0 引言

随着新的材料、工艺和科技在飞机上广泛地应用，极大增加了飞机发生火灾的可能性。如果飞机发生火灾，将造成十分严重的后果，所以飞机防火被列为重要的设计考虑因素。根据相关的安全报告和事故统计，从2005年到2014年，民用航空领域平均每年发生的飞机火灾事故约占事故总数的8%^[1]。美国交通运输安全委员会在2013年将飞机的防火列为其期望改善的问题^[2]。

民用飞机易燃液体防火的设计措施主要包括:隔离、通风、排液、着火探测、灭火等。排液是易燃液体防火的一个主要措施，是全机防火研究的重要领域^[3]。飞机系统设备、管线路等区域环境复杂，导致防火设计特征元素（点火源、易燃物等）众多。在飞机设计迭代过程中，由于需要对这些特征元素的构型进行管理与控制，传统的易燃液体排液设计方法已不适用，亟需一种新方法。

本文提出了选用数字化技术构建“基于易燃液体排液的数字样机”，剖析数字样机建立和分析的核心思路，同时结合系统工程的技术研究了基于数字样机的易燃液体排液设计与验证方法。

1 易燃液体排液设计与验证难点

飞机易燃液体在存储和使用过程中存在着泄漏的风险。为了符合适航规章，飞机采取易燃液体的排液设计避免造成严重的航空火灾事故。易燃液体的排液应符合CCAR25部以及FAR25部等相关适航条款的规定^[4-6]，详见表1。

易燃物、点火源和助燃剂是着火的三要素。飞机上的易燃物主要指的是易燃液体，包括燃油管中的燃油、液压管中的液压油等。根据三要素的状态，可以将飞机全机环境区域分为五类^[7]，详情见表2。其中对于飞机上的火区与易燃液体泄漏区，由于存在着易燃液体泄漏的风险，同时也存在点火源与助燃剂，因此需要重点开展易燃液体防火排液设计。

民用飞机研制是一项复杂的系统工程，民机企业普遍开始采用《民用飞机与系统研制指南（SAE ARP 4754A）》来指导飞机产品的研制与开发，以确保民机型号研制与开发过程能满足适航审查的要求。

飞机防火特征要素众多、范围广，且飞机产品集成工作及设计迭代要素非常复杂，采用传统的设计方法与流程管控全机防火特征要素存在一定的难度，因此对于易燃液体排液设计，亟需采用新方法来确保基于防火需求的设计综合过程与结果是高效且准确的。

随着数字化定义与协同技术在飞机设计领域的推广与应用，极大地提升了飞机的设计效率，缩短了研发周期^[8-9]。目前，飞机数字样机主要应用于飞机产品设计、数字化装配、干涉间隙检查、仿真分析、虚拟现实等场景^[10-11]。在基于数字化的飞机体系中，对于数字样机的开发一般是围绕产品构型管控属性的产品模块协同功能开展，以产品与数字样机的实时协同为目标来定制与管理数字样机。

本文主要探索在易燃液体排液的设计与验证工作中，结合数字化技术，采用数字样机来进行需求的相关捕获与验证，研究从飞机全生命周期的角度出发，将数字化技术方法渗透到排液设计中。

2 易燃液体排液设计和验证思路

飞机易燃液体排液的设计与验证是一项技术复杂、经验性强且涉及多个专业的系统工程。排液设计主要根据防火的需求，通过合理的工程设计将易燃液体（蒸气）排出机体，并保证排放的路径是安全的，不会引起机体其他区域产生着火风险以及不影响其它系统设备的正常工作。

飞机易燃液体排放设计应基于数字化设计和协同手段在飞机研制全生命周期内开展方案迭代，利用数字样机对全机易燃液体排放设计方案进行分析与验证，减少后期因设计方案更改带来的进度与成本的损失。全机易燃液体排放设计方案的合理性需通过飞机排液地面试验和飞行试验进行验证^[12]，并根据验证结果对基于数字样机的易燃液体排放设计方案进行优化。

基于数字样机的飞机易燃液体排放设计和验证思路如图1所示。

需求与概念论证阶段:根据防火顶层需求和全机排液要求，确认全机排液涉及的液体类型、系统以及区域。通过数字化手段将全机划分为不同的防火区域。针对不同的防火区域制定对应的排液要求，用于指导和约束系统本身的方案设计。通过数字样机梳理各系统可能存在的易燃液体排液风险和对应要求。

