直升機(jī)艙室一氧化碳適航符合性驗(yàn)證

何 杰，徐 海,傅春暉,許寧鑫

(1.中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心，遼寧 沈陽 110299)

0 引言

一氧化碳是一種無色、無味的窒息性氣體，不易被察覺，可能在不知不覺中影響人體神經(jīng)系統(tǒng)[1-2]。飛機(jī)也存在一氧化碳污染座艙的問題，不僅影響機(jī)組人員及乘客的健康，而且會降低機(jī)組人員的操作能力[3]。當(dāng)前民用直升機(jī)大多采用燃油發(fā)動機(jī)提供動力,發(fā)動機(jī)會排放含有一氧化碳的尾氣[4]。直升機(jī)艙室加溫主要通過發(fā)動機(jī)引氣實(shí)現(xiàn)，加溫過程可能使一氧化碳進(jìn)入艙室，引起人體神經(jīng)行為功能的改變[5]。因此，對直升機(jī)艙室一氧化碳濃度進(jìn)行分析是非常重要的。適航規(guī)章中對直升機(jī)艙室的通風(fēng)做出了明確要求。

1 條款要求

CCAR29部R2中29.831對直升機(jī)艙室一氧化碳的要求[6]如下：

(a)每個客艙和機(jī)組艙必須通風(fēng)，每個機(jī)組艙必須有足夠的新鮮空氣(每名機(jī)組成員每分鐘不得少于283升)，以使機(jī)組成員在執(zhí)勤時不致過度不適和疲勞。

(b)機(jī)組艙和客艙的空氣不得含有達(dá)到有害或危險濃度的氣體和蒸汽。

(c)在前飛時，艙內(nèi)空氣中的一氧化碳濃度不得超過二萬分之一。如果在其他情況下超過了這個值，則必須有相應(yīng)的使用限制。

(d)必須有措施保證在通風(fēng)、加溫或其他系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)任何合理而可能的故障時，仍能滿足本條(b)和(c)的要求。

目前飛機(jī)引氣污染很難通過分析或仿真方法進(jìn)行有效評估[7]。為了驗(yàn)證直升機(jī)前飛時艙內(nèi)的一氧化碳水平是否滿足條款要求，最直接有效的驗(yàn)證方法是飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，需要開展直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)一氧化碳濃度試飛，以驗(yàn)證條款符合性。

2 設(shè)計(jì)原理

直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)主要為直升機(jī)提供通風(fēng)、加溫、制冷、除霧等功能，為機(jī)上人員和設(shè)備提供適宜的艙內(nèi)環(huán)境。其中，通風(fēng)通過風(fēng)扇抽吸內(nèi)循環(huán)空氣或外循環(huán)空氣實(shí)現(xiàn)；加溫是以發(fā)動機(jī)引氣作為熱源，對內(nèi)循環(huán)和/或外循環(huán)空氣加熱到適宜溫度后分配到艙室(圖1)。

圖1 環(huán)控工作原理示意圖

3 試驗(yàn)分析

3.1 一氧化碳來源分析

傳統(tǒng)構(gòu)型直升機(jī)大多采用渦軸發(fā)動機(jī)作為動力，燃料為航空燃油。以某型民用直升機(jī)為例，燃油燃燒不充分會產(chǎn)生一氧化碳，隨發(fā)動機(jī)尾氣排放到空氣中。不同送風(fēng)形式對艙內(nèi)空氣的污染影響程度不同[8]。直升機(jī)艙室一氧化碳的來源可能有三方面：第一，排放到空氣中的發(fā)動機(jī)尾氣通過直升機(jī)艙室結(jié)構(gòu)的縫隙進(jìn)入艙室；第二，受旋翼下洗氣流影響，發(fā)動機(jī)排放到空氣中的尾氣，可能通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口再次被吸入發(fā)動機(jī)，通過環(huán)控引氣進(jìn)入艙室；第三，受旋翼下洗氣流以及大氣環(huán)境風(fēng)向影響，排放到空氣中的尾氣可能通過環(huán)控進(jìn)氣口被吸入艙室，如圖2所示。

