民航客機(jī)引氣污染物采樣與數(shù)據(jù)分析

楊曉軍 劉文博 常嘉文

摘要：本文首先簡要介紹了當(dāng)前國內(nèi)適航規(guī)章的要求以及潛在的引氣污染物種類，隨后對采樣與測試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力裝置（APU）的工況設(shè)定、采樣注意事項(xiàng)以及各種污染物的分析方法等方面展開詳細(xì)說明。同時(shí)，匯總了當(dāng)前各類污染物在各種環(huán)境下的含量，對比了客艙與室內(nèi)、引氣出口與室內(nèi)污染物的含量差異，并分析了滑油泄漏對引氣空氣質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，此采樣與分析方法存在一定的有效性，引氣污染事故的發(fā)生使得客艙環(huán)境的空氣質(zhì)量急劇下降，此外，滑油的泄漏是引氣事故發(fā)生應(yīng)當(dāng)考慮的因素。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)客艙；引氣；空氣污染；采樣與分析；空氣質(zhì)量

中圖分類號：V216文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.002

作為一種快捷、便利的交通工具，飛機(jī)出行已經(jīng)逐漸影響到人們的生活。在飛行過程中，乘客呼吸的新鮮空氣主要來源于飛機(jī)引氣系統(tǒng)，一旦引氣系統(tǒng)故障，將大大影響乘客出行的舒適度。然而現(xiàn)代飛機(jī)裝備結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，綜合化、電子化程度越來越高，必將帶來可靠性、安全性等問題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每1000架次飛機(jī)大約有3.9架次發(fā)生座艙引氣污染事件[2]。引氣污染事件的發(fā)生也會(huì)對航空公司造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)估計(jì)[3]，2012年因報(bào)告事故造成的飛行運(yùn)營總財(cái)務(wù)損失在450～700萬美元之間，每次事件的平均財(cái)務(wù)損失約為3.2～4.7萬美元。

因此，當(dāng)今對于機(jī)艙污染物的研究是一個(gè)十分重要的舉措。針對飛機(jī)機(jī)艙空氣質(zhì)量這一問題，美國汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）、世界衛(wèi)生組織（WTO）等許多機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的探索與研究。SAE的客艙空氣測試委員會(huì)（AC-9M）和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馀c顆粒物排放測試委員會(huì)（E31）長期以來關(guān)注客艙空氣質(zhì)量問題，其中AC-9M委員會(huì)專注于開發(fā)傳感器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些傳感器將能夠檢測和記錄機(jī)艙空氣中的化合物；E31委員會(huì)主要開發(fā)飛機(jī)動(dòng)力裝置排放物測量標(biāo)準(zhǔn)，它旨在發(fā)動(dòng)機(jī)交付或者安裝之前，對發(fā)動(dòng)機(jī)以及輔助動(dòng)力裝置（APU）進(jìn)行測試，來量化標(biāo)志化合物的濃度。本文將對E31委員會(huì)的采樣測試程序進(jìn)行描述，總結(jié)測試結(jié)果，匯總現(xiàn)存的污染物數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比，對飛機(jī)空氣質(zhì)量進(jìn)行總結(jié)性說明，從而為客艙引氣污染物的測試提供一定的幫助。

1潛在污染物及其采樣與測試程序

1.1國內(nèi)適航規(guī)章要求以及潛在污染物

民用航空安全是民機(jī)產(chǎn)業(yè)的生命線[4]，如果發(fā)生飛行事故，不僅會(huì)造成不同程度的直接損失，還會(huì)造成嚴(yán)重的間接損失，導(dǎo)致社會(huì)公眾對航空安全的信任度降低，影響民機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。關(guān)于客艙環(huán)境，中國民航規(guī)章（CCAR）25部第831條[5]中要求：在正常操作情況下和任何系統(tǒng)發(fā)生可能的失效而對通風(fēng)產(chǎn)生有害影響條件下，通風(fēng)系統(tǒng)都必須能提供足量的未被污染的空氣，從而使得機(jī)組成員能正常完成其職責(zé)，此外還需向旅客提供合理的舒適性。此條款中還要求，飛行期間客艙內(nèi)部二氧化碳（CO2）濃度不得超過0.5%體積含量（海平面當(dāng)量），一氧化碳（CO）在空氣中的濃度不得超過1/20000。此外CCAR 25部832條還對座艙環(huán)境中的臭氧濃度做出了要求：當(dāng)飛行高度大于9750m時(shí)，臭氧濃度不得超過0.25/1000000體積含量；當(dāng)飛行高度大于8230m的任何3h期間，不得超過0.1/1000000體積含量（海平面當(dāng)量時(shí)間加權(quán)平均值）。

