飞机燃油系统闪电试验可燃气体配比研究

姜 亮，刘春阳，姚永杰，熊 秀

（1.中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210；
2.中国民用航空上海航空器适航审定中心，上海 200335；

3.西安爱邦电磁技术有限责任公司，陕西 西安 710077）

飞机燃油系统闪电试验是飞机燃油箱防爆安全设计验证的一项重要试验，也是适航审查的重点。该试验可以表明飞机遭遇闪电时会否在燃油箱内产生点火源，进而引发燃油蒸气点燃爆炸[1-2]。由于真实的燃油蒸气成分复杂且难以制备[3-4]，国内外现行标准一般都建议采用混合的可燃气体来模拟替代真实的燃油蒸气，并要求混合的可燃气体可被200 μJ 能量的电火花点燃[5-12]。

目前，国内外开展的燃油系统闪电试验中大多采用氢气（H2）、氧气（O2）和氩气（Ar）混合制成可燃气体的方法。文献[13]通过试验研究提出了采用点燃能量更小的敏感气体氢气作为点火源的探测气体，以提高点燃概率。文献[3，14-15]对点燃可燃气体的标准电火花源进行了研究，给出了电极间隙等关键影响因素，并提出了用于计算理论能量的方法。文献[16]对氢气点燃的动态过程进行记录，并对点燃后的压力进行了测量。文献[17-18]结合试验研究，给出了采用混合可燃气体检测点火源的具体应用。

由于氢气的点燃能量小，点燃后释放的压力小、温度低，且易于同其他气体混合，最新版试验标准SAE ARP5416A、DO-160G等均推荐优先采用氢气、氧气和氩气这3 种气体混合制成可燃气体的方法，并要求可燃气体配比要满足在200 μJ 电火花能量下的点燃概率不小于90%。

上述标准中推荐的氢气配比体积分数调节范围为5%～7%，化学当量为1.2[6，10]。但试验研究发现，采用普通精度的浮子流量计、试验腔体内气体置换不均匀、气体密封泄露等因素，都会导致可燃气体中氢气配比体积分数的轻微变化，引起混合气体点燃所需的最小点燃能量出现较大的波动，进而导致燃油系统闪电试验欠考核或过严考核，从而影响试验验证的有效性；
此外，氢气体积分数的大小影响可燃气体燃爆冲击能量的大小，对试验人员及试验件的安全有一定的影响[19]。

为此，本文针对飞机燃油系统闪电试验中采用的氢气、氧气和氩气可燃气体配比开展研究，对可燃气体不同配比下的最小点燃能量以及相关的点燃影响因素进行试验研究，以期为燃油系统闪电试验验证及防护设计提供数据参考和依据。

本文对飞机燃油系统闪电试验采用的氢气、氧气和氩气可燃气体配比开展的研究，主要包括两方面。1） 研究不同可燃气体配比体积分数下，气体点燃所需的最小电火花点燃能量。其中，氢气的体积分数分别选取3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%。初始氢气体积分数为3.5%，化学当量为1.2。调制好可燃气体配比体积分数，通过逐步调节电火花的点燃能量值，直至气体被点燃，以获取不同配比体积分数下的最小点燃能量。2） 研究200 μJ电火花能量下，满足90%点燃概率的可燃气体配比比例及影响因素。将电火花能量调节在200 μJ 以内，通过调节气体配比体积分数，使200 μJ 能量的电火花能点燃可燃气体并且满足90%的点燃概率。通过多次试验，记录可燃气体配比及相应的点燃概率。气体的点燃为概率事件，为此，针对不同的气体配比体积分数，需要分别进行多组试验测量和数据统计分析。

通过试验，对飞机燃油系统闪电试验采用的氢气、氧气和氩气可燃气体配比进行研究。

2.1 试验装置

试验设备及布置，如图1所示。

图1 可燃气体点燃试验布置Fig.1 Setup for flammable gas ignition test

主要试验装置及作用说明如下。

1） 动态气体配比系统：用于产生试验所需的可燃气体；
氢气、氧气和氩气气瓶内的压缩气体经减压阀输出至流量计，并经过气体混合腔均匀混合后再通过充气管路输送进入试验腔体；
气体配比体积分数可以通过计算机管理的高精度质量流量计进行动态调节和精确控制。

2） 标准电火花源：用于产生0～300 μJ能量可调节的电火花，是试验中的关键设备，其工作原理如图2所示，充电电容和放电电极并联，可调的直流高压电源对充电电容进行充电，当电容的充电电压达到气体击穿电压时，电极两端产生电火花放电[20-21]。

