內(nèi)滅火劑濃度測試技術(shù)研究，E.P.Klueg等[5]、S.S.Lee等[6]、D.A.Ingerson[7]對飛行試驗(yàn)和地面試驗(yàn)的滅火劑濃度測試技術(shù)進(jìn)行討論和總結(jié)，并形成了動力艙滅火系統(tǒng)試驗(yàn)的通用要求(航空器滅火劑濃度記錄儀的安裝與使用準(zhǔn)則FAA-DS-70-3[8]和咨詢通告AC20-100)，這兩份通用要求一直指導(dǎo)滅火系統(tǒng)濃度測試工作。與此同時，滅火系統(tǒng)供應(yīng)商研制出了配套的滅火劑濃度測試設(shè)備，HALONYZER-Ⅱ型氣體分析儀和GA型氣體分析儀已被FAA認(rèn)可，法國L′HOTEL LIER公司的滅火劑濃度專用氣體分析儀已被歐洲適航局EASA認(rèn)可，這些設(shè)備既可用于地面驗(yàn)證試驗(yàn)，又可用于飛行適航取證試驗(yàn)。

國外研究滅火劑濃度測試方法采用的主要原理有三種：利用氣體進(jìn)入某種裝置的進(jìn)口、出口壓力不同的壓差原理，利用熱線/熱膜進(jìn)行測量的熱線/熱膜原理和紅外光譜的吸收原理。W.M.Pitts等[9]對滅火劑濃度測量的原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。從熱線/熱膜工作原理可知，凡是影響換熱的系統(tǒng)因素(環(huán)境溫度變化，熱絲上的漩渦脫落等)和非系統(tǒng)因素(污染，探針振動等)都會影響測量精度，例如污染物或細(xì)小顆粒吸附在熱線/熱膜上，改變了傳熱特性，從而引起探針特性偏離；而紅外吸收原理最大的缺點(diǎn)是溫度和待測氣體的氣流對光源、探測器和其他元件的影響比較大，直接造成在某些濃度范圍的測量誤差很大；相比之下，由于壓差原理的測試設(shè)備對環(huán)境溫度變化、環(huán)境壓力變化不敏感，在低壓低溫的環(huán)境下測量精度不受影響，因而適用于飛機(jī)飛行試驗(yàn)的滅火劑濃度測量，同時該方法具有通過系統(tǒng)標(biāo)定來提高測量精度的和對多種氣體滅火劑的濃度進(jìn)行探測的優(yōu)點(diǎn)。

目前歐美滅火系統(tǒng)試驗(yàn)主要采用基于壓差原理的滅火劑濃度測試設(shè)備，并對產(chǎn)品不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，如美國太平洋公司并購了Statham研究的GA型滅火劑濃度測試設(shè)備后，通過HALONYZER和GA進(jìn)行技術(shù)融合，將HALONYZER升級到HALONYZER-V。

國內(nèi)在飛機(jī)動力艙滅火系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)的研究工作起步較晚，王志超[10]對民用飛機(jī)防火系統(tǒng)進(jìn)行研究；吳燕燕等[11]對直升機(jī)動力艙滅火系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)技術(shù)研究；李麗等[12-15]對國產(chǎn)多種型號的運(yùn)輸機(jī)動力裝置艙滅火系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，同時對試驗(yàn)中采用國外滅火劑濃度測試設(shè)備的原理和系統(tǒng)組成進(jìn)行詳細(xì)介紹。目前滅火劑濃度測試設(shè)備的研制仍處于起步階段，西安飛機(jī)設(shè)計研究所委托中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了一臺基于紅外吸收原理的滅火劑濃度測試設(shè)備，該設(shè)備適用范圍較窄。隨著直升機(jī)(飛機(jī))應(yīng)用市場的不斷擴(kuò)大，高精度、快速響應(yīng)的滅火劑濃度測試設(shè)備研制迫在眉睫。

本文介紹專用滅火劑濃度測試設(shè)備的研制過程、工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行多個型號直升機(jī)滅火系統(tǒng)的地面模擬驗(yàn)證。

1 專用滅火劑濃度測試設(shè)備

1.1 測試設(shè)備組成及原理

測試設(shè)備由專用滅火劑濃度測量儀，測量插箱，專用數(shù)據(jù)采集和處理軟件等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

專用滅火劑濃度測試設(shè)備的原理主要是指專用滅火劑濃度測量儀原理，根據(jù)國外資料公布的壓差原理[4,8-9]進(jìn)行研制，屬于地面設(shè)備測試設(shè)備。

