熊秀，骆立峰，范晓宇，谢健

西安爱邦雷电与电磁环境实验室，西安，710077

摘要：飞机遭受雷击时，在燃油系统燃油蒸汽区域内可能产生引燃源，对飞机飞行安全构成威胁。为了评估及验证燃油系统的雷电防护设计，进行雷电试验时需进行引燃源检测。研究了适用于飞机燃油系统雷电试验的引燃源检测方法，包括可燃气体法及拍照法，对两种方法的关键技术环节进行了分析及试验验证，确定了两种方法各自的优缺点，为此类试验的开展扫清了技术障碍。

关键字：飞机燃油系统；引燃源检测；雷电防护设计；雷电试验；拍照法；可燃气体法

中图分类号: V221     文献标识码: A

 Research on Ignition Source Detection Methods of Aircraft Fuel System Lightning Tests

Xiong Xiu, Luo Lifeng, Fan Xiaoyu, Xie Jian

Xi’an Airborne Lightning and EME Laboratory, Xi’an, 710077

Abstract:While aircraft is struck by lightning, there may be ignition source in fuel vapor region of aircraft fuel system, which threatens flight safety. Ignition source detection during lightning tests is necessary to evaluate and verify the protection design of fuel system.Ignition source detection methods,including photographic method and flammable gas method, which are applicable to aircraft lightning tests are discussed in this paper. The key points of two methods are analyzed and then verified by test.     

Keyword: Aircraft fuel system, Ignition detection, Lightning protection design, Lightning test, Photographic method, Flammable gas method

1  前言

雷电对飞机的燃油系统有潜在的危害。仅仅传导1 A电流的电弧或火花就足以引燃燃油蒸气，而雷电可能向一架飞机注人数千安培的电流。有几十架民用和军用飞机的事故就是由于雷电引燃造成的，而且曾有小燃料箱内发生过起火和爆炸[1]。

飞机遭受雷击时，燃油蒸汽区域内可能产生的引燃源包括以下类型：1）电压火花，两个分离导体间的电压击穿；2）电晕，油箱内部局部点因强电场产生的辉光放电；3）热斑点，结构局部表面因雷电流传递而变热至可能引燃燃油蒸汽的温度；4）热火花，点接触位置的导体被熔化或气化后产生的微粒喷射[2][3]。如果存在这样的引燃源，则飞机在遭受雷击时可能发生燃油蒸汽的燃爆，造成严重的安全事故。因此必须对燃油系统进行雷电试验验证，以确保不会存在这些引燃源。

2  引燃源检测方法

目前标准规定的引燃源检测方法包括拍照法与可燃气体法[4]。

拍照法利用相机及暗箱记录试验件在雷电流流过时产生的可见光，以判别是否有潜在的引燃源。

拍照法的优势包括：

1）试验装置相对简单；

2）实验照片可永久保存以便于分析；

3）可确定引燃源的位置从而有助于查找问题。

拍照法的不足包括：

1）只有在试验件的所有角度都能被观察到的时候才能使用，如果试验件内结构很复杂，无法观察到所有角度，则无法使用拍照法；

2）若试验件内部有多个值得关注的位置，则需要同时使用多部相机，或者进行多次试验，使得操作流程比较复杂，而且需要对试验件进行多次放电；

3）无法检测到热斑点类型的引燃源；

4）无法准确衡量引燃源的能量大小。

可燃气体法是将试验件可能产生引燃源的位置暴露于可燃气体中，给试验件施加雷电流时，若可燃气体被引燃，则认为存在潜在引燃源。可燃气体法的优势包括：1）可检测所有类型的引燃源；2）可一次性检测所有位置的引燃源；3）通过调节气体配比可确定引燃源的能量大小。可燃气体法的不足：1）无法确定引燃源的准确位置；2）试验配置及操作流程相对较复杂；3）由于使用可燃气体，存在一定的安全隐患，必须采取安全防范措施；4）是否引燃通过肉眼判断及摄像记录，数据保存不如拍照法方便。

