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1、INTERNATIONAL AVIATION / 国际航空 2011.338 机电系统专辑/ Cover Story 飞机燃油系统的未来技术发展 Advanced Technologies for Aircraft Fuel System 目前，飞机燃油系统除了在一切飞行状态和工作条件下向发动机不间断地供给燃油外，还 承担着飞机重心控制、热量控制的角色，并具有防火、防爆等功能。未来，燃油系统将向 数字化、综合化方向发展，其设计将更加注重标准化和通用化，安全性也将进一步提高。 现 代飞机的燃油系统是 一个由若干相互关联 的子系统组成的综合系统， 其中包含有油量测量及指 示、发动机燃油供给、燃油
2、转输、输油顺序控制、油箱 通气增压、空中及地面加油 和放油、油箱防火防爆以及 冷却等系统。而新一代飞机 燃油系统将在智能化数字式 燃油管理技术、高精度油量 测量技术、燃油附件数字化 技术和油箱防火防爆技术上 取得新的突破。 发展历程与现状 燃油管理是飞机燃油系统的 基本功能，对燃油系统的安 全性和经济性等性能有重要 影响。随着电子技术的发展， 尤其是大规模集成电路的出 现，为飞机燃油系统实现数 字化管理创造了条件。从20 世纪70年代后期以来，以计 算机为基础的数字式燃油油 量测量系统由于采用了线性 传感器技术，在测量精度、 可靠性、维修性等方面都比 过去有较大提升。 在民用飞机方面，美、 英
3、、德、法、日等国自20世 纪70年代开始，相继开展 了基于电容式油位测量的数 字式燃油测量系统研究，以 霍尼韦尔公司为例，其数字 式燃油测量系统在波音757、 767飞机上率先获得应用。 从80年代开始，波音和空客 系列客机已相继采用了数字 式油量指示系统。 要实现燃油系统的安全 性与经济性的完美结合,就 需要把所有与燃油系统有关 的功能综合到航空电子系统 中，形成数字式燃油管理系 统，实现综合控制。在燃油 测量方面，大量采用了超声 波燃油测量技术，配备了铂 电阻温度传感器，提高了测 量精度。目前，用于燃油测 量的严重挠曲光纤传感器已 在研制或验证中。在加/放 油系统中，具有自动加油 能力，并
4、安装了有防加油过 满的防溢设备，而应急放油 系统则是由电子加载控制系 统实现自动放油。燃油重心 控制由计算机起动自动传输 系统加以控制，重心控制计 算机是双通道的，各通道均 能独立工作，燃油油量指示 器数据的有效性和输油系统 状态均由重心控制计算机监 控。 波音777是第一架使用 超声波燃油测量技术的商用 飞机。超声波燃油油量指示 系统的核心是油量处理器， 其中包括与油箱内的传感 器、温度传感器、综合加油 控制板（IRP）与外部数据 总线接口所必需的电路。各 油量处理器的结构是完全独 立的，并提供余度处理和接 口。波音777的油量处理器 有5个相同的处理器插板， 这些插板运行相同的软件， 南京
5、机电液压工程研究中心 飞机燃油系统布局 INTERNATIONAL AVIATION / 国际航空 2011.339 机电系统专辑/ Cover Story 但是根据它们在处理器中的 位置和健康状况，执行不同 的功能。这种处理器结构能 够补偿系统内的任何单点故 障和几个双故障。 在军用飞机方面，美国 的 战 斗 机 在20世 纪7080 年代采用以接口温度控制为 方案的燃油系统，燃油仅在 机体部分循环以冷却飞机次 级功率系统的部件（如发电 机和液压部件等） ，并保持 机体/发动机接口处的燃油 温度在80 120之间。这 种控制方案的燃油系统把机 体燃油热管理系统与发动机 燃油热管理系统分割开来