然而引氣污染物并非只有上述幾種，從1991年1月到2008年11月期間，根據(jù)美國聯(lián)邦航空局（FAA）使用困難報(bào)告系統(tǒng)（FAA SDR）所審查的數(shù)據(jù)表示[6]，引氣事故的原因多為燃油、滑油以及液壓油的泄漏，這些物質(zhì)在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生熱解，從而產(chǎn)生揮發(fā)性污染物，目前已知的引氣污染物除了CO和CO2外還可能有乙醛、甲醛、丙烯醛、甲苯這幾種有害物質(zhì)。以乙醛和甲醛為例，乙醛[7]對人體健康的影響包括頭痛、嘔吐、眼睛刺激，對皮膚、喉嚨和呼吸道有負(fù)面影響；甲醛[8]會(huì)使得喉嚨干燥甚至頭痛，嚴(yán)重則會(huì)影響懷孕，甚至引發(fā)支氣管哮喘等癥狀。

總的來說，這些物質(zhì)無疑會(huì)對人體健康造成不良影響，因此對于污染物的采樣以及測試就顯得尤為重要，關(guān)于污染物的采樣以及測試如下文所述。

1.2發(fā)動(dòng)機(jī)和APU的工況要求

測試過程中須將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在測試臺上，采樣過程中需要對環(huán)境空氣和引氣采樣，將發(fā)動(dòng)機(jī)引氣出口的污染物濃度減去進(jìn)口的濃度，從而獲得真實(shí)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行此過程時(shí)需要使用到實(shí)時(shí)分析儀記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成本過于昂貴，記錄所有的工況并不現(xiàn)實(shí)，因此主要選擇了如下穩(wěn)定工況，分別是：（1）帶有高壓引氣的慢車運(yùn)行；（2）高壓轉(zhuǎn)換到低壓引氣之前的條件；（3）高壓轉(zhuǎn)換到低壓引氣之后的條件；（4）在高功率條件下（如高度巡航）選擇低壓引氣。

APU的測試主要是當(dāng)工況穩(wěn)定在環(huán)境控制系統(tǒng)（ECS）最大流量設(shè)置條件下開展的。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和APU達(dá)到上述穩(wěn)定條件時(shí)，則開始進(jìn)行采樣程序。選擇穩(wěn)定工況的目的是使得測試條件更接近真實(shí)情況，從而使得所得數(shù)據(jù)有更好的說服力。

1.3污染物的采樣分析

對于乙醛和甲醛的測試[9]，采用批量采樣，其中在合理的時(shí)間內(nèi)通過2，4-二硝基苯肼（DNPH）的流量為1～2slpm（標(biāo)準(zhǔn)公升每分鐘流量值）。SAE對乙醛和甲醛進(jìn)行了三組試驗(yàn)，其中第一組過濾的樣品體積為33L，第二組和第三組過濾的體積為50L。

分析過程中SAE參考了美國環(huán)境保護(hù)署TO-11A中的高效液相色譜（DNPH-HPLC）方法，針對醛類物質(zhì)，在分析過程中需要使用乙腈和水制備帶有線性梯度的HPLC流動(dòng)相，隨后需要對其進(jìn)行過濾、脫氣以及放氣，最終將帶有線性梯度的流動(dòng)相配合使用檢測儀器相可以分析出甲醛和乙醛含量。

對丙烯醛和甲苯，同樣采用了批量采樣，從體積為1～ 6L的鈍化的不銹鋼罐當(dāng)中提取1L的樣品，在此過程當(dāng)中流速必須匹配。最后使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對樣品進(jìn)行分析。加熱/冷卻GC柱箱和低溫或吸附捕集器到達(dá)它們的設(shè)定值，開始收集樣品。

