小议航天燃油箱富氮气体分配的方案

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1富氮气体需求量估算

进行富氮气体分配方案设计，首先要确定富氮气体的需求量。文献采用微分计算方法，建立了燃油箱气相空间冲洗惰化的数学模型。虽然该模型属于单舱燃油箱模型，但可通过忽略多隔舱燃油箱内部结构，将多舱燃油箱作为单舱燃油箱来计算富氮气体需求量，并作为初始输入值。采用文献所建数学模型，假设从21%氧气浓度惰化至适航要求的12%，其惰化时间为7min，并基于燃油箱空载这一极限条件进行计算，获得燃油箱惰化所需富氮气体流量约为60．5kg/h。

2燃油箱隔区划分

所谓燃油箱隔区指的是，由若干个相邻燃油箱隔舱组成，相邻隔区之间通气孔面积相比于隔区内各油箱隔舱之间通气孔面积小很多。对于民用飞机燃油箱而言，密封肋、半密封肋等通气孔面积往往很小，不利于富氮气体在油箱隔舱间的扩散。

3富氮气体出口初步布置

由于燃油箱隔区内的富氮气体扩散较为容易，在初始布置时，可根据隔区的划分情况初步确定富氮气体出口。如果忽略燃油箱隔区内的阻碍结构，可将每个隔区视为一个单舱燃油箱。原则上，在每个燃油箱隔区布置一个富氮气体出口，并根据隔区的容积大小，通过在富氮气体出口处加装限流孔的方法分配不同的富氮气体流量，即可满足设计要求。对于中的燃油箱，为避开布置有通气出口的隔舱以及便于富氮气体快速扩散到各个隔舱，将隔区4的富氮气体出口布置在中间隔舱8处。又由于隔区5内各隔舱容积较小而隔舱间通气面积较大，可将富氮气体出口布置在隔舱12处，以减少管路长度。研究的基础上，建立了多隔舱燃油箱地面惰化数学模型。该模型采用压差自动调整和分配的方式来判断流经各隔舱的气流方向和流量。本文采用上述数学模型对富氮气体出口布置方式进行计算，得到燃油箱各隔舱内的平均氧气浓度随时间变化的关系可以发现，隔区3中经过惰化的氧气浓度高于12%，这是由于隔舱3内的通气孔使得富氮气体排至舱外造成的。隔区4内有5个隔舱经过惰化的氧气浓度高于12%，由于这5个隔舱离布置有富氮气体出口的隔舱(舱8)位置较远，隔舱间的肋板阻碍了富氮气体的扩散。隔区5内有2个隔舱经过惰化的氧气浓度高于12%，这是因为这2个隔舱同样离布置有富氮气体出口的隔舱(舱12)位置较远，且隔舱19内布置有通气出口。

4富氮气体出口布置优化

对第3节中富氮气体出口初步布置计算结果进行优化，首先，富氮气体出口布置在舱12可以减轻管路重量。理论上稍微提高隔舱12的富氮气体流量，即可使得隔区5内各隔舱的氧气浓度满足要求。其次，由于隔区4内各隔舱容积较大，舱间肋板对富氮气体的扩散十分不利。因此，只需在隔区4内增加富氮气体出口，以加快富氮气体在隔舱间的扩散。因为管路要一直延伸到隔区5，必然经过隔区4，而增加富氮气体出口不会增加较多管路重量。最后，由于提高了隔区4内富氮气体扩散性，由隔区4进入隔区3的富氮气体流量会增加。因此，隔区3的富氮气体流量可基本保持不变。基于上述分析进行出口布置寻优，本文获得的富氮气体出口优化布置方式所示。采用文献中数学模型对富氮气体出口布置方式进行计算，获得燃油箱各隔舱内的平均氧气浓度随时间变化的关系所示。可以发现，中的富氮气体出口布置方案实现了在7min内，使每个隔舱的氧气浓度从21%降低到12%的设计要求。值得注意的是，只需在隔舱12布置一个富氮气体出口，即可满足9号肋至17号肋之间隔舱的惰化需求。这样一来，仅需要将惰化管路布置到隔舱12，即可减轻惰化管路重量。如果增加富氮气体出口，会更加利于富氮气体的扩散，进一步减小对富氮气体的需求量，从而降低对发动机引气量的需求。但是，富氮气体出口的增加也会带来管路重量的增加和系统构型的复杂化。所以，在富氮气体出口布置方案详细设计中，应从降低富氮气体需求量和减少富氮气体出口两方面综合考虑。

作者：郭军亮周伟刘卫华单位：上海飞机设计研究院