0 引言

民用飞机动力装置系统消耗燃油产生动力,起落架系统、飞控系统依靠液压系统作为动力源,这些系统中包含燃油、液压油等易燃液体。泄漏后的易燃液体在遇到点火源及空气时,便有可能着火,严重的可能产生火灾。因此,有效避免着火三要素的同时出现,是减小民用飞机着火风险的基本原则。

根据CCAR25部、FAA的AC 25.863草案及各区域易燃液体泄漏源和点火源的存在状态,民用飞机全机存在五类防火区域:指定火区、火区、易燃区、易燃液体泄漏区和非危险区^[1-3]。在存在易燃液体泄漏风险的指定火区、火区及易燃液体泄漏区,排液设计是有效减小着火风险的重要措施^[4]。

1 特殊场景排液设计与验证流程

排液设计旨在将泄漏出的易燃液体尽快地排出民用飞机机体,且需有效防止易燃液体再次进入机体。现有的排液设计分为主结构排液设计和定制化排液装置设计两种类型。民用飞机上绝大部分排液设计均采用主结构排液设计,即针对常规泄漏源与点火源布置情况进行的主结构适应性排液设计,包括在现有主结构的下表面开孔从而将易燃液体排出机外、在结构端肋上进行局部打通以加速易燃液体排放等^[5]。针对主结构排液设计无法解决的特殊场景,需要进行定制化排液装置设计,即为泄漏液体定制化设计排液措施以满足特殊场景排液要求,如安装排液挡片、排液罩、排液导流槽等排液装置^[6]。

针对特殊场景的排液设计与验证流程如图1所示。

1)特殊场景分析:分析特殊场景下排液设计需求,排液装置的设计需要满足的排液功能。

2)排液装置类型确定:典型的定制化排液装置包括排液挡片、排液罩、排液导流槽等,分别适用于不同排液功能,需在特殊场景分析清楚之后根据排液需求进行选择。

3)设计要求梳理:定制化排液装置设计要求包括常规排液设计要求和针对特殊场景的设计限制两部分,由于定制化排液装置往往是在既有设计方案上增加的设计,因此特殊场景的设计限制以对既有设计方案产生影响最小化为目标。

4)设计方案制定与确认:明确特殊场景排液设计要求后,即可制定排液装置设计方案。在方案制定过程中,需根据设计经验、仿真分析等设计手段对设计方案进行确认。

5)设计方案验证:定制化排液装置设计往往非常规设计,设计与验证经验欠缺,需要对设计方案进行实物排液试验验证。

2 高置泄漏源排液设计方法

2.1 特殊场景分析

由于易燃液体管路螺接接头属于泄漏源,泄漏出的易燃液体若接触潜在点火源(高温引气管、电子设备、EWIS线缆等)将存在着火的风险,因此根据全机防火设计要求,易燃液体管路螺接接头需尽量避免布置在潜在点火源正上方。但民用飞机总体布置方案的制定是一项多专业的综合性权衡工作^[7],考虑到系统布置要求、区域内部空间、管线路转弯半径、装配、维修性等多个要素,存在易燃液体管路螺接接头需布置在EWIS线缆正上方的需求,如图2所示。

针对高置泄漏源排液需求,调整管线路布置方案可能造成重量、成本甚至气动外形更改的代价,为泄漏源设计定制化排液装置是综合考虑之下最优的方法。此场景的排液需求为泄漏出的易燃液体不接触到EWIS线缆,即需实现定向排液功能。

2.2 排液装置类型确定

典型的定制化排液装置包括排液挡片、排液罩、排液导流槽等,其中排液挡片主要用于机身外部排液路径的局部阻挡,排液罩主要用于机身外部排液出口的整流,排液导流槽主要用于在非主结构处搭建一段排液路径。采用底边+四周翻边+固定出口设计的排液导流槽能够实现定向排液功能,改变泄漏液体的排液路径,以避免易燃液体与EWIS线缆接触。

2.3 设计要求梳理

排液导流槽设计要求包括常规排液设计要求和针对高置泄漏源场景的设计限制两部分,高置泄漏源场景的设计限制以对既有设计方案产生影响最小化为目的,设计要求如下:

1)常规排液设计要求。根据CCAR25及FAA AC 25.863草案的要求,排液导流槽需能保证3.8L/min泄漏速率连续泄漏15L液体的定向排液,任意单个积水部位液体积存量不超过44ml,且需在典型的飞行姿态下依然能够保证液体沿着预期的排液路径排出而不会接触EWIS线缆。

