СИСТЕМА НЕЙТРАЛЬНОГО ГАЗА ПАССАЖИРСКОГО САМОЛЕТА
PASSENGER AIRCRAFT NEUTRAL GAS SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к авиационной технике и предназначено для использования в пассажирских самолетах в системе нейтрального газа (СНГ), состоящей из подсистемы генерирования нейтрального газа, подсистемы распределения нейтрального газа (НГ) и подсистемы контроля и управления СНГ. Система нейтрального газа обеспечивает защиту топливных баков от возгорания и взрыва паров топлива в надтопливном пространстве во всем диапазоне высот и скоростей эксплуатации самолета за счет выработки и последующей подачи воздушной смеси, обогащенной азотом, в топливные баки. Воздушная смесь с высокой концентрацией азота (от 90% до 99%) и низким содержанием кислорода (ниже 12%) является нейтральным газом, при котором не поддерживается реакция горения.
Уровень техники
Известен генератор для создания инертной технологической среды (патент РФ за №2223138 от 10 февраля 2004 г.), в газоразделительном блоке которого установлены газоразделители с полупроницаемыми половолоконными или плоскими полимерными мембранами. Генератор обеспечивает выработку воздушной смеси с повышенным содержанием азота.
Известна система газоразделения и газораспределения самолета (патент РФ за №2284283 от 27 сентября 2006 г.), содержащая генератор азота, соединенный входной магистралью с системой кондиционирования, а выходной магистралью подачи воздуха, обогащенного азотом, генератор связан с системой наддува топливных баков.
Известна бортовая система нейтрального газа самолета с системой управления газовыми потоками (патент США №7509968 от 31 марта 2009 г.), в которой управляющий воздушным потоком клапан регулируется в соответствии с изменением концентрации кислорода, содержащегося в надтопливном пространстве топливного бака. Обработка данных, получаемых с помощью датчиков давления и температуры, а также управление клапаном осуществляется с помощью встроенного контроллера. Известна система нейтрального газа самолета (патент США №6491739 от 10 декабря 2002 г.), которая, по количеству и содержанию функционально сходных признаков, выбрана в качестве прототипа. В прототипе в модуле разделения газов используется клапан быстрого старта для подогрева блока разделения воздуха и обеспечения наиболее эффективного режима работы в оптимальном диапазоне температуры внутри этого блока независимо от температуры внешней окружающей среды.
Подсистема контроля и управления системы нейтрального газа прототипа содержит блок мониторинга, контролирующий критически важные рабочие параметры, получаемые от трех датчиков давления, одного датчика кислорода и одного датчика температуры, и передает их в основной бортовой компьютер самолета для анализа и формирования команд управления соответствующими клапанами, которые передаются, как и входные сигналы, через коммуникационное интерфейсное устройство. Оно включает 5 аналоговых каналов связи, передающих данные от трех датчиков давления, датчика кислорода, датчика температуры, и 1 канал связи, передающий сигналы о сбоях и ошибках, а также 2 канала связи, передающих команды управления на регулируемые краны. Каждый сигнал передается по одной отдельной линии связи.
Система нейтрального газа прототипа не обеспечивает надежность и безопасность полета, так как подсистема контроля и управления не имеет технических средств резервирования. Технический отказ может привести к сбоям в работе, выходу из строя системы нейтрального газа и, как результат, к аварийным или катастрофическим последствиям.
Сущность изобретения
Целью изобретения является обеспечение бесперебойной работы системы нейтрального газа и безопасности полетов пассажирских самолетов.
