关于闪电试验标准中可燃气体混合物的研究

2023-05-12

摘要:飞机燃油箱遭受雷击时,可能产生引燃源发生燃油蒸汽的燃爆,对飞机飞行安全构成威胁。为了评估燃油系统雷电防护设计的合理性,采用可燃气体法引燃源检测是常用的试验手段,以检测燃油箱遭受雷击时燃油箱内部可能产生的点火源。可燃气体对于燃油系统油箱及部件的雷击试验显得尤为重要,试验标准对可燃气体的选择进行了推荐和介绍,目前氢/氧/氩混合可燃气体是最常用的,但由于含氢混合可燃气体存在一些局限性,对试验实施产生了一些不便。因此随着试验技术的不断研究和发展,新的引燃源检测的可燃气体如乙烯-空气混合可燃气体,将被研究并推荐出来使用。

关键字:可燃气体法、雷击试验、氢/氧/氩混合可燃气体、乙烯-空气混合可燃气体

前言

       由于航空燃油具有挥发性,以及燃油箱的晃动、震动、喷溅等会在液态燃油区上方存在着燃油蒸汽。燃油蒸汽和油箱上方的空气混合形成燃油蒸汽/空气混和物,在一定的浓度下,燃油蒸汽/空气混和物在点火源的作用下发生点燃爆炸。燃油系统油箱及部件的雷击试验,适用于雷击区域的油箱结构及部件,以验证因雷电附着或雷电传导而产生的直接效应及潜在的燃油蒸气引燃源。燃油系统油箱及部件的雷击试验,是在对燃油系统油箱及部件施加最高峰值 200kA、最大电荷传递量 200C 的同时,结合可燃气体法引燃源检测方法,来检测油箱内部是否出现大于等于 200μJ 的点火源。可燃气体法引燃源检测需要有严格的配比气体和标准电火花源,对潜在的点火源能量比对精确,对潜在点火源的覆盖范围更广,因此被工程广泛认可。

试验标准对可燃气体法的介绍

       实验室在进行燃油系统油箱及部件的雷击试验时,可参考以下几个标准执行。GJB3567-99《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》由于标准发行时间较早,只是简单说可用丙烷和空气混合气或者燃油空气混合气,没有具体的操作指导,可操作性不强。而 HB6167.25-2014《民用飞机机载设备环境条件和试验方法》、RTCA/DO-160G《机载设备的环境条件和试验程序》以及 SAE ARP5416A《飞机雷电试验方法》,均明确了选用氢/氧/氩的混合气体,同时限定了氢/氧/氩的浓度和可调范围,对于点火源的设计也有明确的原理图解,试验实施过程也有典型的示例指导,因此氢/氧/氩混合可燃气体法引燃源检测,具有更可观的可操作性和更好的置信度。

可燃气体的应用情况

       燃油箱闪电试验及可燃气体法引燃源检测的实施过程,简单概括起来如下:在燃油箱内部充入可燃气体,在油箱外部施加闪电电流,闪电电流如果造成燃油箱内部打火等现象,引发可燃气体燃爆,则证明该雷电防护设计不合理。可燃气体法推荐使用氢/氧/氩混合可燃气体(5%-7%的氢气),此种混合气体有几个局限性:混合气体的击穿特性、氢气的爆炸特性以及电火花源对环境的敏感性。

       相比于空气,氩气环境中的击穿电压更低,其主要机理是:氩气为惰性气体,平均自由行程短,无电子附着,不能有效减缓自由电子。研究发现,氩气被认为是在具有高杂散电容的火花系统中,在 1.5-2.0 mm 的间隙内实现 200µJ 能量的电压电弧所需的击穿电压较低的一种气体。电火花源 200µJ 的能量指的是在混合气体环境中产生的电压火花能量,混合气体含有氢气,如果直接在混合气体中调试电压火花能量,势必有燃爆的危险,导致调试工作很难开展。所以,电火花源能量的调试往往只能在空气中进行,然后在根据空气中调试的情况,再根据燃爆当量的情况适当调整,对混合气体进行调试。在空气中,电火花源的电极间隙在2mm 时,击穿电压大概在 7.95kV±5%,在这个电压下,大约 6pF 的电容需,可以产生 200µJ+0/-10%能量的火花。以此推断,在混合气体中电火花源电极间隙的击穿电压会小很多。实际情况下,在氢/氧/氩的混合气体中,2mm 的间隙电火花电压约为 4kV,此时再根据击穿电压调整电容值,获得 200µJ +0/-10%的能量。值得注意的是,影响电火花源电极间隙能否击穿放电的因素,除了所处在的气体环境、电极间的电压电势外,还有电极的表面清洁度,因此试验中需要清洁和抛光电极头,保证电极有好的清洁度。

