一种民航应急化学氧气发生器轻量化设计.pdf

-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期航空航天民用航空客机的巡航高度通常在 7 600 12 000m，飞机主要靠增压系统维持机舱内的气压在海拔 2 400m 左右的水平。飞机在座舱失压的紧急情况下，舱内压力迅速降低，飞机需要应急下降，此时需要通过旅客氧气系统对旅客和乘务员提供应急供氧，以保护飞机和乘员。民航旅客救生应急供氧系统见图 1。在飞机座舱增压失效的情况下，应急救生供氧系统服务组件面板作为一种安全保障措施会自动打开，氧气面罩会自动放出，当使用者用力拉动面罩后，释放绳就会把氧气发生器上的释放销拔出，氧气发生器的启动装置被触发，向机上客舱中的旅客、乘务员、盥洗室人员等提供氧气，使用者将面罩戴在口鼻处即可进行正常呼吸供氧。目前国内外民用飞机一般选用固体化学氧气发生器为旅客等机上人员提供应急呼吸用氧，安装于客舱内广大乘客头顶上方、卫生间上方和乘务员座椅上方。民航飞机客舱应急救生化学氧气发生器是应急救生供氧系统的关键零部件，我国现役外国品牌民航飞机和国产民机所需的化学氧产品全部依赖进口。常见的民航化学氧气发生器有 12min，15min 和 22min 三种。一般而言，12min 或15min 的化学氧已能满足大部分航线要求，22min 可以满足大部分中亚航线和南美航线。目前国内正在商业运营的国产客机有 3 款，分别是C919、ARJ21和新舟60。新舟60和ARJ21作为支线客机，座级分别为 60 座级和 90 座级。C919 作为喷气式干线客机，有 158 座、168 座和 174 座三种客舱布局。将来的 C929国产大飞机为 280 座级。根据机型大小座位布局不同，单个化学氧气发生器可供 2 人/3 人/4 人使用，每架客机上配备的化学氧气发生器数量大约在 30 300 件。国家积极支持国产民机研究制造，提升民机零部件国产化率。突破机用应急救生氧气发生器关键技术，研制应急救生化学氧气发生器，有助于打破国外对民机化学氧的技术垄断和控制。飞机燃油成本约占航空运输成本的 1/3，机载设备轻量化可减轻飞机重量，降低运营成本，化学氧气发生器作为机载设备一种，轻量化研究具有重要意义。原理化学氧气发生器工作原理为利用氯酸钠分解产生氧气，主要化学反应方程式如下：热量+23322ONaClNaClO化学氧气发生器主要结构见图2，由点火启动机构、壳体、行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度本文针对民航飞机应急救生使用的化学氧气发生器，提出4 条轻量化减重措施。对支持国产民机机载设备制造，提升民航飞机零部件国产化率起到促进作用。如付诸现实将产生单一型号产品未来 20 年总产值预计为 9 100 万元，年均产值约 455 万元的经济效益。（仅以新舟 700 为例，未来 20 年国内市场预计将新增 1 000 架涡桨飞机需求，国际市场需求约为 2 500 架，新舟 700市场目标为至少占据全球涡桨飞机市场的 1/3。一架新舟 700预计应急救生化学氧气发生器需求量为 30 套，未来 20 年总的需求量为 35 000 套。国产化学氧产品按照国外进口产品 70%报价，一套氧气发生器售价预计为 2 600 元，未来 20 年总产值预计为 9 100 万元，年均产值约 455 万元。）一种民航应急化学氧气发生器轻量化设计张 毅 王梦蕾 武 迪 薛海龙张 毅1，2，3 王梦蕾1，3 武 迪2，3 薛海龙1，31.湖北航天化学技术研究所2.湖北航鹏化学动力科技有限责任公司3.