Указанная цель достигается за счет того, что бортовой компьютер, контролирующий и управляющий системой нейтрального газа, выполнен в виде двух одинаковых и независимых блоков вычислителей-концентраторов, каждый из которых содержит аппаратно идентичные и независимые основной и резервный каналы, взаимодействующие между собой по линии связи. В линии связи, передающие данные от датчиков температуры, датчиков давления, анализатора кислорода, датчиков состояния и положения перекрывного крана и крана регулирования расхода нейтрального газа в бортовой компьютер, контролирующий и управляющий системой нейтрального газа, включены два одинаковых и независимых блока преобразования сигналов, каждый из которых содержит аппаратно идентичные и независимые основной и резервный каналы, взаимодействующие с блоками вычислителями-концентраторами по линии связи. В линии связи, передающие команды управления от бортового компьютера, контролирующего и управляющего системой нейтрального газа, на перекрывной кран и кран регулирования расхода нейтрального газа, включен блок защиты и коммутации, содержащий аппаратно идентичные и независимые основной и резервный каналы, взаимодействующие с блоками вычислителями-концентраторами по линии связи. Линии связи, по которым взаимодействуют блоки вычислители-концентраторы между собой и с блоками преобразования сигналов и блоком защиты и коммутации, выполнены в виде основной и резервной линий связи стандарта ARINC 825. Блоки вычислители-концентраторы, блоки преобразования сигналов и блок защиты и коммутации снабжены встроенными средствами диагностики и контроля, с помощью которых производится обнаружение неисправности в блоках системы и автоматическое переключение на уровне системы неисправного основного канала блока на резервный канал указанного блока и/или неисправного основного блока на резервный блок.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении надежности работы системы нейтрального газа и, как следствие, в повышении безопасности полетов пассажирских самолетов.
Указанный технический результат достигается в предлагаемой системе нейтрального газа пассажирского самолета, состоящей из подсистемы генерирования нейтрального газа, подсистемы распределения нейтрального газа и подсистемы контроля и управления, содержащей модуль разделения воздуха, фильтр тонкой очистки воздуха, перекрывной кран, кран регулирования расхода нейтрального газа, обратные клапаны, датчики температуры, датчики давления, анализатор кислорода, бортовой компьютер, контролирующий и управляющий системой нейтрального газа, линии связи, передающие данные от датчиков температуры, датчиков давления, анализатора кислорода, данные о состоянии и положении перекрывного крана и крана регулирования расхода нейтрального газа в бортовой компьютер, контролирующий и управляющий системой нейтрального газа, линии связи, передающие команды управления от бортового компьютера, контролирующего и управляющего системой нейтрального газа, на перекрывной кран и кран регулирования расхода нейтрального газа, причем бортовой компьютер, контролирующий и управляющий системой нейтрального газа, выполнен в виде двух одинаковых и независимых основного и резервного блоков вычислителей-концентраторов, каждый из которых содержит аппаратно идентичные и независимые основной и резервный каналы, взаимодействующие между собой по линии связи; в линии связи, передающие данные от датчиков температуры, датчиков давления, анализатора кислорода, данные о состоянии и положении перекрывного крана и крана регулирования расхода нейтрального газа в бортовой компьютер, контролирующий и управляющий системой нейтрального газа, включены два одинаковых и независимых блока преобразования сигналов, содержащие аппаратно идентичные и независимые основной и резервный каналы; в линии связи, передающие команды управления от бортового компьютера, контролирующего и управляющего системой нейтрального газа, на перекрывной кран и кран регулирования расхода нейтрального газа, включен блок защиты и коммутации, содержащий аппаратно идентичные и независимые основной и резервный каналы; линии связи, по которым взаимодействуют блоки вычислители-концентраторы с блоками преобразования сигналов и блоком защиты и коммутации, выполнены в виде основной и резервной линий связи.
В варианте осуществления предлагаемого изобретения, в системе нейтрального газа пассажирского самолета блоки вычислители-концентраторы снабжены встроенными средствами диагностики и контроля, с помощью которых обеспечивается обнаружение неисправности блоков системы и автоматическое переключение неисправного основного канала блока на резервный канал указанного блока и/или неисправного основного блока на резервный блок.
В другом варианте осуществления предлагаемой системы нейтрального газа пассажирского самолета, блоки преобразования сигналов снабжены встроенными средствами диагностики и контроля, с помощью которых обеспечивается обнаружение неисправности блоков и автоматическое переключение на уровне системы неисправного основного канала блока на резервный канал этого блока и/или неисправного основного блока на резервный блок.
Еще в одном варианте осуществления предлагаемой системы нейтрального газа пассажирского самолета, блок защиты и коммутации снабжен встроенными средствами диагностики и контроля, которые обеспечивают обнаружение неисправности блока и автоматическое переключение на уровне системы неисправного основного канала блока на резервный канал этого блока.
В другом варианте реализации предлагаемого изобретения, блоки вычислители-концентраторы, взаимодействуют между собой по линии связи стандарта ARINC 825.
