0 引言

随着我国社会经济的高速发展，民用飞机凭借经济、高效、快捷的特点逐渐成为目前最方便的空中运输工具，承担着大量物资以及旅客的运输^[1]。近年来，民用飞机运输吞吐量不断增长，飞机在飞行、起降、滑行过程中的安全防备至关重要。在民用飞机设计中，首先需要考虑的是飞行安全^[2]，其中空中火灾是影响飞行安全的关键要素^[3-4]。近代以来，火灾造成的飞机事故偶有发生。飞机起火受到飞行当天气象条件、飞机设计、飞行员机上操作等各种因素的协同影响。民用飞机一旦出现火灾事故，如未采取有效措施及时熄灭，火势将逐渐扩大甚至引起爆炸，可能会酿成惨重的坠机事故。美国联邦航空管理局基于研究成果在咨询通告AC120-80AW中做出指示：脱离控制的火灾将在20 min内毁灭一架飞机，弥漫烟雾的机舱极有可能在6~10 min内被大火吞没。由此可见，民用飞机防火问题的探讨与研究有着至关重要的现实意义。

民用飞机火警探测系统是在飞机发动机舱、APU舱、前后货舱等火灾发生的初期，对火源开展及时有效的监测、扑灭及指示遏制的系统^[5]。飞机火警探测系统中的灭火子系统包括前货舱灭火管路、发动机舱灭火管路、APU舱灭火管路以及后货舱灭火管路等^[6]。当探测器检测到飞机舱内着火时，灭火子系统将在极短时间内将Halon灭火剂喷溅至起火机舱内，进行火灾抑制^[7]。根据美国军队规范MIL-E-22285^[8]和FAA发布的咨询通告AC 20-100^[9]，飞机发动机舱灭火系统在Halon灭火剂喷发后，受保护区域内Halon 1301的体积浓度应达到6%，并起码保持500 ms^[10-12]。

1 测量原理

由泊肃叶定律^[13]可知，当黏性流体不可压缩，且在水平圆管内的流动状态为层流时，其体积流量与圆管两端的压差、圆管半径和长度、流体的黏性系数存在一定关系。另外，考虑到实际状态与理论的偏差，压降结构两端的压差可表达为：

式中:Q_V是体积流量；C_μ是黏度修正系数；μ是气体黏度系数；L是压降结构内的圆管长度；n是压降结构内的圆管数量；d_LFE是压降结构内的圆管直径。

以下为对限流构件处的气体流动状态的分析：在气体流过限流构件时，将因急剧收缩以及急剧扩张影响发生阻塞情况，即当气体流经限流构件，且限流构件后方压力足够小时，途经限流构件的质量流量不会再随着后方压强变化而变化。考虑到理论公式的校订修正，质量流量可表达为：

其中，

式中:Q_m是质量流量；A_CFE是限流结构的喉口面积；C_d是流量修正系数；z是压缩因子；P₀是限流结构前端的滞止压强；ρ₀是气体的滞止密度；T₀是气体的滞止温度；R_c是气体常数；M是相对分子质量；k是比热比。根据方程式（2）至（6），流经压降构件的气体体积流量Q_V理论方程表达如下：

将式（7）代入式（1），可换算得到基于压差原理的灭火剂浓度测量技术的数学方程：

从上述公式不难看出，C_μ与C_d可兼并为压差修正系数，它与测量设备的几何尺寸以及气体固有性质相关，$\frac{32d_{\mathrm{C}\mathrm{F}\mathrm{E}}^{2}L\sqrt{R_c}}{n{d}_{\mathrm{L}\mathrm{F}\mathrm{E}}^4}$则只与测量设备的几何尺寸相关，$\sqrt{T_0}$只与温度相关，$\mu \sqrt{\frac{1}{M}k{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{k+1}{k-1}}}$只与气体性质存在关联，即当几何尺寸保持不变时，压差可以表示为温度和浓度的函数。

基于以上数学推导，压差式灭火剂浓度测试系统的基础工作原理为：气体取样真空泵通过机上预先敷设的采样紫铜管或聚四氟乙烯管将飞机发动机舱、APU舱、前后货舱等内部的被测气体抽出来，利用温度控制与加热设备将流经限流装置的气体温度与预设值趋于无限接近，接着通过限流装置使气体流量趋稳，并保持恒流。最后，将气体经过层流装置时产生的压降以电压信号形式输出，经过数据处理、分析与计算，得到灭火剂浓度实测值。