使用氣密注射器或者其他代替方法在收集樣品期間加入內(nèi)標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為10ppbV（十億分之一的體積比），即將0.5mL、濃度為10ppmV（百萬分之一的體積比）的內(nèi)標(biāo)化合物混合物加入到500mL的樣品當(dāng)中，則樣品中每個(gè)內(nèi)標(biāo)為10ppbV。將樣品注入色譜柱后，將運(yùn)行GC / MS系統(tǒng)，以使MS掃描原子質(zhì)量范圍為35～300amu。每個(gè)洗脫色譜峰至少要進(jìn)行10次掃描，分析丙烯醛和甲苯含量。

針對CO和CO2，采用實(shí)時(shí)分析的方法，主要使用了非色散紅外（NDIR），它的工作原理是吸收特定于樣品中特定的氣體成分的紅外輻射。CO、CO2等氣體在紅外波段都有自己的特征吸收帶，特征吸收帶具有可鑒別性，通過測量在特征吸收帶對紅外能量的吸收，可以反映出氣體的濃度大小。

對CO和CO2典型的測試方法是：提前為要測試的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)好測試程序，確定好它的穩(wěn)定特性模式，并采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施以留出足夠的時(shí)間進(jìn)行穩(wěn)定，之后則可以向分析儀輸送樣品；其次，發(fā)動(dòng)機(jī)和分析儀穩(wěn)定之后應(yīng)當(dāng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

在測試過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查每個(gè)分析儀的零位和跨度，每兩次之間的時(shí)間間隔不得超過1h。調(diào)整方式視情況而定，如果任何檢測儀器的讀數(shù)與之前檢查相比變化不到滿量程的±2%，根據(jù)需要調(diào)整分析儀，并記錄新調(diào)整的零位和跨度；如果任檢測儀器的讀數(shù)與之前的檢查相比變化超過滿量程的±2%，則調(diào)整分析儀，記錄新調(diào)整的零和跨度，然后重新運(yùn)行該部分測試。另外，在測試結(jié)束時(shí)，還要檢查并記錄每個(gè)分析儀的零位和跨度。

1.4采樣注意事項(xiàng)

發(fā)動(dòng)機(jī)引氣樣品將通過安裝在引氣管中心線中的采樣探頭獲得，探頭的材料不能與樣品發(fā)生反應(yīng)。樣品應(yīng)通過不銹鋼、碳載聚四氟乙烯（PTFE）或其他非反應(yīng)性材料的采樣管從探頭轉(zhuǎn)移到分析儀。樣品傳輸硬件應(yīng)能夠在實(shí)際時(shí)間內(nèi)，在特定測試方法要求的輸送壓力和溫度下提供足夠數(shù)量的樣品。在運(yùn)輸過程中，樣品溫度應(yīng)始終保持在露點(diǎn)以上。采樣管應(yīng)保持盡可能短，以減少樣品停留時(shí)間。對于測試報(bào)告，如果同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)和批次采樣，則應(yīng)在相同的時(shí)間間隔內(nèi)對從實(shí)時(shí)分析儀記錄的數(shù)據(jù)取平均值；如果實(shí)時(shí)測量和批量采樣需要順序采樣，則實(shí)時(shí)測量至少應(yīng)在5min內(nèi)取平均值。

此外，由于所采集的大多數(shù)樣品要等到測試后才能進(jìn)行分析，因此，如果采樣系統(tǒng)被碳?xì)浠衔锔叨任廴荆瑒t可能會(huì)使得所得數(shù)據(jù)無效。因此，采取一些必要的措施降低這種潛在的風(fēng)險(xiǎn)是十分有必要的，主要有以下兩種方式：（1）使用干凈的排氣和入口樣品傳輸空氣管線；（2）使用碳?xì)浠衔锓治鰞x（如具有適當(dāng)靈敏度的火焰離子化檢測儀（FID））來測量樣品傳輸和進(jìn)氣管線，其中零級空氣流過整個(gè)樣品部分。如果從任一管線排出的空氣中C1含量大于1.0ppmV，則應(yīng)調(diào)查原因并采取適當(dāng)措施。這雖然不能保證系統(tǒng)不會(huì)受到污染，但可以在測試之前，可以得出采樣管受污染的嚴(yán)重程度。