应急救生与安全防护湖北省重点实验室张毅（1986），硕士，高级工程师，研究方向：固体化学氧气发生器（氧烛）技术研究及产品开发。基金项目：湖北省重点研发计划项目“国产飞机用应急救生化学氧气发生器”（2022BID005）。中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-36-航空航天点火药、产氧药柱、保温隔热材料、过滤药、泄压阀和出气嘴等组成。座舱失压或在需要供氧时，机上人员拉动氧气面罩，带动化学氧气发生器内启动机构工作，点燃点火药，引燃产氧药柱发生燃烧化学反应分解产生氧气，经过滤净化后供人体呼吸使用。产氧药柱和过滤药等化学药剂的重量占整个发生器重量的 60%左右，其余金属零部件及保温隔热材料的重量占 40%左右。要想实现发生器的轻量化设计，主要有以下途径：减轻化学药剂的重量；加强对发生器隔热机理和结构的探索，减轻隔热层的重量；在保证安全性能条件下，使用轻质金属，减少金属壳体厚度，减轻金属件的重量。设计与试验点火启动机构点火启动机构的作用是在座舱失压或在需要供氧时，机上人员拉动氧气面罩，带动化学氧气发生器内启动机构触发提供初始点火能量。工作过程为人员拔掉点火拉索，撞针在弹簧作用下撞击点火底座中的火帽，火帽产生火焰，点燃药柱组件中的点火药。点火启动机构关系到整个化学氧气发生器的工作可靠性，民航化学氧气发生器采用机械拉销式撞击击发点火，主要有拉销、撞针、弹簧、点火底座及连接机构，这种击发方式简单、零部件少、可靠性较高。连接机构的方式也决定了组件的重量，现常用两种连接方式，一种是螺纹连接，一种是铆接连接，见图 3。螺纹连接采用的盖帽和点火底座均带有螺纹，需要一定的重合高度，保证螺纹的连接强度，增加了盖帽和点火底座的长度，也增加了零部件的壁厚和重量。铆接连接是点火底座、O 型圈、壳体装配在一起后，装上卡圈，卡圈和点火底座铆接连接，再将撞针、弹簧、盖帽、卡销装配好后整体盖在点火底座上，盖帽采用铝合金材质，容易发生形变，用铆接工装钳夹紧盖帽凹陷处，使得盖帽能铆在点火底座上。同时，铆接连接方式中，点火底座选择采用带 O 型圈沟槽的，避免了使用支撑套管这一零件，减少了零件数量。图 3 中左图螺纹连接采用的弹簧弹性系数为 6.51N/mm，右图铆接连接采用的弹簧弹性系数 8.35N/mm。对同一种火帽而言，需要的击发能一定，右图需要的弹簧的压缩量就越小，弹簧总高度可以相应减少，与此同时，撞针和压帽的总高度也相应减少，重量也随之减少。总之，铆接连接方式比螺纹连接结构要轻 10g 左右，同时铆接连接方式也让化学氧气发生器的总高度尺寸减小，符合航空产品小型轻量化的需求。产氧药柱产氧药柱是化学氧气发生器的核心，其重量在整个化学氧气发生器的重量上占比达到了 55%左右，在满足产氧流量指标的前提下，对产氧药柱进行减重意义重大。产氧药柱由氯酸盐、金属粉、催化剂等粉末混合均匀后用油压机压制成型。产氧药柱的燃烧是基于氯酸盐的分解反应和金属燃料的氧化反应两个化学反应进行的。化学产氧药柱理论上按端面燃烧产氧，发生器单位时间内的产氧量同产氧药柱截面积和药柱直线燃速有关，截面积越大、燃速越快，单位时间内燃烧放出的氧气量越大。一旦民机空中遇到客舱失压，乘客的感受主要是呼吸困难，极度寒冷，此时机组的处理方式是：一、放下应急呼吸氧气面罩，让乘客可以保证最基本的呼吸需求；二、迅速降低高度到 3 000m 或者更低，保证机舱内温度，并使乘客可顺利呼吸；三、择近降落，排除故障。因此，民航化学氧气发生器的工作产氧流量并不是保持恒定不变的，而是随飞机下降飞行剖面曲线一致。