Также, еще в одном варианте реализации предлагаемой системы нейтрального газа пассажирского самолета линии связи, по которым взаимодействуют блоки вычислители-концентраторы с блоками преобразования сигналов и блоками защиты и коммутации, выполнены в виде линий связи стандарта ARINC 825.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который иллюстрирует сущность изобретения со ссылками на прилагаемый чертеж (Фигура 1). На фиг. 1 изображена общая блок-схема системы нейтрального газа пассажирского самолета.
Осуществление изобретения
Предлагаемая система нейтрального газа пассажирского самолета (1) (СНГ) (см. фиг. 1) содержит подсистему генерирования нейтрального газа (2), подсистему распределения нейтрального газа (3) и подсистему контроля и управления СНГ (4). Подсистема генерирования нейтрального газа (2) включает в свой состав: перекрывной кран (5) (ПК), фильтр тонкой очистки воздуха (6) (ФТО), конвертор озона (7) (КО), модуль разделения воздуха (8) (МРВ 1, 2, 3), двухпозиционный открывной клапан (ДОК) крана регулирования расхода (КРР) нейтрального газа с положением заслонки, соответствующим малому каналу (9) (МК ДОК КРР), и с положением заслонки, соответствующим большому каналу (10) (БК ДОК КРР), основной обратный клапан (11) (ООК), датчик давления (12) (ДД), анализатор кислорода (13) (АК), датчики температуры (14) и (15) (ДТ1 и ДТ2). Подсистема контроля и управления СНГ 4 включает в свой состав: основной блок вычислитель-концентратор (16) (БВК1-О), резервный блок вычислитель-концентратор (17) (БВК2-Р), основной блок преобразования сигналов (18) (БПС1-О), резервный блок преобразования сигналов (19) (БПС2-Р), блок защиты и коммутации (20) (БЗК1-О), основная и резервная линии связи, соответствующие стандарту ARINC 825, для взаимодействия и информационного обмена (21) между основным (16) и резервным (17) блоками вычислителями-концентраторами, основная и резервная линии связи для взаимодействия и информационного обмена (22) между блоками вычислителями-концентраторами (16), (17) и блоком защиты и коммутации (20), основная и резервная линии связи для взаимодействия и информационного обмена (23) между блоками вычислителями-концентраторами (16), (17) и блоками преобразования сигналов (18), (19). В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения, линии связи для взаимодействия и информационного обмена (22) и (23) выполнены в соответствии со стандартом ARINC 825.
Воздух, выходящий из комплексной системы кондиционирования воздуха (КСКВ) самолета, подается в СНГ на вход перекрывного крана (5). Электромагнитный клапан крана (5) остается закрытым до тех пор, пока не поступит сигнал на открытие из блока защиты и коммутации (20). Кран используется для обеспечения безопасности и для прекращения подачи нейтрального газа в топливные баки в случае возникновения отказов в СНГ.
Далее воздух поступает в фильтр тонкой очистки воздуха (6) для предотвращения загрязнения мембран модуля разделения воздуха (8) от пыли, паров воды и других посторонних веществ, обеспечивая отвод жидкого конденсата, состоящего из фракций воды и аэрозолей, через дренажный канал. Конвертор озона (7) предназначен для обеспечения оптимальной концентрации озона, содержащегося в воздухе, поступающем из КСКВ, для обеспечения эффективной работы модуля разделения воздуха (8). В модуле разделения воздуха (8), состоящем из трех модулей разделения воздуха, выполненных из половолоконных мембран, производится отделение молекул азота и кислорода из воздуха с помощью диффузионных процессов. Обогащенный азотом воздух используется для наддува топливных баков самолета. На выходе модуля разделения воздуха (8) установлен анализатор кислорода (13), который определяет концентрацию кислорода в нейтральном газе. Концентрация кислорода в НГ выявляется с помощью сравнительного анализа с контрольными величинами, заложенными в программное обеспечение работы СНГ. Нейтральный газ подается на двухпозиционный открывной клапан крана регулирования расхода с положением заслонки, соответствующим малому каналу (9) и большому каналу (10) расхода нейтрального газа. Кран используется для управления массовым расходом нейтрального газа, произведенного в модуле разделения воздуха (8). В зависимости от фазы полета выбирается канал с большим или меньшим диаметром отверстия. Это приводит к увеличению или снижению массового расхода нейтрального газа и, как следствие, к изменению концентрации кислорода, содержащегося в нейтральном газе. Для получения информации о режиме работы крана регулирования расхода используются датчики положения заслонки двухпозиционного открывного клапана, подключенные к блокам преобразования сигналов (18) и (19). Основной обратный клапан (11) установлен на выходе крана управления расходом для предотвращения противотока топлива в жидкообразных и парообразных фазах, в то время, когда система нейтрального газа не работает. Пружины этого клапана оттарированы таким образом, чтобы не допустить чрезмерного падения давления нейтрального газа в прямом направлении подачи НГ в топливные баки, и чтобы клапан не открывался в случае обратного тока топлива. Нейтральный газ поступает в подсистему распределения нейтрального газа (ПР НГ) (3), предназначенную для равномерного распределения нейтрального газа в надтопливном пространстве топливных баков при любых условиях эксплуатации самолета. В ее состав входят пламягаситель, дренажный кран, выходные форсунки, обратные клапаны, трубопроводы и крепежные элементы.
