0 引言

随着复材在民机领域的大规模应用，复材机翼逐渐在空客A350、波音787、恩博威E2、俄罗斯MC21等先进民机上广泛应用。复材虽具有轻质优点，但导热导电能力显著弱于传统铝制金属材料。从燃油箱散热角度看，复材构成的机翼燃油箱属于非传统的非加热铝制机翼燃油箱，依据CCAR-25-R4要求，非传统的非加热铝制机翼燃油箱可燃性需要满足25.981（b）和附录M的定量要求，从当前工程实践经验来看，复材机翼油箱的外翼部分需要满足可燃性不大于3%定量要求，中央翼部分需要满足附录M要求。具有复材机翼的民机型号通常会选择加装惰化系统对全燃油箱进行惰化以达到上述适航要求。

全燃油箱惰化的设计需求对惰化系统的产氮能力提出很高要求，油箱体量越大，上述要求越高，尤其是大型民用飞机复材燃油箱。如何在满足系统设计要求的情况下，进行合理且经济的惰化系统架构设计是惰化系统设计人员关注的重点。

在安全性需求驱动下，国内外相关研究机构通过原型机试飞、实验室缩比模型试验、数值仿真、工程计算等手段在降燃系统设计、系统性能分析、降燃功能验证等技术领域，开展了有价值的研究工作，以上研究工作的成果直接推动了民机惰化系统的大规模工程应用。

国外最权威的研究工作源自FAA^[1-5]分别基于NASA 波音747 SCA /A320/波音737试飞平台开展的地面试验和飞行试验，涉及的降燃系统包括地面洗涤惰化和机载制氮惰化两种形式，FAA公开的试验数据成为了其他机构开展研究工作的基准。

国内研究机构侧重于空气分离器膜丝分离特性机理研究^[6-7]、国产燃油气体溶解与析出理化特性研究^[8-9]、燃油箱惰化过程仿真理论方法与数值方法研究^[10-12]、不同NEA分配方式下惰化性能研究^[13-14]，部分研究成果^[15]涉及了某型号惰化系统初步设计工作。

但以上文献均不涉及大型民用飞机全燃油箱惰化需求下的复杂惰化系统的架构设计方法研究。

本文以大型民用飞机全燃油箱惰化为需求牵引，开展惰化系统架构权衡分析方法研究，研究内容包括不同通气形式、不同引气调节架构下惰化系统性能计算方法和不同设计目标下空气分离器数量、引气量和富氮气体（nitrogen enriched air，简称NEA）流量计算方法。为解决先进民用飞机惰化系统初步设计中遇到的工程问题提供方法指导，为民机研制活动提供帮助。

1 分析方法

1.1 氧气浓度分析模型

本文研究对象为大型民用飞机惰化系统，整个燃油箱需要惰化，燃油箱体积大，NEA需求量大，因此一般配有多个空气分离模块（air separation module，简称ASM）并联工作。大型民用飞机典型惰化系统架构如图1所示，惰化系统一般采用发动机或者客舱引气作为气源，由于ASM不仅对引气品质要求高，对引气温度和压力也有相应要求，因此ASM上游引气调节子系统，除了要调节引气温度（冷却），还要对引气中臭氧和污染物进行处理，使之去除/减少/过滤，以保护ASM，同时满足ASM工作参数要求。ASM下游为NEA流量控制阀，可根据飞行阶段选择不同NEA流量通入燃油箱。燃油箱内布置有NEA分配管路，同时燃油箱与通气油箱联通，通气油箱一般通过冲压进气口（开式通气）或者呼吸阀（闭式通气）与外界大气联通，保证燃油箱压力维持在一定范围内。

本文的研究目的是在性能分析的基础上定量评估不同通气系统形式对惰化系统架构的影响，包括ASM数量、引气量、不同航程下油箱氧气浓度变化过程等。

各种潜在场景下油箱内氧气浓度数据是分析的基础，根据FAA^[4-5]的研究结论，不考虑燃油溶解氧析出的单舱模型能够很好地与试飞数据吻合，因此单舱模型即可满足氧气浓度工程分析需求，本文参考文献^[5]建立无溶解氧析出单舱模型。为了简化研究的复杂性，模型中做以下基本假设:

a）不考虑燃油中氧气析出;

b）NEA和燃油箱气相及燃油温度相同;

c）燃油箱上部的热力参数和浓度参数各处相同，且混合过程瞬间完成;

d）不考虑油箱内气相空间气体分子质量差异，即气体质量分数等于其体积分数。

t时刻油箱内氧气质量如公式（1）所示; t-△t时刻油箱内氧气含量如公式（2）所示。

式中，$m_{O_2}（t）$表示t时刻氧气质量，$m_{O_2}（t-△t）$表示t-△t时刻氧气质量，${\dot{m}}_{\mathrm{N}\mathrm{E}\mathrm{A}}$表示t时刻NEA质量流量，IGOF表示t时刻NEA中氧气含量，UGOF（t-△t）表示t-△t时刻油箱内氧气含量，△ρ表示压力变化引起的油箱内气相密度变化，V_Tank表示油箱气相空间体积，m_Tank表示油箱内气体质量。

以单舱模型为基础，典型飞行剖面下燃油箱氧气浓度分析流程如图2所示。

1.2 架构分析方法

针对工程关注点，为得到不同惰化系统架构下空气分离器数量、NEA质量流量需求量、引气质量流量需求量等关键数据，需要基于单舱模型建立惰化系统架构参数自动寻优方法。

该方法应能在确定的通气系统形式和引气调节子系统架构下，根据设计目标（比如:航后燃油箱平均氧气浓度），自动给出ASM数量及相应引气流量和NEA流量等数据。惰化系统架构权衡分析程序分析流程如图3所示。