两种方法各有优缺点，由于可燃气体法可直观的判断结果，且可确定引燃源能量大小，因此鉴定试验时，必须采用可燃气体法，或者两种方法结合。另外，可燃气体法也可推广应用于飞机燃油系统强电磁辐射等试验的引燃源检测。

3  拍照法实施

3.1 关键设备

相机。SAE ARP 5416标准中提到要使用感光度足够高的胶片或者数码相机，比如感光度为3000的胶片，F4.7光圈，1.5米距离可以检测到200uJ能量的电压火花。不过现在使用的单反相机感光度都在6000以上，参数设置适当，可确保能检测到200uJ甚至更低能量的电火花，因此，SAE ARP5416的更新版本5416A中也说明了可使用数码相机。200uJ能量的电火花可用标准点火源来产生，需要注意的是：用标准点火源产生电火花，并将其照片上的光点范围与试验件拍摄照片上的光点范围进行比较从而确定电火花能量的方法可能存在较大误差。美国LTI实验室的研究人员曾尝试用照片上的光点大小来衡量电火花的能量，他们采用了不同的胶片类型，最终的结果表明这种方法存在较大误差[5]。如果要降低误差，必须尽可能排除干扰因素，比如火花发出位置与相机间的距离、相机设置等。

镜子。在试验中可能需要从多个角度观察试验件，使用镜子有助于实现多角度的观测。镜子的反射率可能影响到拍摄的灵敏度，因此应尽量减小镜子的反射损失，一般不要超过一次反射，而且总的反射损失不超过15%。对于内部狭小空间，使用球面镜可以增加观察范围。

拍摄暗箱。拍照法需要一个拍摄暗箱，使得在相机快门打开的时间里，除了电火花的亮光，不会有其他光线进入相机镜头。参考的LED或其他小光源可用来确定引燃源的位置，同时也可以用来确定试验时相机快门是打开的。试验时，在放电前时参考光源亮一下然后关闭，这样最终拍的相片上可以看到参考光源，但这些光源又不会对试验件上的产生的可见光造成影响。

3.2 试验布置

拍照法的试验布置如图1所示。

图1 拍照法试验布置图

3.3 试验流程

拍照法的试验流程如图2所示。

4  可燃气体法实施

4.1  可燃气体

可燃气体法使用的混合气体应保证能被200uJ能量的电火花及热火花引燃，且引燃时释放的能量不能过大，以免产生爆炸威胁人员及设备安全。标准推荐的气体比例为氢气5%、氧气12%、氩气83%。实际操作时，应对气体的点火阈值进行校准，以确保有较高概率被200uJ电火花引燃（10次至少引燃9次） ，如果无法满足要求或引燃后释放能量过大，可按照0.5%的步进调整氢气比例，但应保证1.2的化学计量浓度，且氢气的比例不能超过7%。

图2 拍照法试验流程

4.2  气体配比系统

配气系统用于试验件腔体的充换气，要保证充换气过程安全顺利进行。配气系统包括气瓶、减压阀、输气管、流量计、阀门、气体混合腔、支架等。整个系统应确保密封承压性良好，且便于操作。典型的配气系统如下图所示。

4.3  标准点火源

为了标定可燃气体的点火能量，需要一个标准点火源，该点火源是电极间隙产生高压放电的专用装置。可产生不同能量的电火花，适用于混合气体及燃油蒸气等的放电能量检测。该装置所产生的电火花能量按照下面的公式计算得到：。其中，Q为电火花能量，单位为焦耳（J）；C为电容器容量，单位为法拉（F）；V为放电电压，单位为伏特（V）

这种能量的计算方法是基于这样的假设：电容中存储的能量通过两个电极间的电弧放电全部释放出来。试验表明，两个直径3.2mm、距离1.5mm到2mm的球电极放在可燃气体中时，产生引燃所需的能量最小。在空气中，2mm间隙打火所需的电压约为，在此条件下，一个6pF的电容放电的能量可达到200uJ。