Подсистема контроля и управления СНГ (4) предназначена для сбора и обработки данных, поступающих от датчиков системы, для выработки команд управления кранами системы, контроля компонентов СНГ и обеспечения связи с бортовым радиоэлектронным оборудованием (БРЭО), а также для подачи питания на датчики и агрегаты СНГ. Получая сигналы от датчика давления (12), анализатора кислорода (13), датчиков температуры (14) и (15), а также сигналы о положении и состоянии перекрывного крана (5) и крана регулирования расхода (9), (10), подсистема контроля и управления СНГ (4), с помощью входящих в нее основного (16) и резервного (17) блоков вычислителей-концентраторов, основного (18) и резервного (19) блоков преобразования сигналов и блока защиты и коммутации (20), выполняет следующие функции: вычисление температуры воздуха, поступающего из КСКВ, вычисление давления нейтрального газа, концентрации кислорода в НГ, управление расходом НГ, контроль СНГ и техническое обслуживание, взаимодействие с БРЭО. При этом подсистема контроля и управления СНГ решает задачи обнаружения превышения температуры воздуха, поступающего из КСКВ, обнаружения избыточного давления НГ, обнаружения перегрузки по току перекрывного крана и выдачи команды на его закрытие, обнаружения перегрузки по току крана регулирования расходом, реализации алгоритмов работы системы с учетом обнаруженных отказов.
К функциям контроля СНГ и технического обслуживания относятся обнаружение неисправностей и выдача сигналов в бортовую систему технического обслуживания об отказах в подсистеме контроля и управления СНГ, об отказах датчиков температуры, датчиков давления, анализатора кислорода, формирование сигналов об отказах перекрывного крана и крана регулирования расходом нейтрального газа. Подсистема управления и контроля СНГ обеспечивает отключение системы нейтрального газа в случае ее неисправности.
Надежность системы нейтрального газа достигается за счет резервирования работы блоков вычислителей-концентраторов, блоков преобразования сигналов, блока защиты и коммутации, а также линий связи. Встроенные средства диагностики и контроля системы нейтрального газа, размещенные в блоках подсистемы контроля и управления СНГ (4), обнаруживают неисправности в блоках системы, и система автоматически осуществляет переключение неисправного основного канала блока на резервный канал указанного блока и/или неисправного основного блока на резервный блок, а также переключение неисправной линии связи на исправную линию связи. Таким образом, обеспечивается эффективная и надежная работа системы нейтрального газа на всех режимах полета, включая наиболее сложные режимы снижения и посадки самолета. В результате, за счет использования технического решения по заявляемому изобретению достигается безопасность полетов пассажирских самолетов.
Промышленная применимость
Изобретение предназначено для использования в авиационной технике при создании перспективных пассажирских самолетов, обеспечивающих надежность работы систем и безопасность полетов при осуществлении перевозок авиапассажиров в различных условиях.
Все технические средства и их программное обеспечение, применение которых предусмотрено изобретением, разрабатываются, выпускаются и используются как отечественными предприятиями, так и ведущими зарубежными компаниями.
Предусмотренное изобретением взаимодействие средств реализуется в известных процессах различного назначения в области авиастроения. В процессе изготовления всех устройств, входящих в систему нейтрального газа, может быть использовано типовое, стандартное оборудование, известные материалы и комплектующие изделия.