管天麟
（上海飞机设计研究院动力燃油系统设计研究部，中国 上海 201210）
【摘 要】飞机燃油箱内水分影响飞机安全并增加维护负担。目前只能通过定期手动地面排空油箱以防止油箱腐蚀和细菌生长。与此同时，为降低飞机燃油箱可燃性，机载制氮系统（OBIGGS）被引入到最新研飞机中，通过产生富氮气体（NEA）对油箱进行惰化。由于富氮气体干燥且温度较燃油稍高，可有效降低飞机燃油箱内水分。
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关键词 燃油污染物；机载制氮系统；富氮气体；无油空间
Water Reduction within Fuel Tanks Using OBIGGS
GUAN Tian-lin
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Powerplant and Fuel Systems Dept., Shanghai 201210, China）
【Abstract】Water contamination affects the aircraft safety and increase the maintenance cost. Currently aircraft have to be drained manually on ground at regular intervals to prevent corrosion and bacterial growth. Meanwhile, in order to reduce the aircraft fuel tank flammability, an On Board Inert Gas Generation System (OBIGGS) was applied to provide inert gas into the fuel system in the modern aircraft. Since the OBIGGS introduces dry and warm Nitrogen Enriched Air into the tank, it reduces the humidity of the ullage air. Hence it is considered to be a potential solution to the water contamination.
【Key words】Fuel contamination; OBIGGS; NEA; Ullage
0 引言
飞机燃油系统是飞机上最为关键的机载系统之一，为发动机和辅助动力装置安全可靠地所需燃油。然而，燃油内水分和微生物等燃油污染物不可避免地会影响飞机飞行安全，可能会导致发动机停车、油量测量系统故障以及燃油泵入口结冰等情况。这一问题已日渐受到飞机燃油系统设计人员以及地面维护人员的关注。
2008年英国航空BA38航班一架B777从北京飞往伦敦途中准备进场着陆时，由于飞机发动机燃油滑油热交换器内的冰晶导致燃油流动受阻无法改变发动机推力，最后飞机在希斯罗机场紧急着陆。飞机途经蒙古、西伯利亚以及北欧的上空，环境温度可低至-74°C，尽管飞机燃油温度持续受到监控并无低温告警，但是燃油中含有的水分结冰仍可导致巨大危险。
同时，飞机燃油系统起火或爆炸也是导致飞机失事的主要原因之一。1996年，环球航空TWA800号班机一架B747在纽约肯尼迪国际机场起飞后约12分钟在纽约长岛上空由于油箱内燃油蒸汽产生火花导致爆炸。此后，美国适航当局对适航条款进行了修订，增加了降低油箱可燃性的相关条款。目前，最近新研飞机比如B787和A350均安装飞机惰化系统，采用机载制氮系统（On Board Inert Gas Generation System）降低油箱可燃性，通过OBIGGS产生的富氮气体（Nitrogen Enriched Air）不断替代燃油箱中无油空间内的空气，使得此空间内的氧气浓度值低于适航条款所要求的最高氧气浓度值。
1 燃油污染物
飞机燃油箱内燃油污染物通常以水、微粒和微生物存在，污染物的累积可能会导致燃油箱腐蚀、燃油泵滤网结冰堵塞等情况。
1.1 燃油中的水分
飞机燃油箱中的水通常以三种形式存在：溶解水、悬浮水和游离水。溶解水是燃油的正常组成部分，并不会对发动机供油性能造成影响。溶解水并不能通过沉淀、过滤或分离的方法去除。悬浮水通常呈云雾状，悬浮在燃油中。由于水密度比航空燃油大，游离水在飞机燃油箱底部单独占据了一部分空间。游离水和悬浮水会对燃油箱造成潜在危险，这两种形式的水可能会吸附在系统部件表面，在低温状态下结冰。
1.2 水分的来源
飞机燃油箱中可能产生潜在危险的水分主要是以下两种方式引起的：燃油中溶解水的沉淀以及湿冷空气产生的凝结水。
水在燃油中的溶解度主要取决于燃油温度的变化，温度越高，燃油溶解水的能力越强。在飞机爬升或巡航阶段，由于高海拔导致燃油温度降低，水分从燃油中沉淀。凝结水由于潮湿的空气进入油箱而产生，尤其是在飞机下降的过程中，潮湿的热空气从通气口进入油箱内，与冷的油箱壁面接触产生凝结水。
1.3 水分的影响
1.3.1 结冰
尽管对于一般航空燃油，冰点远小于零摄氏度，比如Jet A为-40°C，Jet A1为-47°C，但是随着燃油温度的降低，燃油中的水滴浓度在 4°C ~10°C 附近时开始减少。 当温度接近水的冰点时，冰晶开始形成。然而，由于水中存在杂质，结冰通常发生在-3°C~-1°C。这些冰晶最终会导致系统部件的阻塞，影响供油性能。图1显示了引言部分所提到的一架B777由于结冰阻塞的发动机燃油/滑油热交换器。