2數(shù)據(jù)分析

2.1機(jī)艙與室內(nèi)污染物濃度對比

經(jīng)過上述的采樣和測試程序之后，最終得出了各個(gè)污染物的檢測極限（LOD）和定量極限（LOQ）見表1。其中LOD和LOQ是用于描述可通過分析程序可靠測量的最小被測量物濃度的術(shù)語。LOD指的是檢測可行的最小濃度。LOQ也是指最小濃度，不過在該最低濃度下不僅可以可靠地檢測到分析物，而且可以滿足某些預(yù)定義的偏差和不精確度。另外LOQ可能等于LOD，也可能大于LOD[10]。

關(guān)于機(jī)艙內(nèi)部的空氣質(zhì)量，歐洲航空安全局（EASA）對長途、短途飛行的飛機(jī)機(jī)艙和駕駛艙內(nèi)的空氣進(jìn)行了采樣分析。測試數(shù)據(jù)表明在大部分的情況下，駕駛艙和座艙內(nèi)部不會(huì)有甲醛、乙醛、甲苯、丙烯醛這幾種污染物。但是在滑行、起飛/爬升、降落/著陸過程中乙醛、甲醛、丙烯醛這三種物質(zhì)的含量顯著上升，如圖1所示，其中，LBNL為室內(nèi)平均值，EPA為辦公室平均值。并且滑行過程中乙醛和甲醛這兩種污染物的含量較高，但是污染物濃度并未超過室內(nèi)的污染物平均含量，因此在大部分情況下不會(huì)影響到人體健康。

美國暖通空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）收集了飛機(jī)在爬升、巡航以及降落這三個(gè)環(huán)節(jié)中引氣污染物的最大值，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)巡航過程中乙醛的含量有一定的上升，其余污染物的含量均小于室內(nèi)和辦公室對應(yīng)污染物的平均值。另一方面，起飛過程中，乙醛的含量也顯著上升，而且遠(yuǎn)高于室內(nèi)和辦公室乙醛的平均值，這可能是由于起飛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的功率很大造成的，其余污染物含量與巡航過程一樣小于室內(nèi)和辦公室的含量。另外，降落過程中乙醛和甲苯的濃度也顯著上升，并且甲苯的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室內(nèi)和辦公室的平均濃度。

此外不同機(jī)型飛行過程中污染物的含量也有所差異，圖2展示了三種機(jī)型在飛行過程中艙內(nèi)的污染物濃度，從平均值角度來看，艙內(nèi)污染物濃度均小于室內(nèi)濃度，但需要引起注意的是機(jī)艙內(nèi)部污染物濃度的最大值比室內(nèi)污染物濃度的平均值大得多，這種情況下污染物含量過高，極有可能導(dǎo)致機(jī)艙空氣污染事故的發(fā)生，對人體健康造成威脅。

2.2引氣與室內(nèi)環(huán)境的對比

關(guān)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣污染物測量[11]，F(xiàn)OX報(bào)告了從1997年至2011年，一家制造發(fā)動(dòng)機(jī)和APU的制造商的測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行測試的對象中有一些因質(zhì)量問題而被退回的發(fā)動(dòng)機(jī)和APU，并且在測試過程中針對污染物的數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集。此外SAE E31參考了勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）和美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）對室內(nèi)和辦公室相關(guān)污染物的測量數(shù)據(jù)，最終將測試數(shù)據(jù)和室內(nèi)污染物中乙醛、丙烯醛、甲醛、甲苯、CO這幾種物質(zhì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了匯總。