2 系统组成

灭火剂浓度测量系统主要由传感测量分系统、数据采集分系统、数据记录分系统、数据处理分系统、采样管、排气管、地面标定分系统等组成。灭火剂浓度测试系统原理框图如图1所示。

2.1 传感测量分系统

传感测量分系统由灭火剂浓度分析单元、真空泵、吹扫管路、温控设备等组成，可提供十二路灭火剂浓度测量通道。通过真空泵将待测混合气体抽入，加热后产生压差，由测压管将压差信号引入数据采集设备进行测量。该系统用于完成飞机发动机舱、APU舱、前货舱、后货舱的灭火剂浓度测量时，精度极高，可达到0.25%，这是由传感测量分系统和数据采集分系统的压差测量部分共同实现的。灭火剂浓度分析单元设计了清洁功能，可对测量设备外部管路进行清扫，在测量设备每个通道外各设计1个手动三通阀，当需要进行外部管路清扫时，可将阀门调整至清扫气路档位，同时灭火剂测量通道自动关闭，以防止清扫气体进入测量设备内部对压力芯片造成损伤。此外，清扫气路可外接氮气进行吹扫清洁，也可外接真空泵进行真空清洁，上述两种清洁方式可通过手动三通阀进行切换。吹扫气路示意图见图2。

温控设备用于完成灭火剂浓度分析单元的加热和温度控制，由温控机箱、智能温控器、继电器、温度传感器、直流电源模块等部分组成。温控设备可提供4路独立温控通道，每个温控通道单独控制1个浓度分析单元，即3个测量通道的温度。温控回路原理如图3所示。

2.2 数据采集分系统

数据采集分系统主要用于完成压差、环境温度、环境压力等信号的采集，接收授时信号，并进行数据计算，可将原始采集数据及计算数据通过网络传输协议上传至数据记录设备。数据采集设备采用PTP（precision time protocol）同步协议实现时间同步。PTP时间同步功能通过网络接收飞机上发来的PTP授时信号实现，数据采集设备通过综合处理时间信息和秒脉冲，从而实现高精度的授时，并为所有返回的测量数据打上PTP授时时间戳。数据采集分系统主要包括微控制器、总线控制器、管路与阀门、压力传感器阵列、网络接口、温度传感器阵列、软件系统、电源子系统、结构子系统等，数据采集分系统结构见图4。

2.3 数据记录分系统

数据记录分系统主要用于完成各种灭火剂浓度数据的记录，实时显示记录结果、存储测试数据。

2.4 数据处理分系统

数据处理分系统主要用于完成灭火剂浓度数据的处理、计算及分析。

2.5 采样管

灭火剂采样管有2种，一种是紫铜管，一种是聚四氟乙烯管。其中，紫铜管内径4.8 mm，可耐受宽温，主要用于测量发动机舱和APU舱的灭火剂浓度。聚四氟乙烯管内径与紫铜管一致，具有耐酸碱腐蚀、耐高低温等特性，主要用于测量前货舱和后货舱的灭火剂浓度。紫铜管和聚四氟乙烯管均满足采样管工作温度要求，最低可达-55℃，最高可达250℃。紫铜管和聚四氟乙烯管均不会改变灭火剂成分，且可弯曲，便于敷设、盘绕及定位。

2.6 排气管

排气管采用内径8 mm的聚四氟乙烯管，最高耐温280℃，可耐受加热后的灭火剂混合气体温度，不会改变灭火剂成分。设计时需对排气管包覆阻燃隔热材料，确保安全使用。其主要用于将废气排放至货舱，从而避免危险气体进入驾驶舱和客舱。

2.7 地面标定分系统

地面标定分系统主要用于为测量系统提供标准浓度的Halon 1301标准气，从而完成基于压差法的灭火剂浓度测量系统的地面标定试验及测试。地面标定分系统包含标准体积浓度分别为3%、6%、10%、20%等的标准气体、减压器、微调手阀、稳压罐、环形气排、高精度压力传感器等。灭火剂浓度测量地面标定分系统如图5所示。

