СИСТЕМА И СПОСОБ НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НЕЙТРАЛЬНЫМ ГАЗОМ
SYSTEM AND METHOD FOR AIRCRAFTFUEL-TANK PRESSURISATION BY NEUTRAL GAS

Изобретение относится к системам обеспечения взрывозащиты топливных баков летательных аппаратов, а именно к системам наддува топливных баков летательных аппаратов нейтральным газом, обеспечивающим создание взрывобезопасной среды в надтопливном пространстве баков путем подачи воздуха, обогащенного азотом, получаемого на борту с помощью воздухоразделительной установки.
Системы наддува топливных баков летательных аппаратов нейтральным газом предназначены для поддержания взрывобезопасной концентрации кислорода в надтопливном пространстве баков во время полета (в течение всего полета или на наиболее опасных участках - при высокой вероятности воздействия поражающих средств, аварийной посадке, пожаре и т.п.) и в наземных условиях, а также для поддержания в топливных баках давления, необходимого для нормальной работы топливной системы.
Известны способ и система наддува топливных баков летательного аппарата нейтральным газом по патенту US 2007/0144347 А1 от 28.06.2007 г., отличающиеся наличием в бортовой воздухоразделительной установке нескольких воздухоразделительных модулей, каждый из которых предназначен для продуцирования нейтрального газа (воздуха, обогащенного азотом) на определенном режиме полета летательного аппарата (набор высоты, горизонтальный полет и пр.). Характеристики потока нейтрального газа (содержание кислорода, расход), продуцируемого различными воздухоразделительными модулями, соответствуют определенному режиму полета. При этом соответствующим образом регулируются параметры потока воздуха (давление, расход, температура), подаваемого на вход воздухоразделительной установки.
Известны способ и система по патенту WO 00/00389 от 06.01.2000 г., отличающиеся наличием в бортовой воздухоразделительной установке двух типов модулей:
модулями первого типа продуцируется поток нейтрального газа с низким расходом;
модулями второго типа продуцируется поток нейтрального газа с расходом, большим, чем у модулей первого типа.
При этом содержание кислорода в потоке, продуцируемом модулями первого типа, ниже, чем в потоке, продуцируемом модулями второго типа. Модули первого типа используют на режимах полета с низким потребным расходом газа (например, во время горизонтального крейсерского полета). Модули второго типа используются на режимах с высоким потребным расходом газа (например, во время снижения).
Известны также способ и система по патенту WO 2006/020286 А2 от 23.02.2006 г., отличающиеся тем, что
с помощью специальных устройств определяется потребный расход нейтрального газа в соответствии с необходимым уровнем концентрации кислорода и давления в надтопливном пространстве баков летательного аппарата;
в соответствии с определенным значением расхода регулируется подача нейтрального газа, продуцируемого бортовой воздухоразделительной установкой, в топливные баки.
К недостаткам данных систем следует отнести:
сложность конструкции в связи с необходимостью регулирования характеристик потока продуцируемого нейтрального газа в зависимости от режима полета;
ограниченность их применения: они наилучшим образом адаптированы для неманевренных летательных аппаратов (например, пассажирских или транспортных самолетов), для которых не свойственна быстрая незапланированная смена режимов полета.
Необходимо также отметить, что существует значительная проблема поддержания взрывобезопасной концентрации кислорода в надтопливном пространстве баков летательных аппаратов во время режима набора высоты. При снижении атмосферного давления до определенного уровня начинается выделение газа, растворенного в топливе, причем концентрация кислорода в выделенном газе составляет, в среднем, 31,5%, что превышает значение естественной концентрации кислорода в атмосферном воздухе (порядка 21%).
Применительно к системам наддува топливных баков нейтральным газом с бортовым генератором азота известен способ обеспечения взрывобезопасности топливных баков на режиме набора высоты (а.с. SU 658850), заключающийся в продуве нейтральным газом надтопливного пространства с помощью специальной продувочной линии, соединенной с магистралью наддува баков нейтральным газом. Недостатками данного способа являются: низкая эффективность при сложной конфигурации топливных баков (возможность образования таких зон, где концентрация кислорода будет превышать допустимую норму), а также необходимость селектирования режимов полета для определения момента включения линии продувки баков.