以最常用的 3 人 15 分钟化学氧气发生器为例，氧气需求流量随时间变化见图 4，化学氧气发生器起始供氧量较大，再随高图 3 螺纹连接方式和铆接连接方式图 2 化学氧气发生器结构示意图图 1 民航旅客救生供氧系统示意图-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024中国科技信息 2024 年第 2 期航空航天度下降逐步减小，中间一段时间保持恒定较低水平。根据供氧流量技术指标，将产氧药柱设计成一定形状，利用产氧药柱燃烧面积和产氧药柱配方燃速控制产氧量。产氧药柱采用压制成型，因为有产氧时间的要求，药柱需缓慢燃烧产氧，药柱所需长度尺寸也较长。药柱长径比越大，成型加工越困难。一般将产氧药柱设计成锥台形，见图5，从药柱直径较大的一端开始燃烧产氧，一方面方便药柱脱模成型，一方面利用药柱燃烧面积控制产氧量，满足起始大流量和后段低流量的供氧需求。锥台形药柱截面也能够减小冗余设计，降低一部分药柱重量。从供氧流量指标曲线可以看出，在起始一分钟，化学氧气发生器供氧流量最高，随后第 2 5min 共四分钟流量快速下降，第 5 12min 共七分钟保持平稳恒定低流量，最后三分钟流量逐渐降至 0。在药柱成型工艺允许和不影响药柱在发生器内部的结构稳定性情况下，尝试设计开发多段变径药柱，见图 6。药柱第 I 段圆柱状大直径与指标起始大流量相匹配，药柱第 II 段锥台状大变径与 2 5min 流量快速下降相匹配，药柱第 III 段圆柱状小直径与指标 5 12min 平稳恒定低流量相匹配，最后药柱第 IV 段锥台状小变径与最后三分钟流量逐渐降至 0 相匹配。与图 5 直锥锥台形产氧药柱相比，多段变径药柱在满足供氧流量指标的前提下，可削减一定的药柱体积，进一步减少相应的药柱重量。经计算，在头尾直径一样的情况下，多段变径药柱相比直锥锥台形药柱减少体积约 9cm3，可减少重量约 20g。过滤药应急救生化学氧气发生器在产氧的同时会产生微量的有毒有害气体，成分主要包括一氧化碳、二氧化碳、氯气等，图 6 多段变径药柱设计示意图以及微量固体颗粒物和纤维物，必须利用过滤药剂净化去除，确保提供的氧气满足人体生理要求。气体净化从减少有毒有害气体产生和提高净化效率两方面开展工作，同时改进过滤结构，使得固体颗粒物和纤维物达到指标要求。发生器工作初期，引燃药和产氧药柱燃速最快，有毒有害气体主要产生在此段时期，此时气体吸收剂或催化剂的温度基本等同于环境温度，与有毒有害气体反应需要活化能和一定的时间。发生器工作初期，气体流量比较大，气体吸收剂或催化剂此时可能来不及反应；发生器工作后期随着反应温度的上升，过滤药的活性相对较高，同时气体流量相对较低，气体和过滤药能充分反应。因此，发生器工作初期产生的有毒有害气体过滤难度最大，要使整个反应过程的气体成分达标，必须使发生器工作初期的气体成分达标。通过调整原材料的纯度，从根本上减少物料的含碳量，可以减少一氧化碳和二氧化碳的含量。通过调整引燃药配方，使得反应产生的一氧化碳和氯气含量减少。当有害气体的含量减少，所需过滤药的量就会减少。由于化学氧发生器工作初期的产气速度较快，气体和过滤药接触时间有限，要保证气体纯度必定增大过滤药的重量。需设计合适的结构，使得气体能和过滤药充分接触。过滤药托碗结构设计见图 7，在同等药量的情况下，锥台形托碗结构（左边）的气体路径明显长于平托碗结构（右边），气体路径越长，在流速相同的情况下，气体和过滤药接触越充分，锥台形托碗相对于平托碗在结构上更节省过滤药的药量。在调整药柱配方的基础上，杂质气体仅为少量一氧化碳，选用一氧化碳催化剂霍加拉特过滤。由于制作工艺的不同，相应的比表面积、空速比、微孔分布的不同，导致不同霍加拉特剂的催化效果不同。通过对不同型号的霍加拉特剂进行试验，选出合适种类和重量的催化剂，确保一氧化碳的气体成分达标。