3 关键技术及解决途径

灭火剂浓度测量系统设计中的关键技术主要涉及结构一体化设计技术、快速加热与温控技术、微压差测量技术、多通道同步性测量技术、面向装机条件的集成技术、精确流量控制技术等。

3.1 结构一体化设计技术

灭火剂浓度测量系统结构主要包括灭火剂浓度测量系统的结构尺寸参数、模块安装方式、各种机械及电气接口、前后面板等设计要素。良好的结构设计不仅能够提高设备的可靠性和可维护性，还能提升操作的便捷性，同时有效降低成本。本文充分参考了国外同类型灭火剂浓度测量系统的设计方法及国内试验人员的操作习惯，进行了系统的结构设计并优化。例如，灭火剂浓度分析仪采用插箱式结构，可内插多个标准化测量模块，其模块具体安装方式为快插式；数据采集设备等被安装在灭火剂浓度分析仪内，整体采用高度集成化设计，最后通过网口连接至外置监控终端。此外，灭火剂浓度分析仪自带换向阀，可实现吹扫功能，从而防止出现堵塞情况，影响测量结果。

3.2 快速加热与温控技术

根据技术资料及仿真计算，混合气体进入分析仪模块后需快速加热至合适温度，以产生稳定且合适大小的压差，从而保证测量精度和响应时间。通过参考国外同类型灭火剂浓度测量系统及国内相关仪器设备的设计思路，将气体按照以下方式快速加热，即在每个测量通道内设置一个加热单元，3个测量通道共用一套加热装置。在系统工作时，加热装置将加热单元加热并稳定至指定温度，此时，待测气体一旦经过加热单元，则会被迅速加热。加热单元和加热模块采用模块化结构设计。本文通过理论计算与试验验证相结合的方法确定了加热单元的尺寸和加热装置的功率，并在此基础上，进行了保温设计，以确保加热单元能够保持在指定的温度。最终，通过人工智能温控器，合理设计的加热及保温结构，高精度温度传感器以及高可靠性继电器，实现了精确温度控制，可将被加热气体温度精确控制在一个合理范围，如120±1℃。

3.3 微压差测量技术

微压差测量技术决定了灭火剂浓度测试系统的测量精度。本文通过设计合理大小的微压差数量级，可获得较高的灭火剂浓度测量分辨率及测量精度。通过在成熟智能压力测量仪的基础上进行改进，并结合灭火剂浓度测量系统专用数据采集、记录设备，实现了微压差测量。智能压力测量仪具有稳定可靠、体积小、抗干扰能力强、坚固耐用、测量精度高等特点，微压差测量数据可通过网络传输至数据记录设备进行实时记录。

3.4 多通道同步性测量技术

灭火剂浓度测量系统包括12个测量通道。各测量通道抽气速率的一致性，即其同步性，主要由采样管路及测量通道的一致性决定。系统中包含12根采样管，尽管每根采样管的长度相同，但由于不同测量通道管路的空间布局差异及弯曲程度不同，导致每根管路的流动损失不一致，进而影响了气体流速，造成了各测量通道抽气速率的不一致。在系统设计时，通过选择合适内径的采样管，可确保各采样管路流动损失在系统总损失中所占比重降至最低。这样，每根管路的采样流量差异被控制在最小范围内，从而确保了各测量通道的同步性满足系统的允许指标。此外，传感设备各测量通道的加工精度对于同步性也有着决定性的影响。通过提高加工精度并结合严格的筛选过程，可确保各测量通道的同步性。

3.5 面向装机条件的集成技术

灭火剂浓度测量系统必须满足飞机机载使用条件，以确保飞机在飞行过程中，能够承受振动、电磁环境、大气环境、机载电源、温度等苛刻的环境条件。为此，需要对系统的结构尺寸参数、模块安装方式以及各种机械接口与电气接口的设计进行精心规划和合理布局。良好的结构设计不仅能够增强设备的可维护性和可操作性，还能提升其稳定性，并降低成本。系统设计时，可依据飞机上的实际安装条件进行合理的系统集成设计，预留机械安装接口以及电气安装接口等，以方便灭火剂浓度测量系统的安装和使用。