根據(jù)AC200-100和FAA-DS-70-3公布的資料，如果純空氣壓力降為ΔPa，對于100%Halon1301的壓力降則為kΔPa,k是一個常數(shù)(對于Halon1301，k=0.401)，如果測得一個壓力降為ΔPa，則Halon1301濃度為

(1)

對式(1)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出該測試設(shè)備的原理：利用真空泵抽取被測氣體；氣體經(jīng)過加熱穩(wěn)定到一個合適的溫度；恒溫氣體經(jīng)過微壓差產(chǎn)生裝置，產(chǎn)生一定的壓降；測試前后端的氣體壓差，并通過經(jīng)驗(yàn)公式換算為氣體濃度，原理圖如圖2所示。

圖2 滅火劑濃度測量儀原理框圖

1.2 測量設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

專用滅火劑濃度測試設(shè)備研制涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) 滅火劑濃度計算公式及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；

(2) 氣體快速加熱技術(shù)；

(3) 壓差生成技術(shù)；

(4) 多通道同步控制技術(shù)；

(5) 試驗(yàn)與檢定技術(shù)。

這5個關(guān)鍵技術(shù)是互相關(guān)聯(lián)的，直接關(guān)系到設(shè)備的最終性能。

1.3 測量設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

專用滅火劑濃度測試設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1) 工作原理：壓差原理滅火劑濃度測量；

(2) 分析方式：在線實(shí)時分析滅火劑濃度；

(3) 測量介質(zhì)：Halon1301(CF3Br)、CO2；

(4) 測量誤差：不大于0.5%V/V(Halon1301的絕對體積濃度)；

(5) 響應(yīng)時間：不大于20 ms；

(6) 測量通道數(shù)：12通道；

(7) 測量量程：0～100%V/V(百分比體積濃度)；

(8) 采樣頻率：不小于50 Hz；

(9) 專用數(shù)據(jù)采集和分析軟件。

由于AC20-100指定滅火劑濃度測量值是百分比體積濃度值，所以本文所指的濃度均為體積濃度,單位為V/V，%V/V是指百分比體積濃度。

該設(shè)備具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快(小于20 ms)、系統(tǒng)測量精度高(體積濃度絕對值小于0.5%)、設(shè)備體積小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化、對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，還具有便于安裝、運(yùn)輸、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

專用采集軟件利用LabVIEW作為開發(fā)平臺，在運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)同時還采用數(shù)據(jù)庫管理、報表生成以及通用測試軟件設(shè)計方法等技術(shù)，具有人機(jī)界面友好、容錯能力強(qiáng)、良好的數(shù)據(jù)管理、穩(wěn)定可靠、操作向?qū)Ш唵蚊髁说忍攸c(diǎn)。采集軟件功能示意圖如圖3所示。

圖3 采集軟件功能示意圖

1.4 測試設(shè)備系統(tǒng)性能檢定

測試設(shè)備的兩個關(guān)鍵參數(shù)是響應(yīng)時間和測量誤差(系統(tǒng)精度)，因此交付過程需要進(jìn)行檢定，確保設(shè)備的系統(tǒng)性能滿足研制要求。

(1) 響應(yīng)時間檢定

用于考核前端壓力變化時，后端測量單元的響應(yīng)時間，通道12的響應(yīng)時間如表1所示,響應(yīng)時間滿足要求。

表1 通道12的響應(yīng)時間

(2) 測量誤差標(biāo)定

考慮到測量設(shè)備的擴(kuò)展性，測量量程為0～100%，但Haolon1301滅火系統(tǒng)的試驗(yàn)中只關(guān)注6%左右的濃度值，因此從實(shí)際需要和試驗(yàn)成本出發(fā)，只對20%以內(nèi)的濃度值進(jìn)行標(biāo)定(國外設(shè)備只對0%，6%，12%三個濃度值進(jìn)行標(biāo)定)。

系統(tǒng)標(biāo)定是確定系統(tǒng)測量誤差的有效方法。系統(tǒng)標(biāo)定的基本思路是首先配置不同濃度點(diǎn)的滅火劑標(biāo)準(zhǔn)樣氣(必須保證滅火劑是氣態(tài))，然后通過專用標(biāo)定設(shè)備對測試設(shè)備12個通道同時進(jìn)行標(biāo)定，將測試設(shè)備采集的濃度值與標(biāo)準(zhǔn)滅火劑濃度值進(jìn)行比較。為了確定結(jié)果的重復(fù)性進(jìn)行多輪次標(biāo)定，得出系統(tǒng)的誤差，系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果如表2所示，可以看出：單個濃度點(diǎn)下的測量誤差最大值為0.43%，12個測量單元所有濃度點(diǎn)平均測量誤差最大值為0.28%，均方誤差最大值為0.18%，測量誤差滿足研制要求。