6、， 并没有充分利用燃油的散热 能力。 90年代以后，以F-22、 F-35为代表的先进战斗机， 大量应用燃油系统仿真技 术，实现了燃油系统的智能 化管理与综合控制布局，即 由计算机综合燃油测量、加 油、输油、供油及故障告警 等功能，其燃油油量指示系 统采用微处理机和超声波探 头，除完成传统的飞行保障 任务外，还能辅助调节飞机 的重心，且把燃油热管理系 统和发动机热管理系统综合 在一起，把环境控制系统的 热负荷也纳入热管理系统， 将燃油调节到适当的温度后 提供给发动机以获得最高效 率。此外，比较先进的防火 防爆系统也开始出现，如利 用渗透纤维膜将空气中的氮 气分离出来，并把分离出来 的氮气通入燃
7、油箱，使燃油 箱中气体的含氮量达到燃油 的抑爆点，从而达到防火防 爆的目的。 发展趋势与关键技术 燃油系统的发展趋势可归纳 为以下几个方面。 （1）数字化 飞机燃油系统的数字化 主要体现在系统状态监测和 控制数字化、系统管理数字 化以及燃油附件和传感器数 字化等方面。 系统状态监测和控制数 字化需要对燃油系统所有需 要测量、监控的参数集中进 行采集和处理，并将系统的 用，更先进的传感器（如激 光传感器）也已经研制出来， 但尚未进入实用。 (2)综合化 油量指示系统实现数字 化后，在不断提高可靠性、 测量精度和可维护性的同 时，必然向综合控制的方向 发展。F-35的公共设备管 理系统已综合到其飞
8、机管理 系统中，这项技术也必将应 用于未来的客机中。 同时，燃油作为热沉， 也是相同的。可以预计，未 来客机的燃油系统将更加重 视标准化和通用化设计，主 要体现在接口标准化、附件 通用化和系统的标准化等几 个方面。 (4)燃油系统的安全性将 更加受到重视 飞机油箱中静电和导线 短路会严重威胁到飞机的飞 行安全。按照美国FAA条例 的规定，民用运输机上必须 要携带和使用氧气，但不管 哪种形式的氧气都存在火灾 的隐患，因为可燃材料在纯 氧或富氧空气中燃烧可产生 非常高的气体燃烧温度。为 了免除火灾的威胁，尤其是 飞行时在难于接近区域（如 货舱）内着火，不断提高燃 油系统的防火和防爆能力， 成为飞机
9、燃油系统发展的关 键。 为服务于上述发展，一 些关键技术要取得突破。 （1）开发智能化数字式 燃油管理系统 自20世纪80年代以来， 西方发达国家在军、民用飞 机的燃油管理系统中广泛采 用了计算机技术，并将其应 用在系统结构、信号处理、 功能综合等方面，逐渐形成 了集燃油测量、加油、输油 及供油过程管理、故障检测 与自动报警等功能为一体的 数字式燃油管理系统。随着 技术的不断进步，飞机燃油 管理系统将向智能化程度更 高的方向发展。 （2）高精度油量测量技 术 高精度油量测量技术 是燃油系统智能化管理的基 础与前提。目前，国际上高 控制功能集中到一个控制模 块中。这其中包括测量数据 的处理、融合
10、数字化，以及 显示系统的数字化。 系统管理数字化代表着 要用管理任务计算机完成燃 油系统任务的调度、信息处 理与储存等功能。 系统数字化的基础是附 件和传感器的数字化，数字 化的燃油附件应当包括数字 化的燃油阀、燃油泵。传感 器的数字化应当包括油量测 量传感器、温度传感器、燃 油密度传感器、压力传感器 等的数字化。其中超声波油 量测量传感器将会普遍采 将被纳入飞机的综合热管理 中。另外，用于油箱防火防 爆的综合机载惰性气体发生 装置中的空气分离制氧系统 也将与空气管理系统综合， 为座舱提供氧气。 (3)设计更加注重标准化 和通用化 对波音系列飞机以及 空客系列飞机的燃油系统而 言，其很多零部件
11、都是相同 的，以此可减少所需的零备 件库存。例如，波音777的 供油和应急放油阀门使用 的作动器和阀门壳体在波音 757和767上也可使用，通风 系统中的释压阀门与757的 以F-35为代表的先进战斗机，大量应用燃油系统仿真技术，实现了燃油 系统的智能化管理与综合控制布局。 INTERNATIONAL AVIATION / 国际航空 2011.340 机电系统专辑/ Cover Story 精度油量测量技术的关键领 域主要包括 ： 新型高精度油 位测量传感器的研制，密度、 温度补偿，数字式油量测量 与指示系统的研制等几个方 面。通过开展多传感器融 合技术研究，寻求传感器的 最佳分布与测量组合，