Известен также способ по патенту WO 00/00389, предусматривающий подачу части нейтрального газа, продуцируемого воздухоразделительной установкой, под слой топлива, что позволяет очистить топливо, по крайней мере, от части растворенного в нем кислорода. Недостатком данного способа является необходимость монтажа в топливных баках сети специальных трубопроводов, которая должна обеспечивать эффективное удаление из топлива кислорода, растворенного в нем, что усложняет конструкцию и ведет к увеличению массы летательного аппарата.
В настоящем изобретении предлагается система наддува топливных баков летательного аппарата нейтральным газом, поддерживающая
взрывобезопасную концентрацию кислорода в надтопливном пространстве баков,
уровень давления в топливных баках, необходимый для нормальной работы топливной системы.
Предлагаемая система расширяет область применения систем нейтрального газа с бортовым генератором азота (в том числе и для маневренных летательных аппаратов) и не имеет недостатков, отмеченных выше.
Для лучшего понимания описания изобретения приводится сопроводительный чертеж, где изображена схема заявляемой системы.
Предлагаемая в настоящем изобретении система наддува топливных баков летательного аппарата нейтральным газом функционирует следующим образом. От системы кондиционирования 1 летательного аппарата сжатый воздух поступает на вход воздухоразделительной установки ВРУ 2, основным элементом которой является один или несколько воздухоразделительных модулей одного типа. Принцип работы данных модулей может быть основан на применении способа разделения воздуха либо с помощью полупроницаемых половолоконных мембран, либо с помощью адсорбционной технологии, известных из предшествующего уровня техники. Продуцируемый ВРУ 2 воздух, обогащенный азотом, поступает через подсистему газораспределения 3 в топливные баки 4 летательного аппарата в течение всего полета.
Подсистема дренажа и наддува топливных баков атмосферным воздухом 5 перекрыта нормально закрытым перекрывным устройством с электроприводом - электрическим краном 6, который установлен в таком месте, что линия, соединяющая топливные баки 4 с устройствами подачи атмосферного воздуха 7 (например, соответствующие ступени компрессоров двигателей, специальные воздухозаборники, система кондиционирования и т.п.), перекрыта, но при этом, в случае повышения давления в топливных баках 4 выше допустимого значения, может производиться сброс газа через клапан дренажа 8. Для повышения надежности электрический кран 6 дублируется механическим противовакуумным клапаном 9.
Датчик избыточного давления 10 измеряет разность между давлением в топливных баках 4 и атмосферным давлением в течение всего полета и выдает текущее значение в виде соответствующего сигнала в блок управления и контроля БУК 11.
БУК 11 взаимодействует с ВРУ 2, датчиком избыточного давления 10 и электрическим краном 6 посредством электрических линий связи 12, 13 и 14 соответственно. Также БУК 11 может быть связан с помощью линии передачи информационных сигналов 15 с информационно-управляющей системой ИУС 16 летательного аппарата для получения команд и информационных сигналов от бортовых систем, а также для осуществления контроля работоспособности агрегатов системы.
Из ВРУ 2 обогащенный азотом воздух поступает в топливные баки 4 с расходом, который может варьироваться вследствие изменения параметров потока воздуха (давления, температуры) на входе в ВРУ 2. Продуцируемый нейтральный газ имеет высокое содержание азота, например, порядка 95% (данное значение приводится здесь только в качестве примера и не ограничивает область применения предлагаемого изобретения).
Если расход подаваемого нейтрального газа превышает потребный расход на каком-либо режиме полета, излишки газа стравливаются через клапан дренажа 8. Такая ситуация наиболее характерна для режимов набора высоты и горизонтального полета.
На режимах с большим потребным расходом газа (например, на режиме снижения с большой вертикальной скоростью), превышающим расход продуцируемого нейтрального газа, атмосферное давление может превысить давление внутри топливных баков летательного аппарата.