表2 系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果

2 試驗(yàn)應(yīng)用

直升機(jī)滅火系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)測試方法如下：

(1) 試驗(yàn)前檢查

①檢查壓力、溫度、流量傳感器等傳感器的安裝情況；

②檢查飛行通風(fēng)量模擬系統(tǒng)的工作情況；

③檢查動力艙內(nèi)采集點(diǎn)布置情況，確保采集點(diǎn)安裝位置符合測點(diǎn)布置圖要求；

④檢查采樣管路在動力艙內(nèi)固定是否牢固，確保所有取樣管無折彎且長度相同。

(2) 試驗(yàn)步驟

①安裝好排氣管，便于采樣氣體能從設(shè)備中排出，啟動滅火劑濃度測試設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定后，啟動真空泵；

②啟動飛行通風(fēng)量模擬系統(tǒng)，控制飛行模擬通風(fēng)量為試驗(yàn)給定值；

③啟動專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和專用滅火劑濃度測試儀，觀察采集的數(shù)據(jù)是否正常，如果正常則進(jìn)入準(zhǔn)備試驗(yàn)狀態(tài)，否則需要進(jìn)入排故狀態(tài)；

④通風(fēng)量穩(wěn)定10 min左右后，由專業(yè)試驗(yàn)人員通過引爆系統(tǒng)引爆滅火瓶上的電起爆器，于此同時開始記錄各測試點(diǎn)滅火劑體積濃度，記錄時間不少于30 s；

⑤試驗(yàn)持續(xù)30 s后，關(guān)閉飛行通風(fēng)量模擬系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，為了設(shè)備內(nèi)的滅火劑氣體被完全排出需要真空泵繼續(xù)工作一段時間(20 min)。

3 結(jié)果分析

利用該設(shè)備進(jìn)行多個型號直升機(jī)滅火系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中主要試驗(yàn)條件為動力艙內(nèi)通風(fēng)量，滅火劑填充壓力，滅火瓶溫度，滅火劑填充量，發(fā)動機(jī)的體積和外形，發(fā)動機(jī)艙的體積和內(nèi)形。試驗(yàn)時在同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行三次噴射，以驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

本文列舉具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明，詳細(xì)的試驗(yàn)條件如表3所示，模擬高速氣流流動室溫環(huán)境和低溫環(huán)境情況的試驗(yàn)曲線分別如圖4～圖5所示。

表3 試驗(yàn)條件

圖4 20 ℃風(fēng)量0.85 kg/s時濃度測量曲線

圖5 -40 ℃風(fēng)量0.85 kg/s時濃度測量曲線

通過上述結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1) 測量誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明設(shè)備的誤差對試驗(yàn)結(jié)果影響很大，例如在設(shè)備最大誤差為0.43%濃度情況下，圖4和圖5的共同維持6%濃度值分別是1.151 s和0.722 s；而在設(shè)備均方誤差為0.16%濃度情況下，圖4和圖5的共同維持6%濃度值分別是2.536 s和1.722 s。

(2) 數(shù)據(jù)連續(xù)性好，測試結(jié)果也與分析一致。通道1和通道3均布置在發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣端的底部，是滅火劑不易擴(kuò)散到達(dá)的部位，所以濃度值偏低；通道9布置在自由渦輪附件，自由渦輪附件由于有滅火噴嘴，滅火劑擴(kuò)散很容易到達(dá)，所以通道9的濃度明顯高于其他通道。

(3) 該試驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確反映不同試驗(yàn)條件下動力艙內(nèi)濃度變化情況。滅火瓶溫度越低，滅火劑噴射速度和噴射流速均變小，噴射時間變短。因此圖4最大濃度值和濃度的維持時間均優(yōu)于圖5。

4 結(jié) 論

(1) 專用滅火劑濃度測試設(shè)備響應(yīng)速度快、精度高，滿足直升機(jī)動力艙滅火系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)要求，準(zhǔn)確反映了動力艙內(nèi)各測點(diǎn)滅火劑濃度隨時間的變化情況。

(2) 設(shè)備安裝方便快捷，操作簡單，數(shù)據(jù)所見即所得，易于搬運(yùn)，可用在不同環(huán)境下的地面試驗(yàn)。

(3) 本設(shè)備不能滿足機(jī)上飛行試驗(yàn)測試要求，主要表現(xiàn)為重量、體積、功耗、電磁干擾、自身抗干擾、防振等方面，需在以后的實(shí)踐中不斷改進(jìn)。