2)布置要求。排液导流槽需安装在液压接头和EWIS线缆之间,确保管线路主通道布置方案不发生变化,可允许管线路局部的走向发生略微的调整,如管线路转弯点局部移动、管线路局部位置微调等。

3)装配及维修性要求。排液导流槽的增加需确保不影响管线路的装配及航线的维修,重点需考虑液压管路接头装配时活动扳手的操作空间。

2.4 设计方案制定与确认

典型的排液导流槽如图3所示。为了满足常规排液设计要求,排液导流槽的翻边高度、出口尺寸、出口位置及倾斜角度的取值较为关键。根据工程经验,为了避免典型排液速率下排出的液体碰撞导流槽后溢出或溅出导流槽,导流槽的翻边高度需大于25mm,出口宽度需大于25mm。导流槽的设计目的是实现满足全机防火要求的定向排液功能,因此导流槽出口位置的设计需确保从出口流出的液体能够按照预期的排液路径流动而不造成额外安全影响。同时,导流槽的倾斜角度需确保飞机在地面停放状态下流经导流槽的液体在导流槽内不会形成积液。为了满足布置及安装需要,导流槽可设计成分体式,各零件之间通过紧固件连接后需用密封胶将接合面进行密封,防止接合面处渗漏液体。排液导流槽装配图如图4所示。

从图4可以看出,排液导流槽的安装空间非常狭小,真实环境下可能存在无法在管线路装配到位的情况下进行导流槽拆装的问题。因此,需对导流槽的安装进行设计确认。采用CATIA软件Mechanical Design(机械设计)模块中的Assembly Design(零部件装配设计)功能、Digital Mockup(数字样机)模块中的DMU Space Analysis(数字样机空间分析)和DMU Fitting Simulator(数字样机装配仿真)功能^[8],可以帮助实现对导流槽安装可行性的分析,如图5所示。经过数字样机空间分析和装配仿真,图3所示的排液导流槽在图4所示的安装环境中可以实现与液压管路接头的协同拆装,满足装配工艺及航线维修性要求。

3 高置泄漏源排液试验验证方法

由于易燃液体排放涉及到火灾风险,要求不该漏处滴水不漏,因此排液装置的设计要保证基于AC建议的泄漏量及泄漏速率的液体完全按照预期的排液路径流动,不会流动、渗漏、足量溅落到非预期的排液路径上,属于两相流非定常流体力学问题。基于现有的仿真分析手段,对于内外部排液路径的总体走向的仿真分析技术相对成熟,但对于两相流非定常流体力学问题的仿真分析研究还不够充分^[9]。因此,对于排液导流槽能否满足排液设计要求必须通过排液试验进行验证。

3D打印技术可快速而精确地加工出任意复杂形状的零件,较传统加工工艺减少了加工工序、缩短了加工周期^[10]。由于定制化排液装置对于设计要求能否满足的不确定性较强,为避免验证阶段的设计更改与制造带来的设计成本的提高,高置泄漏源排液导流槽需在设计阶段采用3D打印技术进行排液试验验证。

要求将排液导流槽的设计图纸按照1∶1的比例进行3D打印,针对分体式排液导流槽需通过金属胶带等与设计图纸中安装密封要求等效的方法进行装配与密封。需自制固定台架将排液导流槽进行固定,导流槽各方向的倾斜角度需确保与设计要求相符,在考虑飞机地面停放姿态的同时还需考虑民机典型飞行姿态,如图6所示。民机典型的俯仰角为低头15°、抬头30°,典型的滚转角为±20°。

排液试验验证阶段,需准备漏斗并放置在高置泄漏源位置,按照AC建议的泄漏量及泄漏速率将水注入漏斗,如图7所示。整个试验过程中需确保水只从设计的排液出口排出,而不会从其他位置排出,包括从翻边漫出及足量溅出。

4 结论

本文对民用飞机高置泄漏源排液设计与验证方法进行了研究,结论如下:

1)可采用排液导流槽作为高置泄漏源的排液装置,实现定向排液功能;

2)高置泄漏源的排液设计要求包括常规排液设计要求、布置要求、装配及维修性要求;

3)排液导流槽的翻边高度、出口尺寸、出口位置及倾斜角度的取值为实现定向排液功能的关键设计参数;

4)需在设计阶段通过三维数字样机确认排液导流槽的安装可行性,通过3D打印技术验证排液导流槽的排液能力。

参考文献