初步设计阶段:识别各防火区域排液需求; 完成排液通道规划以及结构和系统的初步排液设计。通过数字样机检查结构和系统初步设计方案中的易燃液体排放的风险是否被全部识别，制定对应的处置方案。

详细设计阶段:逐步明确防火特征要素的参数与几何特征，考虑并分析相应的泄漏源，除此之外还需要研究排液路径，使得想要的最大泄漏率被获取，从而将排液路径上的着火概率降至最低。通过数字样机验证方案的可行性，同时优化设计结构和系统的详细设计方案满足排液要求。

试制与验证阶段:规划和实施飞机排液地面试验和飞行试验，通过试验结果和数字化仿真结果对比，反向优化详细设计方案和试验方案，以达到全机排液方案最佳。

批量生产阶段:根据实际运营过程中发现的问题，进一步完善和分析排液方案，并在数字样机中落实更改。

3 易燃液体排液数字样机构建方法

由于全机存在大量的泄漏源与点火源且遍布飞机各个区域，在设计中如何获取全机防火特征信息，如何快速开展设计协调，如何在设计方案的迭代过程中确保防火特征要素的构型状态清楚，是排液数字样机构建的关键。

3.1 防火特征信息数字化定义

目前基于模型定义（model based definition，简称MBD）的数字化方法已在飞机研发中广泛地使用^[13]。利用MBD技术可对防火特征要素，如点火源（高温热表面、电弧/火花、热流体）、易燃物（燃油、液压油等）、液体排放模型等进行数字化定义，并且在模型中定义相应的构型管控属性，从而构建数字化模型及平台，实现对易燃液体数字样机的识别和管控，从而更好地开展数字化研究和方案验证。

3.2 数字化模型构建

全机排液数字样机由防火区域划分模型、易燃物泄漏源模型、点火源模型、泄漏源泄漏模型、液体排放点模型、排放路径预测模型等部分组成。其中，易燃物泄漏模型和泄漏源泄漏模型构成了易燃液体控制模型; 泄漏源泄漏模型、点火源模型和液体排放点模型构成了排放路径预测模型的环境; 通过排放路径预测模型来验证易燃液体控制是否符合顶层要求。飞机的排液数字样机构成如图2所示。

1）防火区域全机模型

根据防火区域要求，飞机根据防火要求分为5类，包括:火区、临近火区、易燃区、易燃液体泄漏区、非危险区。将各个区域相关的防火要求与防火区域定义模型关联，作为飞机总体方案的顶层约束条件，指导结构和系统的总体设计方案，并作为后期的易燃液体排放设计与验证的基础输入条件。

2）易燃物泄漏源模型

易燃物泄漏源的模型绝大部分与管路的接头位置和形式有关系。对于飞机的易燃液体泄漏区，由于维修性、分离面、设备与管路的安装连接等原因，会有较多的泄漏源，基于泄漏源构建相应的泄漏源模型。

3）点火源模型

点火源一般是系统的热表面、系统故障状态下泄漏的热流体、系统故障状态下产生的电弧/火花。点火源模型可以简化成一个面或者体，可以抽取产品表面几何面或几何体来表示。

4）泄漏源泄漏模型

泄漏模型与飞机的飞行姿态有关。飞机的俯仰角、偏航角、滚转角是表征飞机姿态的三个重要参数，也是飞机泄漏源泄漏模型建立的重要依据。根据飞机在机体坐标系ox_by_bz_b的姿态剖面，可以得出液体失效后的影响范围包络模型，如图3所示。

5）液体排放点模型

飞机上产生的液体通过机身排液孔排到机体外。机身的排液孔主要有两种，一种是机身结构排液孔，另一种是系统排液装置。这些排液孔需构建相应的液体排放点模型。易燃液体排液孔的位置非常关键，其将易燃物起火概率降到最低。

