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浅析A320飞机油箱空气惰化系统及维护Brief Analysis of A320 Fuel Tank Inerting System and Maintenance 张振玉/成都航空有限公司摘要：通过研究FAA对于燃油箱抑爆适航条款的要求以及推荐的油箱抑爆惰化系统，重点分析并阐述油箱惰化系统的构架和原理,并对惰化系统各子系统的功能和维护方式进行简要论述。关键词：油箱惰化系统；空气分离组件；富氮气体；排故Keywords：fuel tank Inerting system；air separation module；nitrogen enriched air；troubleshooting0 引言近 20 年来，全球范围内接连发生由于油箱燃油蒸气过高造成的油箱爆燃 事 故。 为 此 FAA 通 过 25-981 条 款 及 SFAR 88，明确提出了针对该领域的适 航 要 求 及 系 统 安 装 标 准。 同 时，FAA、 EASA 分别拟定于 2014 年 12 月和 2019 年 9 月后，在其管辖范围内的 50% 运行 的飞机上安装油箱惰化系统（FTIS）。油 箱 惰 化 系 统 就 是 利 用 空 气 分 离 组件控制油箱上部气相空间内的体积氧 浓度，在飞机飞行的全过程中，使该氧 浓度始终低于燃油燃烧所需的氧浓度下 限，从而达到防爆抑爆的目的。水量、清洁度等指标满足机载空气分离设备的入口压力及温度条件要求。同时 CSAS 控制器监控 CSAS 隔离活门、步 进马达、温度及压力传感器的状态参数， 保证 CSAS 系统处于可靠稳定状态。IGGS 组成如图 2 所示，当满足条 件 的 气 体 通 过 IGGS 的 单 向 活 门， 经 D-ULPA 气 滤、T2 温 度 传 感 器、P2 压 力传感器后，将除去粉尘及悬浮颗粒后 适 宜 温 度（54 ） 和 压 力（15 psi） 的 清洁空气送入 IGGS 的核心部件空气分 离组件（ASM）。该组件为圆筒结构，其内由上千根 直径很小的聚苯醚中空纤维透膜管组成， 经过净化、压力调节和温度调节的空气 流过纤维透膜管路，利用氧气和氮气在 膜中的溶解度和扩散度系数的差别，在 纤维透膜管两侧压力差的作用下，使氧 气和氮气在纤维透膜中的渗透率产生差 异，由于氮气的渗透率相对于氧气较高， 故其优先于氧气透过渗透膜并在膜外聚 集，从而达到氧气和氮气分离的目的。分离出的富氧气体排出机外而富氮 气体在 O1 氧气传感器、P3 压力传感器 的监控下，以适宜的气流 / 含氮条件通 过“下降过程高流量 / 进近过程中流量/ 爬升过程低流量”双通流量关断活门（DFSOV）以及弹簧加载的单向蝶形活门（DFCV）而进入油箱，其氧气含量 已降于 12%，从而使油箱惰化。ASM 组 件 体 积 小、 重 量 轻、 表 面 积大、纤维填充密度高，故其气体耗散 少，分离效率高，并且中空纤维透膜对 水蒸气不敏感，只要气流的相对湿度低 于 90%，就可避免水蒸气在膜表面冷凝， 保证了水蒸气的渗透不会影响到富氮气 体的流量。该组件为静态安装，分离过 程中无运动部件，寿命长、可靠性高（厂 家建议的更换时限为 27000FH）。介于这 些优点，目前机载空气分离设备都采用 此技术以达到最优的氮氧分离效果。1 油箱惰化系统的组成及原理A320 系 列 飞 机 油 箱 空 气 惰 化 系统 如 图 1 所 示， 通 过 伺 服 环 控 子 系 统（CSAS）和惰性气体发生系统（IGGS） 两 个 主 要 的 子 系 统 来 降 低 助 燃 气 体 含 量，使油箱处于惰性状态，保证飞机始 终处于持续适航的安全状态。该系统中的 CSAS 从飞机环控系统 引气，经过 CSAS 隔离活门、臭氧转炉、 环控气体热交换器、热气旁通活门、T1 温度传感器、P1 压力传感器的连续作用 后，保证气体的流量、压力、温度、含2 FTIS 的流量操作模式及 IGGS的健康管理2.1 FTIS 的氮气流量操作模式ASM 组件不仅要向油箱提供低氧 浓 度 的 富 氮 气 体（NEA） 气 体， 还 需 要在下降时提供足量的增压空气，以保 证油箱内外的压力平衡。