图2 电火花源原理图Fig.2 Schematic diagram of spark source

图3 试验使用的相机Fig.3 Camera used in the test

电火花能量的计算公式如下：

式（1）中：E为电火花能量；
C为充电电容值；
V为电极放电的击穿电压值。

根据式（1），通过对充电电容和放电电压的调节可以实现对电火花能量的控制。其中：充电电容的大小可通过可调电容的旋钮进行调节；
放电电压主要受放电电极的距离、形状，以及气体环境的影响。电极间隙距离越大，所需的击穿电压值越大，试验中，电极的间隙控制在1.6 mm左右。

3） 试验腔体：用于试验中可燃气体的存储。该腔体选用透明有机玻璃材料，以便从外部观察腔体内电极的放电现象；
腔体上表面及两侧表面设有3 个泄压口，试验中当腔体内可燃气体燃爆时，泄压口薄板将被吹起打开，以泄放气体燃爆产生的冲击压力[22]。

在试验腔体斜对角位置设有2 个管路连接口，用于充气管路和排气管路的连接。试验腔体内的可燃气体环境通过气体体积置换的方式获得。试验研究表明，对腔体进行5倍体积的气体置换，可以使腔体内的混合气体体积分数达到99%以上[3]。

4） 相机：用于试验现象的观察和过程记录。由于电火花的放电能量较小，难以用肉眼准确观察。同时，考虑到可燃气体燃爆对试验人员的安全影响，试验中，采用加装长焦镜头的相机对试验腔体内电极之间的电火花产生情况进行观测和记录。

2.2 试验条件

试验在常温常压大气环境下进行，试验区域应保持良好的通风，气体配比系统、试验腔体、排气管路出口位置应禁止有明火及高温源，周围配置灭火器及氢气体积分数检测仪，确保气体的使用安全。

试验时，试验腔体内的湿度应尽可能小（建议一般小于60%）。气体点燃后，应对试验腔体内的水蒸汽进行烘干处理，确保试验腔体干燥。

试验前，应检查标准电火花源的电极，确保电极表面无脏污、烧蚀。

2.3 试验步骤

电火花点燃气体试验的步骤如下。

1） 根据图1 所示的试验布置，连接放置好气体配比系统、标准电火花源、试验腔体、充气管路、排气管路和相机等设备。

2） 采用密封胶带对试验腔体的泄压口薄板进行密封，确保充气时腔体内的气体不会发生泄漏。

3） 根据气体配比体积分数，计算气体配比系统的流速和充气时间，并进行参数设置，向试验腔体内充入可燃气体。试验腔体的体积为44 L，充入的可燃气体的总体积应不小于220 L。将混合气体的总流速设置为60 L/min，充气时间设置为240 s，可确保腔体不小于5倍体积的换气。

4） 充气完成后，断开充气管口连接，并对充气管口进行密封；
同时去掉泄压口薄板的3边密封胶带，仅保留1边固定。

5） 设置标准电火花源，点燃可燃气体。①针对不同气体配比下的最小电火花点燃能量试验。在试验前，将标准电火花源的输出电压值调至1 个较小的值（2 kV 左右），确保放电电极不会击穿，充电电容值调节至最小值（5 pF 左右）；
打开标准电火花电源，缓慢调节放电电极的电压输出值，同时，通过相机镜头观察放电电极，直至有电火花产生。若有电火花产生但气体未点燃，则表明电火花能量太小，不能点燃气体。关闭电源，缓慢增加充电电容值，使电火花的能量增加，并重新打开标准电火花源，直至有电火花产生且气体能被点燃，则该能量值为电火花点燃的最小能量值。②针对200 μJ 电火花能量下的气体配比验证试验。试验前，将放电电容值设置为1 个固定值（26 pF左右），调节标准电火花源的电压值，确保放电电极不会击穿。打开标准电火花电源，缓慢调节放电电极的电压输出值，同时，通过相机镜头观察放电电极，直至有电火花产生，观察试验腔体内的可燃气体是否能被点燃。

6） 使用相机记录气体点燃过程。

7） 测量记录标准电火花源的充电电容值、电火花击穿电压值，计算电火花的能量值。

按照规定的试验内容和次数完成试验。

3.1 试验结果

可燃气体点燃试验结果如下：

1） 氢气配比体积分数分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%时（对应数据组序号依次为1～7），可燃气体最小点燃能量的试验结果统计如表1 所示。每种气体比例下的试验次数为5次。

表1 不同氢气体积分数下可燃气体点燃试验的数据结果Tab.1 Test results of flammable gas ignition test with different proportions of H2

2） 200 μJ 电火花能量下，将氢气配比体积分数调整为4.5%、5.0%，研究在该气体配比下的点燃能量及点燃概率，试验结果如表2 和表3 所示。每种气体比例下的试验次数为10次（对应序号1～10）。

