王凯 党双欢 李玉芳
航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司 西安 710089
摘 要 飞机在加/受油过程中，由于飞机燃油系统管网极为复杂，高速燃油与管路、油箱之间的摩擦，会产生大量的静电，而随着静电的累积，一旦静电放电产生电火花，会导致燃油爆炸等灾难性后果。本文件针对特定飞机燃油系统，研究并制定了飞机加/受油过程中的静电测量方案，通过地面试验，对典型工况下系统中总加油管、机翼加油管以及各组油箱内产生的静电实时测量，获取了燃油在飞机不同区域流动和累积所产生的的静电数据。结果表明，飞机在加/受油过程中，各监测点的静电电压均不大于12KV，满足GB 6951-1986的要求。
关键词 燃油系统；高速燃油；油箱；静电累积；静电测量
1．引言
燃油在输油管道内流动容易产生静电，当带有静电的燃油注入储罐时，电荷会发生积累，可使罐内静电电位达到数万伏特；若发生静电放电现象，可能产生静电火花，引发储罐爆炸事故。
2 正文
2.1 静电测量原理
静电测量参考GB 6951，轻质油品装油时，安全油面电位值为12kV[2]。
静电测量误差为5%FS，传感器测量范围，换算为电压测量范围为-15kV～+15kV，则测量误差最大值为10μC/m3或750V。
考虑到油料系统的特殊性，因此系统进行静电测量时，为保证测试安全，必须采用非接触法进行测试，通过探测燃油携带静电荷产生的电场，实现对燃油的静电荷密度及静电电压的测量。
在管道内，取任意一段长度为d的管道，根据高斯定理：
(1)
其中，E为管道内电场，方向垂直于管道内表面。Q为任意一段管道的带电荷总量，为真空介电常数。假设管道内电荷均匀，则公式(1)可变为：
(2)
(3)
(4)
其中，r为管道半径，V为管道中心电位，为管道内电荷密度，从而得：
(5)
2.2 静电测量方案
2.2.1 输油管道静电测试方案
对于某型机，由于其加油流量为目前国内最大流量约2300L/min～2600L/min，对其管路内流速分布进行研究，确定其总管为最大流速管道，因此，需对空中受油主管道进行改装，中间加装静电检测管道，管径与原有管道直径相同、材料相同，二者采用法兰或其他固支结构固定。连接处保证平滑，避免燃油与检测管道摩擦产生静电。
在检测管道中部焊接传感器，主要包括静电敏感芯片、检测电路及杆球式感应探头。其中，杆球式感应探头与传感器外壳之间通过绝缘材料隔离，球头位于管道中心，用于感应管道中心电压。
2.2.2 油箱静电监测方案
通过对某型机燃油系统油箱分布进行研究，确定油面静电测量方案，由于飞机油箱为软油箱，对油箱改装根本不可能，只能利用现有状态采用变通方法进行测量，经过与设计部门沟通，通过油箱重力加油口对油箱油面静电累积进行测量，改装情况为：在原有燃油箱重力加油口加装静电检测传感器，考虑传感器与重力加油口之间无相对运动，且不能对飞机结构进行改动，传感器与重力加油口之间采用T型固支结构连接。
其中，感应探头末端为球形设计，以避免尖端放电。感应探头尺寸设计参考油箱尺寸，使球形探头末端到达油箱底部，从而实现加油过程的全程静电监测。感应探头通过绝缘体连接至传感器外壳及飞机油箱，三者之间为刚性固定，从而避免探头摇晃，碰撞到油箱其他位置，尤其避免碰撞邮箱内其他检测仪表，造成静电放电事故。
2.2.3 系统电路方案
考虑系统测试的安全性、稳定性和抗干扰性，静电测试传感器采用12V~36V宽电压量程供电，输出为数字串口接口，容易与其他设备集成，信号抗干扰能力强。可采用串口服务器将多路传感器输出信号整合为一路网络信号，与信号处理计算机进行集成。
2.3 静电测量试验
2.3.1 地面验证试验
油料搅拌装置采用高压空气进行，将高压空气通入油桶底部，使油量上下翻腾，高压空气的压力为5Mpa，出口直径φ4mm，面积1.256×10-5mm2，冲击力62.8N。油桶高1m，油桶半径520mm，根据射流影响范围分析，高压气体影响流体的椎体角范围为30°，为获取合适的油流速度，将静电传感器安装在锥体角10°范围内，取半角5°计算，根据公式（6）计算受影响流体质量为6.3kg，根据公式（7）计算可得此范围内最小流速约9.9m/s。
V= 3.14ρh（R2+r2+ R r）/3 （6）
F=m（V-V0） （7）
其中，r为气流管直径，R为受影响燃油锥体最大半径，h为桶高，m为受影响油料重量，V为流速，V0为初始流速。
2.3.2 机上试验
由于试验在室外进行，因此试验结果易受到恶劣天气及电磁干扰影响，经过几次试验，发现传感器在雨后、高温等恶劣气候条件下，测量结果会出现不同程度的跳变。
试验结果受外部因素影响太大，因此，为确保机上试验结果的准确性，在试验过程中尽量减少温度、湿度和电磁干扰对测试结果的影响，在传感器头部外加金属罩的方式进行防水、防雪和电磁屏蔽，同时将传感器头部与机体进行可靠地电搭接对传感器进行接地处理，传感器在安装前经过酒精擦拭，尽可能减少异物附着在传感器表面影响测量的准确性。
2.4 问题分析
针对静电测量过程跳变问题主要从不同温度、湿度及静电测量传感器的状态等几个方面进行分析。
2.4.1 常温常湿下裸板状态
在只有一个电路板的情况下对静电测量数据进行分析，可得在该状态下静电测量较为稳定。
2.4.2 常温常湿下加外壳加长杆状态
加外壳长杆情况下对静电测量进行分析，看以看出刚启动时静电测量数值较为稳定，之后出现明显的波动。
2.4.3 加外壳湿度30RH温度-40℃～55℃状态
加外壳的情况下，当温度下降到-30℃以下时传感器返回数据变得很稳定。之后从-40℃升到55℃的过程中传感器返回的数值也很稳定。等待大概20分钟之后常温下重新测，数据波动较大。
3 结束语
飞机燃油系统静电测量技术理论上较为成熟，但在实际试验过程中，由于飞机的状态、传感器的安装情况及试验现场的环境等因素的影响，会使得试验过程中产生很多不可预测的现象，如超大幅度的测量值波动等问题，经反复研究验证，目前还未找到跳变问题的具体影响因素及不同因素的影响程度。但经过该次试验，初步验证了技术的可行性，部分试验结果也验证了飞机在加/受油过程中静电的累积值满足标准要求。
参考文献：
[1] 杨士亮，等.航空油料静电的产生因素及其控制措施[J].军械工程学院学报，2006（9）。
[2] GB6951-1986 轻质燃油装油安全油面电位值。
[3] 曲芳，等.燃油箱系统静电试验研究[J].中国安全科学学报，2006（3）：98-106。