为了解决飞机 在爬升和下降阶段不同的引气量及浓度 需 求 的 问 题，A320 飞 机 惰 化 系 统 通 过 DFSOV 活门调节双通流量控制模式。在 引 气 量、 飞 行 高 度、 膜 工 作 温 度、 进 气 压 力 都 不 变 的 情 况 下， 通 过航空维修与工程74AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING2013/4飞机机体飞机机体CSAS伺服环控系统IGGS惰性气体发生系统44惰性气体控制器环控系统控制器47单向活门17油箱18空气进口气滤03臭氧转炉 r77642.14610氮气进口12P1P2P3空气分离组件5热空气48 TCM*91排放排放 1环控隔离活门44热旁通活门8单向活门IGGS 支架14.1双通流量关断活门2.1热交换器空气出口氧气出口图 1 A320 飞机油箱惰性系统示意图DFSOV 的气流量大，则 NEA 中的氧浓度大 ；反之，通过 DFSOV 的气流量小， 则 NEA 中的氧浓度少。在飞机下降阶段， 需增大 NEA 流量以保持油箱内外的压 力平衡，此时 NEA 中的氧浓度可略微 偏高。这种双通流量和浓度控制能保证 民用飞机在飞行全过程中，飞机燃油箱 内的氧气浓度始终处于安全条件下。高 中低三种模式下的控制方法如下。1）低流量模式DFSOV 中 的 低 流 量 通 路 打 开 ； DFSOV 中的中流量通路关 ；FTIS 保持最 低氮气流量并消耗最少的引气量 ；保持 最高纯度的氮气 ；爬升阶段或巡航阶段， 使油面上部空间内的氧气浓度逐步降至 最小（使氮气含量最大、氧气含量最小）。2）高流量模式DFSOV 中 的 低 流 量 通 路 打 开 ；DFSOV 中的中流量通路打开 ；FTIS 保持最大氮气流量 ；当下降或准备进近时，DFSOV 中的中流量通路开始工作并保持油面上部空间内的氧气浓度最小。3）中流量模式图 2 IGGS 组成示意图航空维修与工程75AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING电磁线圈位置指示步进马达控制温度指示压力指示电磁线圈位置指示温度指示压力指示氧气压力指示压力指示电磁线圈位置指示2013/4安装接耳 双通流量关断活门温度传感器 压力传感器单向活门氧气传感器 空气进口空气分离组件氮气出口 气滤铭牌组件安装架氧气出口维 修MAINTENANCE修正、T2、P3、氧气含量 1% 12% 等）；e.15s 内核实完样本数据。 当连续 8 次健康监控失效后，则 说明系统故障。 如果连续操作测试不通过，连续 飞行 3 个起落后，建议更换 ASM。DFSOV 中 的 低 流 量 通 路 关 闭 ；DFSOV 中的中流量通路打开 ；当建立 最终进近垂直速度及高度后，维持引气 量低于最大设定值 ；当最终进近时，提 供较高的富氮流量并使其内的氧气含量 降至 12% 以下。2.2 IGGS 的健康管理FTIS 自 动 运 行 和 控 制， 机 组 无 法 对其进行人工干预。但可对其空气分离 过程中的压力、温度和氧气状态进行实 时监控和管理，具体过程如下。1） 压力监控（P2）过压关断 并锁定 FTIS 当计算所得的空速小于等于 80n mile/h，并且 IGGS 的 Gate valve 活门关 闭时 ：a. 计 算 压 力 补 偿 值（P2 压 力 探 头 探测并校正平均静压）补偿值 1.4 psi 时，失效锁定 ；0.9 psi 补 偿 值 1.4 psi, 压 力补偿 0.9 psi。b. 修正平均静压（健康监控） 平均静压 =P2+ 压力补偿值 当 IGGS 的 Gate valve 活 门 打 开 时，比较修正静压 ：修正静压 60psi(15s 内 )，失效锁定； 修正静压 10.5psi(45s 内 )，失效锁定。