表2 4.5%氢气体积分数的点燃试验数据Tab.2 Test results when H2 proportion is 4.5%

表3 5.0%氢气体积分数的点燃试验数据Tab.3 Test results when H2 proportion is 5.0%

3.2 试验结果分析

1） 对表1 统计的试验数据进行分析：数据组1 显示，当氢气体积分数为3.5%时，即使电火花能量大于200 μJ，也无法使混合气体被点燃；
数据组2 显示，在氢气体积分数为4.0%时，5 次试验中气体均被点燃，但平均最小点燃能量值为218.6 μJ，大于国内外民航管理局可接受的燃油蒸气最小电火花点燃能量值200 μJ[12]；
数据组7 显示，在6.5%氢气体积分数的5 次试验中，气体均可被点燃，但试验中观察到气体被点燃时，试验腔体上泄压口薄板的打开动作非常剧烈，如图4所示，试验腔体顶部的泄压口薄板被掀翻180°，表明该氢气体积分数下的气体燃爆压力显著增加；
闪电试验如采用6.5%氢气体积分数的气体将会导致试验燃爆冲击压力过大，会增加试验的安全风险。

图4 气体点燃后试验腔体照片Fig.4 Photo of test chamber when gas was ignited

因此，3.5%和4.0%的氢气配比体积分数不能用于燃油系统闪电试验；
同时，6.5%的氢气配比体积分数不推荐用于燃油系统闪电试验。

2） 标准SAE ARP5416A 要求可燃气体被200 μJ电火花（燃油蒸气的最小点燃能量）点燃的概率不得小于90%。对表2 中的10 次试验数据进行分析；
在4.5%的氢气配比体积分数下，10 次试验中出现了1 次气体点燃能量大于200 μJ 的情况，气体可被200 μJ 能量点燃的概率为90%，刚好处于标准SAE ARP5416A试验要求的临界值。

因此，闪电试验中，如氢气配比体积分数按4.5%进行配置，则仍存在200 μJ 电火花能量下点燃概率不能满足试验标准要求（点燃概率不小于90%）的较大风险，故4.5%的氢气配比体积分数不推荐优先用于燃油系统闪电试验。

3） 对表3 中的10 次试验数据进行分析，在5.0%氢气配比体积分数下，10 次试验的气体全部被点燃，点燃概率为100%。其中，最小的点燃能量为154 μJ，最大的点燃能量为184 μJ。

根据试验结果，10 次试验中电火花能量值均小于200 μJ。因此，闪电试验中气体采用5.0%氢气配比体积分数可将200 μJ 及以上能量的全部点火源都检测出来。10 次试验中的最小点燃能量为154 μJ，该点燃能量值距离200 μJ 能量值的差距并不大，因而不会导致试验被过度考核。

4） 对不同氢气体积分数下的最小点燃能量值进行绘图统计，如图5所示。曲线整体趋势显示，随着氢气体积分数的增大，点燃气体所需的最小点燃能量逐渐降低。

图5 最小点燃能量值统计Fig.5 Statistics of minimum ignition energy

因此，氢气配比体积分数为5.5%和6.0%时的气体点燃能量将比氢气配比体积分数为5.0%时的气体点燃能量更低，也因此会导致闪电试验被严重的过度考核。氢气配比体积分数越高，试验过严考核的程度就越大。

5） 对不同氢气体积分数下的放电电极击穿电压值进行统计，如图6所示。数据曲线显示，随着氢气体积分数的增大，放电电极的平均击穿电压整体呈增大趋势。但击穿电压值的分散性较大，这是因为除了气体特性外，击穿电压值还与电极间隙、电极的烧蚀、电极表面的清洁程度等相关。空气中的击穿电压远远大于可燃气体中的击穿电压，因此，在闪电试验中应尽可能保持放电电极的状态不变，电极上的输出电压值应略大于放电间隙的击穿电压值。若试验中放电电极状态发生变化，则需要采用可燃气体重新进行点燃能量的验证。

图6 放电电极击穿电压值Fig.6 Breakdown voltage of discharge electrode

本文对飞机燃油系统闪电试验中可燃气体配比进行了试验研究和分析，并得出以下结论：1） 推荐燃油系统闪电试验，优先采用5.0%的氢气配比体积分数，可确保200 μJ 及以上能量的全部点火源被试验检出，同时也避免了闪电试验被严重的过度考核；
2） 随着氢气配比体积分数的增大，可燃气体被点燃所需的点燃能量逐渐降低，氢气配比体积分数越高，燃油系统闪电试验被过严考核的程度就越大，故5.5%和6.0%的氢气配比体积分数不推荐被优先采用；
3） 考虑气体燃爆冲击影响，燃油系统闪电试验中，不推荐采用6.5%及以上氢气配比体积分数的可燃气体，如采用，必须充分评估气体燃爆冲击压力对试验腔体及试验件的安全影响；
4） 电火花点燃可燃气体的击穿电压值呈现一定的分散性，因此，闪电试验操作中应尽可能地确保放电电极的间隙、表面清洁度等状态的稳定。本文试验数据及研究结论可为飞机燃油系统闪电防护设计及闪电试验提供指导和重要参考。

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