图3 气体配比系统示意图

图4 气体配比系统实物图

为了便于操作，标准点火源还应满足以下要求：

1）  电池供电，便于试验现场操作且不受干扰；

2）  可通过调节充电电压及电极间隙来调整电火花能量；

3）  可通过开关打开/关闭电压输出，实现电火花能量的定值输出；

4）  点火源包括高压发生器和点火电极两部分，点火电极可放入充可燃气体的试验箱内。

图5为按照标准要求研制的标准点火源实物图。

图5 标准点火源

4.4  安全措施

由于涉及到可燃爆气体，为了保证人员及设备的安全，对气体的操作及存放必须有严格规范，同时采取必要的手段来保证安全。比如配备氢气检测仪监测氢气泄露情况、试验过程保证通风良好等措施。

4.5  试验布置

可燃气体法的试验布置如图6所示。

图6 可燃气体法示意图

4.6  试验流程

可燃气体法的试验流程如图6所示。

图7 可燃气体法流程图

4.7  可燃气体法与拍照法结合

为了达到最好的试验效果，可将可燃气体法与拍照法结合，发挥两种方法的优势。结合的方式有两种：

1）    先使用可燃气体法进行试验，若检测到引燃源，再用拍照法确定引燃源位置，若未发现引燃源，则不必再进行拍照法试验。这样既能快速确定是否有引燃源，找到引燃源的具体位置，也可以减少试验次数。

2）    对于结构不复杂的试验件，可同时使用拍照法与可燃气体法。按照前面所述的可燃气体引燃后释放的能量较小，也几乎不产生可见光，因此不影响拍照。同时使用两种方法的试验布置如图8所示。这种方式对于内部结构较复杂或者本身为腔体结构的试验件不能适用。

图8 拍照法与可燃气体法同时进行

5  油箱的引燃源检测

前面所述的方法均是针对燃油系统部件的引燃源检测，如果试验件是机翼油箱，可能产生引燃源的部位包括油箱结构、液压系统管路、燃油系统管路，还可能包括电缆及传感器等部件，需要关注的部位较多，且试验件本身为腔体结构，在进行闪电试验的引燃源检测时，应针对性的对方法进行改进。

可燃气体法试验。油箱的可燃气体法试验不需要要额外的试验箱，可直接将混合气体充入油箱腔体内，但要将油箱做密封处理以避免气体泄漏，同时尽量利用已有的开孔作为进气口、排气口及爆炸观察口。如必须开孔，则应尽量减少开孔面积以减小对电流分布的影响。进行正式试验前的可燃气体点火阈值验证时，为了避免燃气引燃对试验件可能造成的损伤，可使用模拟油箱来进行试验。

拍照法试验。由于油箱内部需要关注的位置较多，因此需要在内部多个位置放置镜片才能拍摄到所有位置，使用球面镜可扩大单个镜片的观察范围。试验前需要对镜片位置进行调试，以确保能无遗漏的观测到所有位置的电火花或热火花。

图9 模拟油箱的可燃气体法试验

图10 模拟油箱的凸面镜拍照

6  结论

本文研究了适用于飞机燃油系统雷电试验的引燃源检测方法，包括可燃气体法及拍照法，对两种方法的关键技术环节进行了分析及试验验证，经验表明要达到较好的试验效果，在关键环节及试验流程上应进行充分的研究及准备。

参考文献：

 [1] 熊秀、骆立峰、范晓宇、王龙，飞机雷电直接效应综述，飞机设计，2011.08

[2] J.Anderson Plumer，John D.Robb，The Direct Effects of Lightning on Aircraft， IEEE Transactions on Electromagnetic Compatability，VOL.EMC-24，NO.2，1982.5；

[3] Ed Rupke，Lightning Direct Effects Handbook，Lightning Technologies Inc，2002；

[4] ARP 5416-2005，Aircraft Lightning Test Methods，SAE，2005.03；

[5] Keith E. Crouch, Aircraft Fuel System Lightning Protection Design and Qualification Test Procedures Development, FAA Report DOT/ FAA/ CT -941 74, 1994.09