1.3 分析工具

为固化算法，快捷开展不同架构下惰化系统性能计算，基于Matlab2011b开发形成大型民用飞机惰化系统架构权衡分析工具，该工具操作界面如图4所示。

程序说明:除场高4 000 ft以上的下降阶段为NEA大流量模式外，其余为NEA低流量模式，本程序寻优部分仅自动调整大流量模式下NEA流量，NEA小流量模式提前设置，程序通过不断调整NEA流量使航后氧气浓度接近设计值，进而获得ASM数量，本程序内置基准6 in ASM性能数据库，ASM工作温度为71℃，燃油箱气相空间最大为126 m³，航后结束剩余备用油，航前根据航程计算加油量，程序中每次ASM数量确定后，会立即进行一架次完整航段仿真计算，最后一次输出即为最终结果，包括:引气流量、NEA流量和富氧气体（oxygen enriched air，简称OEA）流量、浓度值。其中低流量模式下NEA流量数值为用户输入。

为保证分析结果在飞机全寿命周期有效，确定ASM数量时需考虑ASM性能衰减和实际多元化的运营场景，比如不同航程，在可燃性分析中，氧气浓度计算是在连续架次上进行的，因此前一架次航后氧气浓度决定了下一架次地面阶段的氧气浓度变化，因此以航后氧气浓度上限作为寻优标准，采用新ASM性能数据开展计算，考虑跨夜过程油箱呼吸作用对氧气浓度提升的影响，暂定航后中央翼可接受氧气浓度为9%。

2 开式通气架构

2.1 架构介绍

开式通气架构包括引气增压和引气非增压两种形式。本节重点研究开式通气架构下采用小流量与大流量的NEA流量模式对应最优ASM数量、引气质量流量和NEA流量。

2.2 仿真工况与结果分析

设计工况汇总见表1。表中所有工况分别进行引气增压和非增压场景计算，获取最佳ASM量和相应流量数据。

通过对表1中工况进行计算，得到开式通气架构下最佳ASM数量和不同流量模式下引气流量仿真计算结果汇总如表2所示。对比增压和非增压工况，可以看到引气增压可以将ASM数量由15减少至8.8，引气流量由340.5 g/s降低至279.5 g/s。

其中，开式通气引气增压架构下三个典型航段工况1、工况2、工况3的油箱平均氧气浓度计算结果分别如图5、图6、图7所示。以工况2为例展示典型航段下惰化系统引气质量流量数据如图8所示，相应油箱内压力变化数据如图9所示。

3 闭式通气架构

3.1 场景介绍

闭式通气架构包括引气增压和引气非增压两种架构形式。本节重点研究闭式通气架构下采用小流量与大流量NEA流量模式对应最优ASM数量、引气质量流量和NEA流量。

3.2 仿真工况与结果分析

设计工况汇总见表3。表中所有工况分别进行引气增压和非增压场景计算，获取最佳ASM数量和相应流量数据。

通过对表3中工况进行计算，得到闭式通气架构下最佳ASM数量和大流量模式对应引气流量仿真计算结果汇总如表4所示。

对比增压和非增压工况，可以看到引气增压可以将ASM数量由10.6减少至6，引气流量由242.5 g/s降低至191.5 g/s。

其中，闭式通气引气增压架构下三个典型航段工况1、工况2、工况3的燃油箱平均氧气浓度计算结果如图10、图11和图12所示。

对比分析图中曲线可得:相同架构和流量模式下，工况1、工况2和工况3仅航程存在差异，飞行时间存在差异，巡航结束时刻燃油箱平均氧气浓度随着航程增加，依次降低，这与惰化系统在巡航阶段工作时间有关，惰化系统工作时间越久，油箱惰化状态越好，燃油箱平均氧气浓度越低，最低与NEA氧气浓度一致。下降阶段的大流量模式抑制了氧气浓度提升，下降阶段氧气浓度峰值仅为9%。触地时刻氧气浓度有个小幅跃升是因为本文假设气相空间温度恒等于大气恢复温度，着陆时刻飞机速度由着陆速度（0.4 Mach）突变为0，大气恢复温度降低，油箱气相空间温度降低，压力降低，外界大气进入油箱，提升了燃油箱内氧气浓度，涨幅约为0.5%。

闭式通气显著降低引气需求的原因是在呼吸阀限流作用下，使得巡航及下降初始阶段燃油箱处于正压，下降后半程至落地燃油箱维持负压，整个下降过程，燃油箱压差变化量相对气压变化量减小，从而弱化了下降过程新鲜空气进入燃油箱提升氧气浓度的作用，以工况2为例展示闭式通气引气增压架构下引气质量流量数据如图13所示，相应燃油箱压力数据如图14所示。

4 结论

本文研究结论如下:

1）在燃油箱开式通气和闭式通气架构下，引气增压均能够显著降低ASM需求量和引气流量，下降阶段引气增压提升了ASM的分离效率，相同NEA流量下，NEA含氧量更低，惰化效果更好;

2）增压形式相同情况下，闭式通气架构相对开式增压形式可以显著降低ASM需求量和引气流量，闭式通气能够使得下降阶段燃油箱压力变化量减小1.5 psia;

3）对比本文全部惰化系统架构形式，闭式通气引气增压架构需求的ASM数量最少和引气质量流量最小;

4）全燃油箱惰化需求下民机惰化系统架构设计还需要开展进一步权衡研究，除了本文提及的ASM数量和引气流量指标，还应该综合考虑引气增压实施方式、油箱耐压能力、油箱结构设计、燃油箱通气和燃油系统供油性能。

参考文献