气体净化同霍加拉特吸附剂吸附能力息息相关，选择合适的霍加拉特吸附剂后，改变吸附剂状态以增加吸附面积、通过高温活化处理降低吸附剂中毒，可提高吸附剂吸附效率，减少吸附剂用量。综合锥台形托碗结构和吸附剂的选型及处理可以使过滤药及零部件减轻 10g 左右。保温隔热结构化学氧气发生器的保温隔热结构能够维持产氧药柱燃烧所需要的能量，同时保证发生器的壳体表面温度上升有限，起到隔热的作用。要减少保温隔热结构的重量，可以从以下途径解决：降低产氧药柱放热量、使用轻质导热系数低的保温隔热材料，设计适宜的隔热结构。图 5 锥台形产氧药柱设计示意图图 4 某 3 人 15 分钟民航化学氧气发生器供氧流量指标图中国科技信息 2024 年第 2 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2024-38-航空航天产氧药柱主要包括氯酸盐、金属粉和催化剂等组分，氯酸盐是产氧物质，需要吸收热量进行产氧化学反应，金属粉燃烧提供氯酸盐产氧需要的热量，催化剂可以降低氯酸盐分解温度。提高金属粉燃烧效率和利用率、采用高效催化剂可降低民航化学氧产品放热量，降低民航固氧产品壳体温度。试验证明，采用微米级超细金属粉，可明显提高金属粉燃烧效率和热量利用率，可降低金属粉用量 20%30%，壳体温度下降 20左右。产氧药柱燃烧温度高，化学氧气发生器产生的氧气供人呼吸用，隔热材料在使用过程中不能产生杂质气体，满足使用条件的材料较少，通常在化学氧气发生器内部选择使用膨胀蛭石、硅酸铝纤维棉、二氧化硅气凝胶毡等保温隔热材料，性能见表 1。二氧化硅气凝胶毡容易掉粉，微小的颗粒物容易随气流流出，对气体成分不利。硅酸铝纤维棉可以作为药柱包覆材料，既能起到固定药柱残渣的作用，又能起到隔热作用。药柱和壳体之间有比较大的空间，可以填充隔热材料。在发生器工作初期，壳体的表面温度和气流温度比较低，对流的作用不明显。发生器工作中后期，壳体表面温度可能上升到100以上，空气的导热系数迅速上升到0.88 W/（m K）左右，此时空气的隔热效果微乎其微，为减少对流作用，同时减少热辐射，可在筒体内部靠近药柱的部分增加一圈金属箔。综合以上情况以及使用环境对壳体温度的要求，无论选择何种材料作为隔热材料均有一定的重量，在使用部分保温隔热材料满足药柱保温的需求后，药柱组件与发生器壳体之间不填充任何隔热材料，可减轻一部分重量。综合以上各种措施，可使得保温隔热结构减重约 20g。表 1 常用保温隔热材料性能名称导热系数密度二氧化硅气凝胶0.0130.016W/（mK）0.10.6g/cm3硅酸铝纤维棉0.020.04W/（mK）0.080.15g/cm3膨胀蛭石0.0470.08W/（mK）0.050.2g/cm3空气0.0230.88W/（mK）0.001 29 g/cm3结语发生器的点火启动机构采用铆接连接方式，相对螺纹连接方式既减重又减小尺寸，点火机构应尽量减少零件数目。产氧药柱设计成多段变径形状，使得化学氧气发生器的产氧流量符合飞机飞行下降剖面，也可达到减重目的。优化引燃药和产氧药柱配方以减少有毒有害气体产生，设计锥台形托碗结构，加强吸附剂的选型及处理，可有效提高过滤药吸附效率，减少过滤药使用量。合理设计产氧药柱配方，产生热量少，并采取多种隔热材料方式并用，隔热组件的重量也随之减少。通过以上一系列的轻量化设计措施，单发民航飞机固体化学氧气发生器重量可减轻 60g 左右，单个民航飞机化学氧气发生器总重量约为 600g，可减重 10%。每架客机上配备的化学氧气发生器数量在几十件到几百件，可有效减轻飞机重量，降低运营成本，促进提升民航飞机零部件国产化率。图 7 过滤药锥台形托碗和平托碗对比示意图