環(huán)控系統(tǒng)工作時，會向艙室輸入空氣，艙內(nèi)空氣壓力大于艙外空氣壓力，所以發(fā)動機(jī)尾氣通過直升機(jī)結(jié)構(gòu)縫隙進(jìn)入艙室的可能性很小。故艙內(nèi)一氧化碳主要來源于環(huán)控系統(tǒng)，包括前文提到的環(huán)控引氣和環(huán)控進(jìn)氣口進(jìn)入的發(fā)動機(jī)尾氣，需要通過飛行試驗(yàn)評估直升機(jī)前飛時的艙內(nèi)一氧化碳濃度水平。

圖2 直升機(jī)尾氣可能流向

3.2 測試項(xiàng)目分析

按照AC-29-2C Certification of Normal Category Rotorcraft[9]要求，在正常工作條件下應(yīng)對客艙和機(jī)組成員艙內(nèi)的一氧化碳進(jìn)行監(jiān)測，通常用一氧化碳測試儀進(jìn)行這種評定，3.4節(jié)中對艙內(nèi)測點(diǎn)進(jìn)行了說明，并對窗戶開與關(guān)、加溫開與關(guān)、內(nèi)外循環(huán)開與關(guān)、內(nèi)/外循環(huán)空氣量大小等不同組合進(jìn)行檢測，以保證所有的情況都經(jīng)過評定。

針對直升機(jī)前飛時艙內(nèi)一氧化碳濃度嚴(yán)酷程度進(jìn)行以下分析：

1) 對于窗戶，窗戶“關(guān)”狀態(tài)更嚴(yán)酷，因?yàn)榇皯簟伴_”狀態(tài)，外界新鮮空氣會進(jìn)入艙室；

2) 對于加溫，加溫“開”狀態(tài)更嚴(yán)酷，因?yàn)榧訙毓ぷ鲿r，發(fā)動機(jī)引氣會進(jìn)入艙室，測試時，應(yīng)考慮艙內(nèi)外溫度有較大差異；

3) 對于內(nèi)循環(huán)或外循環(huán)工作模式，均需要考慮，因?yàn)榫嬖谝谎趸紒碓矗?/p>

4) 對于內(nèi)外循環(huán)空氣氣量大小，小風(fēng)量工作狀態(tài)更嚴(yán)酷；

5) 對于故障情況，可通過關(guān)閉環(huán)控系統(tǒng)來模擬故障，包含單個艙室或多個艙室情況。

綜上，直升機(jī)艙室一氧化碳濃度測定，除滿足規(guī)章中規(guī)定的前飛以外，需考慮門窗關(guān)閉、環(huán)控加溫工作、內(nèi)/外循環(huán)工作模式、最小內(nèi)/外循環(huán)空氣量等要求。

另外，坦克艙室人體可耐受70 ppm的一氧化碳時間限制為60 min[10]，結(jié)合直升機(jī)有起飛、爬升、平飛(或懸停)、下降、著陸等任務(wù)剖面，直升機(jī)存在長時間懸停作業(yè)的情況，因此增加直升機(jī)懸停狀態(tài)的一氧化碳情況。

3.3 單個項(xiàng)目測試時間分析

按照理論分析，每一種測試項(xiàng)目的穩(wěn)定工作時間越長越好，但是也需要對直升機(jī)單架次運(yùn)行時間、試飛代價等因素進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)環(huán)控加溫工作原理，艙內(nèi)初始空氣會被環(huán)控系統(tǒng)送入艙室的混合空氣不斷稀釋。其中內(nèi)循環(huán)模式時送入艙室的空氣為發(fā)動機(jī)引氣和內(nèi)循環(huán)空氣的混合空氣；而外循環(huán)模式時提供的是發(fā)動機(jī)引氣和外循環(huán)空氣的混合空氣。以單個艙室環(huán)控內(nèi)循環(huán)工作為例進(jìn)行估算，如圖3示意，內(nèi)循環(huán)工作時最大引氣輸送量與單個艙室風(fēng)扇最低吸風(fēng)量相同,經(jīng)計(jì)算得到，每經(jīng)過約40 s，艙室空氣會被完全更換一次。艙內(nèi)初始空氣濃度隨內(nèi)循環(huán)工作時間的變化如圖4所示。