Во избежание разрушения конструкции баков вследствие образования вакуума, при падении избыточного давления в надтопливном пространстве до значения ΔP1, несколько превышающего атмосферное давление, по сигналу от БУК 11 происходит подача сигнала к электрическому крану 6, который при этом открывает линию, соединяющую топливные баки 4 с устройствами подачи атмосферного воздуха 7. Таким образом, в данной ситуации происходит одновременная подача нейтрального газа и воздуха. При этом производительность ВРУ 2 выбирается так, чтобы при смешивании потока нейтрального газа и потока воздуха концентрация кислорода в надтопливном пространстве баков во время таких режимов не превышала предельно допустимую (в зависимости от интенсивности источника воспламенения предельно допустимая концентрация кислорода может составлять от 9 до 12% от объема надтопливного пространства баков). В результате этого возможно оптимизировать производительность ВРУ 2, вследствие чего будет уменьшен ее объем и вес.
Коллекторы системы газораспределения 3 устанавливаются в топливных баках 4 таким образом, чтобы исключалось образование так называемых «застойных» зон, т.е. таких зон, где концентрация кислорода может превышать допустимую норму.
При повышении избыточного давления в надтопливном пространстве баков до некоторого значения ΔР2, превышающего ΔP1, но являющегося значительно меньшим, чем давление, при котором происходит стравливание газовой смеси через дренажный клапан 8, электрический кран 6 по сигналу от БУК 11 закрывает линию, соединяющую топливные баки 4 с устройствами подачи атмосферного воздуха 7.
Избыточное давление ΔP1, при котором электрический кран 6 открывается, может составлять, например, от 0,01 до 0,05 ати. Избыточное давление ΔР2, при котором электрический кран 6 закрывается, может составлять, например, от 0,06 до 0,09 ати. Данные значения приводятся только в качестве примера и не ограничивают область применения предлагаемого изобретения.
Давление стравливания через дренажный клапан 8 устанавливается максимально возможным при ограничении по прочности конструкции топливных баков 4 и превышает значение давления, необходимого для нормального функционирования топливной системы (в частности, необходимого для бескавитационной работы насосов). Данное мероприятие, во-первых, позволяет постоянно иметь запас по давлению, в результате чего уменьшается потребная производительность воздухоразделительной установки и обеспечивается постоянная готовность к изменению режимов полета летательного аппарата и выполнению им различных маневров, во-вторых, поддержание максимально возможного избыточного давления служит для обеспечения взрывобезопасной концентрации кислорода на режиме набора высоты благодаря препятствованию выделению из топлива растворенного кислорода. Величина избыточного давления может составлять, например, от 0,4 до 0,9 ати (данные значения приводятся только в качестве примера и не ограничивают область применения предлагаемого изобретения).
При выполнении предполетной подготовки на летательном аппарате, не эксплуатировавшемся в течение длительного периода, проводится продувка надтопливного пространства с помощью наземного источника азота, для подключения которого служит штуцер 17. Наземный источник азота может также подключаться в случае необходимости обеспечения взрывобезопасности при сливе топлива с летательного аппарата. Обратный клапан 18 препятствует попаданию в ВРУ 2 топлива и азота, подаваемого из наземного источника.
Проверка работоспособности ВРУ 2 в наземных условиях при неработающих двигателях осуществляется с помощью наземного источника сжатого воздуха, который подключается через штуцер 19. Обратный клапан 20 предназначен для обеспечения подачи воздуха при наземной проверке только в направлении ВРУ 2.
Таким образом, предлагаемая система отличается от аналогов:
отсутствием необходимости регулирования характеристик потока (содержания кислорода, расхода) направляемого в топливные баки нейтрального газа в зависимости от режима полета путем применения нескольких модулей разного типа или устройств, регулирующих расход нейтрального газа, подаваемого в топливные баки летательного аппарата;
способом поддержания взрывобезопасной концентрации кислорода в надтопливном пространстве баков на режиме набора высоты, отличающимся тем, что помимо продува баков нейтральным газом, поддерживается такое избыточное давление, при котором выделения кислорода, растворенного в топливе, не происходит или оно минимально;
применимостью для маневренных летательных аппаратов;
простотой конструкции.
Техническим результатом является уменьшение количества агрегатов системы наддува топливных баков нейтральным газом, упрощение конструкции и, следовательно, снижение ее объема и веса, а также повышение эксплуатационной технологичности и надежности системы и летательного аппарата.