關于閃電試驗標準中可燃氣體混合物的研究

摘要：飛機燃油箱遭受雷擊時，可能產生引燃源發生燃油蒸汽的燃爆，對飛機飛行安全構成威脅。為了評估燃油系統雷電防護設計的合理性，采用可燃氣體法引燃源檢測是常用的試驗手段，以檢測燃油箱遭受雷擊時燃油箱內部可能產生的點火源?？扇細怏w對于燃油系統油箱及部件的雷擊試驗顯得尤為重要，試驗標準對可燃氣體的選擇進行了推薦和介紹，目前氫/氧/氬混合可燃氣體是最常用的，但由于含氫混合可燃氣體存在一些局限性，對試驗實施產生了一些不便。因此隨著試驗技術的不斷研究和發展，新的引燃源檢測的可燃氣體如乙烯-空氣混合可燃氣體，將被研究并推薦出來使用。

關鍵字：可燃氣體法、雷擊試驗、氫/氧/氬混合可燃氣體、乙烯-空氣混合可燃氣體

前言

由于航空燃油具有揮發性，以及燃油箱的晃動、震動、噴濺等會在液態燃油區上方存在著燃油蒸汽。燃油蒸汽和油箱上方的空氣混合形成燃油蒸汽/空氣混和物，在一定的濃度下，燃油蒸汽/空氣混和物在點火源的作用下發生點燃爆炸。燃油系統油箱及部件的雷擊試驗，適用于雷擊區域的油箱結構及部件，以驗證因雷電附著或雷電傳導而產生的直接效應及潛在的燃油蒸氣引燃源。燃油系統油箱及部件的雷擊試驗，是在對燃油系統油箱及部件施加最高峰值200kA、最大電荷傳遞量200C的同時，結合可燃氣體法引燃源檢測方法，來檢測油箱內部是否出現大于等于200μJ的點火源?？扇細怏w法引燃源檢測需要有嚴格的配比氣體和標準電火花源，對潛在的點火源能量比對精確，對潛在點火源的覆蓋范圍更廣，因此被工程廣泛認可。

試驗標準對可燃氣體法的介紹

實驗室在進行燃油系統油箱及部件的雷擊試驗時，可參考以下幾個標準執行。GJB3567-99《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》由于標準發行時間較早，只是簡單說可用丙烷和空氣混合氣或者燃油空氣混合氣，沒有具體的操作指導，可操作性不強。而HB6167.25-2014《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法》、RTCA/DO-160G《機載設備的環境條件和試驗程序》以及SAE ARP5416A《飛機雷電試驗方法》，均明確了選用氫/氧/氬的混合氣體，同時限定了氫/氧/氬的濃度和可調范圍，對于點火源的設計也有明確的原理圖解，試驗實施過程也有典型的示例指導，因此氫/氧/氬混合可燃氣體法引燃源檢測，具有更可觀的可操作性和更好的置信度。

可燃氣體的應用情況

燃油箱閃電試驗及可燃氣體法引燃源檢測的實施過程，簡單概括起來如下：在燃油箱內部充入可燃氣體，在油箱外部施加閃電電流，閃電電流如果造成燃油箱內部打火等現象，引發可燃氣體燃爆，則證明該雷電防護設計不合理?？扇細怏w法推薦使用氫/氧/氬混合可燃氣體（5%-7%的氫氣），此種混合氣體有幾個局限性：混合氣體的擊穿特性、氫氣的爆炸特性以及電火花源對環境的敏感性。

相比于空氣，氬氣環境中的擊穿電壓更低，其主要機理是：氬氣為惰性氣體，平均自由行程短，無電子附著，不能有效減緩自由電子。研究發現，氬氣被認為是在具有高雜散電容的火花系統中，在1.5-2.0 mm的間隙內實現200μJ能量的電壓電弧所需的擊穿電壓較低的一種氣體。電火花源200μJ的能量指的是在混合氣體環境中產生的電壓火花能量，混合氣體含有氫氣，如果直接在混合氣體中調試電壓火花能量，勢必有燃爆的危險，導致調試工作很難開展。所以，電火花源能量的調試往往只能在空氣中進行，然后在根據空氣中調試的情況，再根據燃爆當量的情況適當調整，對混合氣體進行調試。在空氣中，電火花源的電極間隙在2mm時，擊穿電壓大概在7.95kV±5%，在這個電壓下，大約6pF的電容需，可以產生200μJ +0/-10%能量的火花。以此推斷，在混合氣體中電火花源電極間隙的擊穿電壓會小很多。實際情況下，在氫/氧/氬的混合氣體中，2mm的間隙電火花電壓約為4kV，此時再根據擊穿電壓調整電容值，獲得200μJ +0/-10%的能量。值得注意的是，影響電火花源電極間隙能否擊穿放電的因素，除了所處在的氣體環境、電極間的電壓電勢外，還有電極的表面清潔度，因此試驗中需要清潔和拋光電極頭，保證電極有好的清潔度。