3.6 精确流量控制技术

灭火剂浓度测量系统包括12路测量通道，仅使用1台真空泵进行抽气，必须保证12路测量通道的一致性和稳定性，并互不影响、互不干涉。为了确保该12路测量通道能够稳定且同步地工作，并且提升系统的整体测量精度和响应速度，对流量的精确控制是至关重要的。流量调节装置的设计借鉴了火箭发动机多组元燃料喷注器设计方法和自适应流量控制技术，在保证加工精度的前提下，各通道流量与压差仅与环境压力、温度以及混合气体浓度相关。换句话说，在相同环境参数与混合气体浓度的前提下，理论上各通道流量与压差完全相同。

3.7 其他

理论上，被测气体的压力和温度变化会对灭火剂浓度测量系统的测量精度产生一定影响，本文通过仿真计算、合理设计灭火剂浓度测量系统结构以及标定、试验验证等技术手段，尽可能降低其影响，以确保最终的系统测量精度。

4 试验验证

4.1 校准试验

分别在气体压力为75 kPa和101 kPa的情况下开展校准试验，校准设备清单见表1。在每种气体压力下，对灭火剂浓度测量系统的测量通道分别通入不同标准体积浓度的灭火剂，读取各通道测量输出值，并计算出3次实测平均值。通过对比实测平均值与标准气体浓度值，得到12个通道的测量误差。表2至表5是气体压力为75 kPa，标准灭火剂体积浓度分别为3%、6%、10%、20%时的实测数据及测量误差。从实测数据不难看出，误差值均不大于0.25%。

表6至表9是气体压力为101 kPa，标准灭火剂体积浓度分别为3%、6%、10%、20%时的实测数据及测量误差。从实测数据不难看出，误差值均不大于0.25%。

表8（续）

4.2 同步性试验

灭火剂浓度测量系统所有通道的同步性是通道流量一致性的体现。管路弯曲状态的不同以及管路长度的不同，会造成不同的管路压力损失，进而导致通道的流量差异。

试验时，对灭火剂浓度测量系统各通道同时通入标准体积浓度为10%的灭火剂，测量12个通道灭火剂体积浓度达到6%时的最大时间差。若测得灭火剂浓度测量系统所有测量通道的最大时间差均不大100 ms，则系统同步性试验满足要求。

根据采样管长度及弯曲状态，同步性试验状态分为3种构型，分别为10 m直紫铜管、2 m直紫铜管、10 m弯紫铜管。其中，每种构型开展3次试验。图6是10 m直紫铜管3次同步性试验各通道的测量曲线；图7是2 m直紫铜管3次同步性试验各通道的测量曲线；图8是10 m弯紫铜管3次同步性试验各通道的测量曲线。

试验时，记录各通道灭火剂体积浓度达到6%时的最大时间差，通过对比，进而判断管路弯曲状态、管路长度等影响因素对系统同步性的影响。同步性试验最大时间差测量结果如表10所示。

从表10中可知，在不同试验构型下开展试验，灭火剂浓度测量系统所有通道同步性试验的最大时间差均不大于100 ms，且管路长度、管路弯曲状态对本文所述系统的同步性影响不大。

5 结论

本文在对压差法灭火剂浓度测量技术研究的前提下，推导了压差法灭火剂浓度测量的数学公式，阐述了灭火剂浓度测量系统的设计过程。主要形成以下结论：

1）设计了一套压差法灭火剂浓度测量系统，为后续研制批飞机试验试飞奠定了一定基础。

2）阐述了灭火剂浓度设计的关键技术和解决途径，为国内其他灭火剂测量系统设计提供了重要参考。

3）在试验室开展了灭火剂浓度测量系统校准试验，得到标准灭火剂体积浓度分别为3%、6%、10%、20%时的实测数据。通过计算，校准试验误差值均不大于0.25%。

4）在试验室开展了灭火剂浓度测量系统同步性试验，通过设置不同长度及弯曲状态的采样管，得出了不同试验构型时，灭火剂浓度测量系统同步性试验最大时间差。试验结果表明：灭火剂浓度测量系统所有通道同步性试验的最大时间差均不大于100 ms，且管路长度、管路弯曲状态对本文所述系统的同步性影响不大。

参考文献