由于适航对于排放验证速率的需求，排放点的尺寸定义可以根据液体流动通过小孔的机械能守恒的公式进行估算。

式中:α指的是无量纲修正系数; u指的是液体的平均瞬时流速; z指的是基准高度; F指的是静态摩擦引起的损失; W_s指的是轴功。

假设:W_s=0，Δz=0，摩擦损失由流出系数C₁来近似代替，液体通过小孔泄漏的质量流率为

式中:A是小孔面积; ΔP表征压力。

6）排放路径预测模型

排放路径预测模型主要是指液体从泄漏到最终到达排放点这个过程中的路径通道模型。由于飞机在结构设计中基于腐蚀等要素的要求，需要确保结构上不能有积聚的液体，因此飞机结构上设计有排水通道。对于基于结构的排液通道设计排放路径预测模型，主要是确保液体到结构排水通道路径是可行的，如图4所示。

4 数字化仿真与验证

随着飞机设计迭代细化，数字样机逐渐完善，开展基于模型的分析与协调，逐步提高设计成熟度。在顶层规划时，应根据系统功能与架构进行初步的识别，在设计初期开展合理的空间分配，做好空间的规划与定义。例如EWIS属于点火源，因此在管线路规划时，应合理安排相关的空间，一般应避免EWIS通道布置在管路的下方。除此之外，需规划飞机外部排液方案，以中国民航规章条款的外部液体控制要求为原则，定义相应的外部液体排放点和排放形式。根据易燃液体的泄漏模型，通过数字样机开展排液路径的综合优化分析工作，确保路径可控并避开相关的系统与设备。

通过数字样机的确认与验证主要有两项内容:1）一个是易燃液体泄漏路径附近是否有点火源; 2）另一个是易燃液体到机外的排放路径是否畅通。对于内容1），如果排液路径不满足要求，则需开展更改或优化排液方案。通过接头位置调整、管路布置优化、点火源位置调整、加装隔离防护等多种途径与措施开展设计优化工作。对于内容2），由于易燃液体在飞行过程中排放到机体外，为了评估外部排放装置的设计对排液轨迹及飞机本体的影响，需要对排液点外部流场开展分析与计算，如图5所示。

5 某大型民用飞机设计验证实例

以国内某大型民用飞机研制为例简述各阶段内容。

在需求与概念论证阶段，定义了飞机各防火划分区域，如图6所示。

在初步设计阶段，识别各防火区域防火排液需求，比如:

a）指定火区中的易燃液体输送管路应远离高温热源、指定火区中应根据易燃液体泄漏源的位置类型及数量设计排液口、指定火区中位于可能渗漏的易燃液体系统组件附近的吸收性材料应加以包裹或处理等;

b）临近指定火区失火时，不能导致相邻区域的易燃液体泄漏、临近指定火区需有排液措施，减少易燃液体及蒸汽积聚的可能性等;

c）易燃液体泄漏区中，应提供排液设计，保证易燃液体泄漏可以及时排出机外并能防止排出飞机的液体重新进入飞机的其他区域、易燃液体管路应集中布置，并采取防护措施避免泄漏、排液设计应考虑区域内可能的易燃液体泄漏源分布及可能的影响，采取结构内部排液通路设计，尽量减少机身外部排液孔数量等;

d）易燃区中的易燃液体不能泄漏进入飞机的火区、储存易燃液体的组件应耐火，能够阻挡一定能量的物体冲击等等。

根据各种防火排液需求及要求，某大型民用飞机完成了排液通道规划以及结构和系统的初步排液设计。

在详细设计阶段，明确防火特征要素的参数与几何特征，考虑并分析相应的泄漏源，建立了泄漏源模型，如图7中橙色高亮部分所示。

在试制与验证阶段，规划和实施了飞机排液地面试验和飞行试验，通过试验结果和数字化仿真结果对比，优化了详细设计方案和试验方案，最终圆满完成了验证试验，关闭了符合性条款。

6 结论

本文根据易燃液体排放要求，基于数字样机并结合系统工程的方法研究了在飞机各研制阶段易燃液体排液设计需开展的工作内容:捕获了基于易燃液体排液的数字化开发与研制需求，梳理了防火数字样机关键技术，并在数字化定义、模型构建、模型设计综合与方案确认、模型仿真等方面逐步完善与细化了全机防火数字样机设计与验证思路，使得该数字样机的开发与应用能够全面支撑飞机易燃液体排放的设计与验证工作，并显著提高了设计的质量，缩短了研发的周期。

参考文献