1.3.2 发动机停车
尽管燃油中的溶解水并不会影响供油性能，但是大量的游离水和悬浮水可能会导致发动机停车。此外，如果燃油泵滤网阻塞，会影响发动机入口燃油流量，一旦不能满足发动机耗油需求，发动机也会停车。
1.3.3 燃油箱腐蚀
研究表明，燃油箱腐蚀主要来源于水分，水分中的氯离子会破坏铝合金结构上的氧化膜。
1.3.4 微生物生长
飞机燃油箱内的水分为微生物增长提供了环境，如图2所示。微生物通过环境与燃油接触，最终导致各种各样的问题，例如堵塞、油箱结构腐蚀、燃油测量故障等。
1.4 减少水分的措施
目前，消除飞机燃油箱内水分主要有以下两种途径：油箱加油前标准质量控制检测手段和定期排空油箱维护。
在对飞机燃油箱进行加油前，对于燃油中水分含量进行监测，一般水分含量不超过30ppm。对于排空油箱维护，飞机主制造商一般建议每天进行维护，各航空公司根据其不同航线以及不同飞机有所不同。
2 机载制氮系统（OBIGGS）
美国联邦航空局（FAA）在1996年一架B747在纽约长岛上空由于燃油箱爆炸失事的事故后对运输类飞机颁布了一系列新的条款，旨在满足燃油箱可燃性的要求。虽然条款中并没有建议用什么方法实现这一要求，但是现役最新飞机波音787以及空客A350都采用了机载制氮系统（OBIGGS），通过产生富氮气体，对油箱内无油空间进行惰化，使之降低氧气浓度，满足燃油箱可燃性要求。
FAA也对增加燃油箱安全性作了一系列的研究，包括基于A320和B747的中央翼油箱的惰化系统影响分析。图3为FAA为B747SP设计的一个OBIGGS的系统构架。通过一组三个空气分离器（ASM）分离氧气和氮气，最终将产生的富氮气体充入燃油箱内。图中红色部分的热空气源为发动机引气，而在波音787中，由于没有发动机引气系统，因而采用客舱引气并用压气机增压的形式作为OBIGGS的气源。在富氮气体进入燃油箱前，设置双流量阀，其作用是在不同的飞行阶段控制不同的富氮气体流量。低流量模式下，在相对较低的流量下产生相对高纯度的富氮气体，而在高流量模式下，在相对较高的流量下产生相对较低纯度的富氮气体。这两种模式分别为满足爬升/巡航和下降阶段的无油空间的氧气浓度要求。
3 利用OBIGGS降低油箱内水分的潜在能力
由于OBIGGS提供干燥和温度相对较高的富氮气体，因而在飞机不同飞行阶段，产生的富氮气体可能会有效地减少燃油中水的沉淀以及外部湿冷空气产生的凝结水。
首先，需假设OBIGGS的NEA富氮气体出口浸没在燃油中，如图4所示。OBIGGS通过产生干燥的NEA富氮气体，在燃油中形成气泡，带走一部分水分。溶解水扩散的速度和温度以及燃油和气体间的接触面积有关。通过持续不断的NEA供给，能有效地减少原本从燃油中沉淀的水分。此外，OBIGGS通过降低无油空间内的相对湿度，增加了空气在水蒸气饱和前的含水能力，所以能有效延缓或减少凝结水的形成。不断充入燃油箱内的NEA也能使得外界进入燃油箱内的空气减少。所以，利用OBIGGS产生的富氮气体，在首先满足其本身降低燃油箱可燃性的功能下，有效地减少燃油箱内的水分，起到附加的效果。
当然，对于OBIGGS所产生的富氮气体，其本身温度相对燃油温度较高，由于燃油温度对于燃油箱可燃性是一个重要的影响指标，所以NEA出口浸没于燃油内导致的油温增加对于燃油箱可燃性的影响还需要进一步分析。
4 相对湿度的计算
无油空间中的湿空气可以看成是干空气和水蒸气的混合物，故
5 结论
本文对飞机机载制氮系统（OBIGGS）对于降低飞机燃油箱内水分的影响进行了理论分析，首先对燃油箱中水分的来源、影响及现状进行了阐述，然后对OBIGGS系统构架进行了简要描述，阐明了OBIGGS是作为降低燃油箱可燃性的一种有效地方式。最后，通过分析利用OBIGGS降低燃油箱内水分的潜在能力，理论上可以得出，OBIGGS所产生的干燥的富氮气体能有效减少燃油中水的沉淀以及由于外界湿热空气进入所产生的凝结水，并给出相对湿度的计算方法。但是，对于燃油温度升高对于燃油箱可燃性的影响还需要进一步分析，毕竟， OBIGGS的主要功能是为了满足降低燃油箱可燃性的要求，对于降低燃油箱内的水分，只是附加的效果。其具体水分减少量还需后续进行数值模拟计算。
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参考文献
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［３］Roy Langton, Chuck Clark, Martin Hewitt, Lonnie Richards. Aircraft Fuel Systems [M]. John Wiley & Sons, Ltd, 2009.
［４］K. Parameswaran and B. V. K. Murthy, Altitude Profiles of Tropospheric Water Vapor at Low Latitudes [J]. Journal of Applied Meteorology,1990,08,01(29):665-679.
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