12、减小 其对油量测量产生的系统误 差。除此之外，高精度的油 量测量技术还包括对传感器 测量与燃油油面姿态进行误 差修正及补偿的技术研究， 同时还应进行油量测量的各 种实验与应用技术研究。 （3）燃油附件数字化技 术 目前，国际上针对燃油 附件数字化技术所进行的研 究主要包括两个方面 ： 第一 是燃油泵的流量（或转速） 的可调控制，包括输油泵和 供油泵，采用270伏高压直 流无刷电机驱动，实现变频 控制，泵的输入/输出信号 数字化 ； 第二是加输油控制 阀的数字化，首先是实现加 输油控制阀的工作状态输出 数字化，其次根据所处的系 统与分布不同，有针对性地 实现加输油控制阀的数字化 控制，即对阀的开
13、度能实现 连续可调。 目前来看，燃油附件已 经经历了多功能化、综合化 的发展，但是其设计与控制 仍局限于传统范畴。系统对 燃油附件的控制采用的是一 种开环结构，已远远不能满 足燃油系统向智能化、公共 一体化方向的发展需要，特 别是对系统故障论断与管理 的需要，燃油系统的故障状 态输出与故障判断很大程度 取决于各附件的工作状况。 因此，实现燃油附件的数 字化有助于燃油系统的数字 化和燃油附件专业向纵深发 展。 （4）油箱防火防爆技术 油箱防火防爆系统也 是燃油系统的一个重要组成 部分，目前主要采用两种技 术 ： 一种是在油箱里充填防 爆材料，如泡沫塑料或铝箔 网 ； 另一种是在油箱内充填 惰化气
14、体，从而达到防爆目 的。第一种又称为被动式防 爆，优点是平时不需要维护， 任何时候都可保护油箱，无 故障因素等，缺点是油箱内 充填的抑爆材料减少了飞机 的可用燃油，飞机重量增加 较多，而且由于填充的材料 寿命短，维护麻烦。第二种 又称为主动防爆，其优点是 系统重量轻，不占油箱容积， 对飞机的性能影响小，缺点 是后勤保障很复杂，维护成 本高、效率低。 目 前， 国 外 一 些 军 用 飞机已经使用了惰化油箱技 术，实践证明这项技术能够 大大降低战斗环境下油箱爆 炸的可能性。美国NASA也 对几项航空应用空气分离技 术进行了技术评估和鉴定， 从而确定它们应用于未来商 用飞机的可能性。它们是利 用空
15、气低温分离出氧气和氮 气的技术、空心纤维膜空气 分离技术（HFM） 、陶瓷膜 空气催化分离氧气技术和用 来除掉气态杂质和供应富氧 或富氮气流的压力摆动吸附 （PSA）技术。这几种分离 方法在起决定作用的物理和 化学处理上是完全不同的。 在PSA分离方法中开发出了 特定气体吸附于特定固体表 面的特性 ； 陶瓷膜运用了高 温表面的催化特性，选择性 地收集空气中的氧气 ； HFM 技术利用空气成分的奥斯特 瓦尔德溶解系数的差值，从 气流中选择性地除去一些气 体 ； 低温分离技术则是利用 热力学的液化和蒸馏过程。 一部完整的飞机复合材料结构设计与制造参考书 评实用飞机复合材料结构设计与制造 邵箭 实用
16、飞机复合材料结构设计与制造是根据美籍华人牛春匀教授新著 Composite Airframe Structures第2版最新修订的书稿，由北京航空航天大学飞机设 计研究所程小全教授等翻译，并由牛春匀教授亲自审校，航空工业出版社授权出版 中译本。 本书围绕飞机复合材料结构设计与制造技术， 从结构选材、 模具设计、 制造工艺、 连接设计与分析、环境考虑、层合板的设计方法、结构试验、质量保证和结构修理 等方面进行了全面系统的阐述，并结合美国波音、洛克希德和欧洲空客等飞机公司 的设计实例，介绍了先进复合材料结构设计、制造和试验验证的具体方法和实际经 验，希望能够帮助中国工程技术人员增进对先进复合材料的理解和实际经验的掌握。 此外，本书中译本中还增加了“绿色飞机结构”和3个附录，即复合材料飞机结构 FAA适航认证简介、波音787简介和空客A350XWB简介，重点介绍了一些创新结构 设计思路和方法等内容，这对于我国大型飞机结构设计和将来申请国外适航认证工 作具有重要的指导意义。 牛春匀教授三部有关飞机结构设计的重要著作已全部译成中文，并出 版发行，相信这三部著作的