圖3 內(nèi)循環(huán)模式空氣流動示意

根據(jù)圖4計(jì)算結(jié)果可知，環(huán)控內(nèi)循環(huán)工作大約300 s(5 min)后，初始艙內(nèi)空氣已接近于0，測試時不同項(xiàng)目穩(wěn)定工作不小于10 min，可以消除不同測試項(xiàng)目之間的累加影響。

圖4 內(nèi)循環(huán)工作時初始艙內(nèi)空氣濃度的變化

3.4 測點(diǎn)及溫度環(huán)境分析

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)引氣達(dá)到全開狀態(tài)，推薦艙內(nèi)外初始溫度低于5 ℃，艙內(nèi)目標(biāo)加溫溫度高于20 ℃。

直升機(jī)座艙為非密封座艙，環(huán)控加溫時送入艙室的空氣會與直升機(jī)艙內(nèi)空氣及結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱，最終實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度平衡?？梢詼y試艙內(nèi)環(huán)控出風(fēng)口，也可以測試穩(wěn)定后的艙內(nèi)情況。但對于非密封座艙，測試出風(fēng)口嚴(yán)酷于穩(wěn)定后的艙室，試驗(yàn)時選取便于測試人員接近的出風(fēng)口進(jìn)行測試。如圖5所示，駕駛艙選取儀表板上的出風(fēng)口，客艙選擇下部艙門上的出風(fēng)口。

綜合以上分析確定某直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)一氧化碳測試項(xiàng)目，如表1所列。

4 試飛驗(yàn)證

4.1 測試設(shè)備

根據(jù)實(shí)際測試環(huán)境的可實(shí)施性及操作的便捷性，采用符合我國規(guī)定的有關(guān)室內(nèi)環(huán)境空氣污染控制和室內(nèi)空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)[11]，且識別精度高的一氧化碳檢測儀報(bào)警儀[12]進(jìn)行測試。試飛試驗(yàn)前應(yīng)對測試設(shè)備進(jìn)行調(diào)零和標(biāo)定，確保測試設(shè)備工作正常，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4.2 試飛測試

根據(jù)第3節(jié)分析結(jié)果，關(guān)閉駕駛艙和客艙門、窗，在直升機(jī)懸停和前飛狀態(tài)下進(jìn)行試飛試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中通過視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，以前飛時駕駛艙和客艙外循環(huán)為例展示，如圖7、圖8所示。最終各測試項(xiàng)目試飛測試結(jié)果如表1所示，通常用測試的最大值來衡量直升機(jī)艙內(nèi)一氧化碳水平。

表1 試飛測試項(xiàng)目及結(jié)果

根據(jù)表1試飛測試結(jié)果，不使用環(huán)控系統(tǒng)且直升機(jī)艙門、窗關(guān)閉時，測試結(jié)果為0 ppm，艙內(nèi)空氣中不存在一氧化碳。使用加溫時，無論是懸停還是前飛，駕駛艙和客艙在外循環(huán)工作模式下的一氧化碳測試值均大于內(nèi)循環(huán)工作模式。說明在直升機(jī)懸?；蚯帮w時，受旋翼下洗氣流及外界環(huán)境風(fēng)向影響，發(fā)動機(jī)尾氣會通過環(huán)控進(jìn)氣口吸入艙室；而通過發(fā)動機(jī)引氣引入艙室的一氧化碳很少，且直升機(jī)前飛時發(fā)動機(jī)尾氣基本不會通過發(fā)動機(jī)引氣引入艙室。

5 結(jié)論

經(jīng)過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，某民用直升機(jī)艙內(nèi)一氧化碳濃度為4 ppm, 滿足CCAR29.831(c)、(d) 要求的前飛時艙內(nèi)空氣中一氧化碳濃度不得超過二萬分之一(50 ppm)的要求，獲得了適航當(dāng)局的認(rèn)可。本適航符合性驗(yàn)證工作為民用直升機(jī)艙內(nèi)空氣污染的準(zhǔn)確評估提供了有效的分析及驗(yàn)證思路，直升機(jī)懸停情況不可忽視，對運(yùn)輸類旋翼航空器型號合格審定中關(guān)于一氧化碳的相關(guān)驗(yàn)證工作具有重要參考意義。