       氢气是一种易燃爆的气体,所以试验中会存在燃爆的风险。燃爆造成的压力上升与燃烧室的几何形状和容积有关,试验表明,在 20L 的容器中,5%、6%、7%的氢气混合气体燃烧后,峰值压力分别为 1.7 倍大气压、2.2 倍大气压、3.8 倍大气压。因此,试验时需要对可能产生的点火源造成的爆炸压力进行泄放,防止压力激增以及多次试验累积造成结构损坏。

       燃油箱试验件进行试验时,需要拆除维修口盖等口盖来充当泄压口或者在燃油箱蒙皮上开设泄压口。油箱开设泄压口会带来一些问题,如影响雷电流分布。由于雷电流会在试验件整个表面迅速扩散并传导,无论是拆除维修口盖作为泄压口还是在油箱蒙皮上开设泄压口,都会对燃油箱表面的电流分布产生一定的影响,造成电流分布失真。泄压口开设的越大,对可能剧增的气体排放效果越好,但同时也会对试验结果的影响会越大。

       此外,200μJ 的电压火花能量对潮湿的混合可燃气体并不敏感,湿度过高往往导致混合气体不能被 200μJ 的电压火花点燃。标准 ARP 5416A 建议,试验中应选择干燥的混合气体。湿度过高时,应采取措施如加热、换气等,提高试验腔体或燃油箱内部的干燥度,提高 200μJ电压火花点燃混合气体的成功率,提升氢/氧/氩可燃气体法引燃源检测的置信度。如此,氢/氧/氩混合可燃气体法也存在诸多不便。

新的混合气体

       氢/氧/氩混合可燃气体法应用十分广泛,但需要注意的是,标准 ARP 5416A 第 7.7.2.1 节只是推荐使用氢/氧/氩混合可燃气体,没有指定必须使用,同时也没有明确说明允许使用其他混合气体或者哪种气体混合物适用。又比如以前的标准,推荐的混合气体是丙烷-空气混合物,当量比从 1.05 到 1.15 到 1.2 不等,同样没有将气体唯一限定。随着燃油系统部件的雷电试验研究不断加深,替换氢/氧/氩气体混合可燃气体的研究也越来越多,国外学者提出使用另一种能满足 200μJ 最小点火能量目标的燃料-空气混合物,即乙烯-空气。乙烯很容易得到,而且比氢和乙炔的危害小。相比于其他碳氢化合物,尤其是当需要 200μJ 能量的点火阈值时,乙烯的燃烧焓非常适合。

       之所以选择 200 μJ 作为阈值,是因为以往的研究数据表明,燃料中典型烷烃与空气混合时,其最小点火能仅略高于 200μJ。有数据研究表明,甲烷-空气、丙烷-空气、己烷-空气这几类烷烃混合物的最小着火能量均在 200μJ 以上,而乙烯对 200μJ 电压电弧敏感, 乙烯-空气混合气体可以在 200μJ 电压电弧下点火, 乙烯-空气的点火特性更接近于典型喷气燃料替代品的点火特性 。乙烯-空气混合气体的最小点火能随混合气体浓度的变异性要小于氢/氧/氩混合气体,容易 满足 ARP 5416 的 10 次点燃 9 次的要求。

结论

        随着标准 ARP 5416A 的公开修订,新的可燃混合气体可能会反映在下一个版本中。除去氢氧/氩/气混合气体,乙烯-空气是合理的替代混合气体,值得被推荐,用以评估潜在的点火源灵敏度为 200μJ 能量的火花,仍然是燃油箱雷击试验的关键。其他混合气体可能也合适,但都应基于预期的点火源形式,适用于可燃气体法引燃源检测的方法。新混合气体的性能,应通过由 SAE 闪电委员会成员进行轮询,以及实验室进行多次验证测试来确定。

       作者:谢健