2) 温度监控（P2）超温关断并 锁定 FTIS当 T2B 90 ， 模 拟 关 断 FTIS ； 当 T2A 90 并 且 DFSOV 关 闭 ；当 T2A 85并且 DFSOV 打开 ；当 75 T2A 85 , 并持续 2min 以上。3）氧气监控（O1） 当 系 统 稳 定 状 态 自 检 失 效 及 P2压力偏差补偿失效，则 O1 监控测试失效。 若要 O1 监控稳定，则需在巡航 条件下的 9min45s 内达到如下条件 ：a.3min 内高度变化在 300ft ； b.1min 内完成氧气 BITE 测试 ； c.5min 内完成氧气传感器预热 ； d.30s 内 采 集 30 个 参 数 样 本（P2成故障 / 维护信息的出现。3.2 维护建议及处理措施1）参考 TSMTASK 21-58-00-810-802-A 进 行 引 气 测 试， 并 视 情 按 MEL进行 10+10 天的故障保留。2） 视 情 更 换 序 号 (S/N) 大 于 300 的 CIV。新生产的 CIV 解决了内部因封 严造成的内漏问题，从而解决了压差比 较监控失效的问题。3） 建 议 在 关 闭 第 一 台 发 动 机 时， 打开 APU 引气，在一定程度上确保压力 调节活门接到关闭指令，避免 CIV 失效。4） 建议将 CCU 从 P/N ：3959A0000K05 升 级 到 3959A0000K06，ICU 从367-359 -004 升 级 到 367-359-005， 将 FWC 软件升级为 H2F6，这些措施在 一定程度上可有效解决由于版本原因造 成的参数监控反馈不一致的问题。3 FTIS 系统故障简析3.1 故障类型及原因在 日 常 运 行 过 程 中， 有 时 会 遇 到 “CSAS ISOL VALVE (111HW)” 故 障 信 息以及“FUEL INERT”状态维护信息， “ CSAS ISOLVALVE (111HW) ”故障信 息会锁定 FTIS。造成该故障的主要原因是 CCU(CSAS Control Unit)、CIV(CSAS ISOLATION VALVE) 和 FWC。CCU 和 ICU 根 据 监 控 反 馈 数 据， 向 CIV、GV 活 门 以 及 DFSOV 活 门 发 出操控指令。出现上述两个信息的原因 包括 ：1） CIV 压差监控失效CCU 比 较 CIV 上、 下 游 管 路 内 的 压差变化，当压差变化为 0 时，则关闭 CIV。如果 CIV 监控反馈功能失效，就 无法监控到打开的 CIV 压差变化，从而 导致 CCU 向 CIV 发送关闭指令。2） CIV 位置监控反馈信息不一致CIV 有两个位置反馈传感器 ( 全关 位 和 非 全 关 位 )。CCU 监 控 CIV 的 位 置 反 馈 信 息， 当 CIV 的 进 口 压 力 小 于7psi( 标准为 15psi) 时，CIV 关闭，CCU 应 只 接 收 全 关 位 传 感 器 发 送 的 状 态 信 息。 如 果 非 全 关 位 传 感 器 的 状 态 参 数 也被 CCU 错误采集并处理，就会造成 CCU 接收的反馈信息不一致。3） CCU、FWC 及 ICU 的 软 件 版 本低目前未升级飞机装机 CCU 件号为3959A0000 K05，FWC 软 件 为 H2F5， ICU 件号为 367-359-004，三者由于软 件处理能力的限制，会造成数据处理的 偏差和滞后，使处理信息有误，从而造参考文献1 刘 小 芳， 刘 卫 华 . 飞 机 供 氧 和 燃油箱惰化技术概况 J. 北华航天工业 学院学报 , 2008（3）：4-7.2 王 小 平， 肖 再 华 . 飞 机 燃 油 箱 氮气惰化的机理分析和应用 J. 航空科 学技术 , 2008（6）：24-26.3 江平，李晓光，高永庭 . 燃油箱 中空充填网状聚氨酯泡沫抑爆原理 J. 沈 阳航空工业学院学报，2003(4) ：13-15.4 杨永强 .