圖3～圖6分別展示了乙醛、甲醛、甲苯和CO在不同環(huán)境的濃度對比圖，從中可知在各百分?jǐn)?shù)下乙醛、甲醛和甲苯這三種物質(zhì)的濃度都要小于室內(nèi)和辦公室的濃度，CO在30%～75%內(nèi)濃度高于室內(nèi)的含量。此外，將圖3～圖6與表1結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，各污染物的濃度含量在超過一定百分?jǐn)?shù)后會(huì)大于檢測極限和定量極限，有些甚至在全百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)大于檢測極限LOD，進(jìn)而也說明了SAE E31對于各種污染物采樣與分析方法的有效性。

2.3滑油泄漏對引氣空氣質(zhì)量的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的滑油的泄漏往往會(huì)導(dǎo)致引氣污染事故的發(fā)生，為探究滑油泄漏對引氣質(zhì)量的影響，NASA在高溫和低溫環(huán)境下針對預(yù)冷室和組件出口有無滑油的泄漏進(jìn)行了試驗(yàn)，其中有滑油泄漏試驗(yàn)的滑油流量為1200g/h，所得數(shù)據(jù)見表3，其中甲苯和CO2未測得數(shù)據(jù)。

從表3可以得知，當(dāng)出現(xiàn)滑油泄漏時(shí)，引氣污染物的含量會(huì)顯著上升，并且無論是在高溫還是在低溫，只要有滑油泄漏，甲醛、乙醛的含量會(huì)顯著上升；丙烯醛在低溫下的變化不明顯，但是在高溫環(huán)境下注入滑油，其含量也顯著上升；在高溫環(huán)境下，滑油的泄漏也會(huì)使得CO的含量有所上升。

總而言之，高溫環(huán)境下滑油的泄漏會(huì)使污染物的含量大幅度上升，會(huì)增大引氣污染事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)論

近年來，飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的空氣質(zhì)量問題一直是一個(gè)備受關(guān)注的問題，頻頻發(fā)生的機(jī)艙污染事件，使得對機(jī)艙內(nèi)部空氣質(zhì)量的研究迫在眉睫。通過研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）對比了機(jī)艙和室內(nèi)污染物數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在大部分情況下，機(jī)艙內(nèi)污染物均小于室內(nèi)的含量，但是機(jī)艙污染物濃度最大值含量遠(yuǎn)大于室內(nèi)的含量。

（2）分析了室內(nèi)和引氣污染物的濃度，得出除了CO、其他污染物在一定百分位范圍內(nèi)引氣污染物含量均小于室內(nèi)含量，且所測得的引氣數(shù)據(jù)基本大于LOD，在一定百分比范圍內(nèi)大于LOQ，驗(yàn)證了分析方法的有效性。

（3）高溫的環(huán)境下滑油的泄漏確實(shí)會(huì)使引氣污染物的濃度顯著上升，增大引氣事故發(fā)生的可能性。

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作者簡介

楊曉軍（1980-）男，博士，教授。主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)與換熱，發(fā)動(dòng)機(jī)排放。

Tel：022-24092415

E-mail：xiaojunyoung@hotmail.com

劉文博（1997-）男，碩士研究生。主要研究方向：民航客機(jī)引氣污染物分析。

E-mail：2019012090@cauc.edu.cn

常嘉文（1991-）男，碩士研究生。主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放。

E-mail：924253094@qq.com

Sampling and Data Analysis on Bleed Air Contaminations from Civil Aircraft

Yang Xiaojun*，Liu Wenbo，Chang Jiawen

Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Abstract： This paper first briefly introduces the current domestic airworthiness regulations and the types of potential bleed air pollutants. Subsequently， a detailed description of the engine and APU operating condition settings， sampling precautions， and analysis methods of various pollutants during the sampling and testing process are described in detail. At the same time， it summarizes the current levels of various pollutants in various environments， compares the differences in the levels of pollutants between the cabin and the room， the bleed air outlet and the indoor pollutants， and analyzes the impact of oil leakage on bleed air quality. The results show that this sampling and analysis method has certain validity. The occurrence of bleed air pollution accidents makes the air quality of the cabin environment drop sharply. In addition， the leakage of lubricating oil is a factor that should be considered in the occurrence of bleed air accidents.

Key Words： aircraft cabin； bleed air； air contamination； sampling and analysis； air quality