氫氣是一種易燃爆的氣體，所以試驗中會存在燃爆的風險。燃爆造成的壓力上升與燃燒室的幾何形狀和容積有關，試驗表明，在20L的容器中，5%、6%、7%的氫氣混合氣體燃燒后，峰值壓力分別為1.7倍大氣壓、2.2倍大氣壓、3.8倍大氣壓。因此，試驗時需要對可能產生的點火源造成的爆炸壓力進行泄放，防止壓力激增以及多次試驗累積造成結構損壞。

燃油箱試驗件進行試驗時，需要拆除維修口蓋等口蓋來充當泄壓口或者在燃油箱蒙皮上開設泄壓口。油箱開設泄壓口會帶來一些問題，如影響雷電流分布。由于雷電流會在試驗件整個表面迅速擴散并傳導，無論是拆除維修口蓋作為泄壓口還是在油箱蒙皮上開設泄壓口，都會對燃油箱表面的電流分布產生一定的影響，造成電流分布失真。泄壓口開設的越大，對可能劇增的氣體排放效果越好，但同時也會對試驗結果的影響會越大。

此外，200μJ的電壓火花能量對潮濕的混合可燃氣體并不敏感，濕度過高往往導致混合氣體不能被200μJ的電壓火花點燃。標準ARP 5416A建議，試驗中應選擇干燥的混合氣體。濕度過高時，應采取措施如加熱、換氣等，提高試驗腔體或燃油箱內部的干燥度，提高200μJ電壓火花點燃混合氣體的成功率，提升氫/氧/氬可燃氣體法引燃源檢測的置信度。如此，氫/氧/氬混合可燃氣體法也存在諸多不便。

新的混合氣體

氫/氧/氬混合可燃氣體法應用十分廣泛，但需要注意的是，標準ARP 5416A第7.7.2.1節只是推薦使用氫/氧/氬混合可燃氣體，沒有指定必須使用，同時也沒有明確說明允許使用其他混合氣體或者哪種氣體混合物適用。又比如以前的標準，推薦的混合氣體是丙烷-空氣混合物，當量比從1.05到1.15到1.2不等，同樣沒有將氣體唯一限定。隨著燃油系統部件的雷電試驗研究不斷加深，替換氫/氧/氬氣體混合可燃氣體的研究也越來越多，國外學者提出使用另一種能滿足200μJ最小點火能量目標的燃料-空氣混合物，即乙烯-空氣。乙烯很容易得到，而且比氫和乙炔的危害小。相比于其他碳氫化合物，尤其是當需要200μJ能量的點火閾值時，乙烯的燃燒焓非常適合。

之所以選擇200 μJ作為閾值，是因為以往的研究數據表明，燃料中典型烷烴與空氣混合時，其最小點火能僅略高于200μJ。有數據研究表明，甲烷-空氣、丙烷-空氣、己烷-空氣這幾類烷烴混合物的最小著火能量均在200μJ以上，而乙烯對200μJ電壓電弧敏感，乙烯-空氣混合氣體可以在200μJ電壓電弧下點火，乙烯-空氣的點火特性更接近于典型噴氣燃料替代品的點火特性。乙烯-空氣混合氣體的最小點火能隨混合氣體濃度的變異性要小于氫/氧/氬混合氣體，容易滿足ARP 5416的10次點燃9次的要求。

結論

隨著標準ARP 5416A的公開修訂，新的可燃混合氣體可能會反映在下一個版本中。除去氫氧/氬/氣混合氣體，乙烯-空氣是合理的替代混合氣體，值得被推薦，用以評估潛在的點火源靈敏度為200μJ能量的火花，仍然是燃油箱雷擊試驗的關鍵。其他混合氣體可能也合適，但都應基于預期的點火源形式，適用于可燃氣體法引燃源檢測的方法。新混合氣體的性能，應通過由SAE閃電委員會成員進行輪詢，以及實驗室進行多次驗證測試來確定。

參 考 文 獻

[1] GJB3567-99《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》

[2] HB6167.25-2014《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法》

[3] RTCA DO-160G. “Environmental Condition and Test Procedures for Airborne Equipment.” 2010.

[4]SAE Aerospace. Aerospace Recommended Practice ARP 5416/EUROCAE ED-105 Aircraft Lightning Test Methods REV. A. 2013.

[5] 熊秀、駱立峰、范曉宇、謝健，飛機燃油系統雷電試驗引燃源檢測方法研究

[6]高 志 崇，氫氣爆炸反應壓力探討，泰 安 師 專 學 報，2002年