CN112298581A - 一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置和方法，装置包括第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件、第一电磁阀、第二空气发生单元、第二电磁阀和混合阀；第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件和第一电磁阀依次连接；第二空气发生单元与第二电磁阀连接；混合阀具有第一入口、第二入口和出口；第一电磁阀和第二电磁阀的出口分别与混合阀的第一入口和第二入口连接，混合阀的出口与无人机油箱的底部相通。本发明利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱，可以避免飞机携带中空纤维膜空气分离组件，减轻飞机重量，降低发动机高压引气对无人机机动性能的影响。

Description

一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置和方法

技术领域

本发明属于军用无人机油箱防火抑爆领域，涉及一种惰化军用无人机油箱的装置和方法，尤其涉及一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置和方法。

背景技术

飞行安全事故时有发生，并导致机毁人亡的惨剧发生，造成了生命财产的损失，其中飞机油箱燃烧爆炸是飞机失事的主要原因之一。越南战争期间，美国空军数千架飞机坠毁的主要原因是地面小型防空武器袭击造成飞机油箱燃烧爆炸。

研究表明，气相空间氧气浓度高于燃油燃烧所需最低极限氧气浓度(LOC)时，当存在外部点火源，油箱极易发生燃油爆炸，通常对于民用飞机LOC设置为12％，军机设置为9％。因此采用一定方法主动降低油箱气相空间氧气浓度，使其低于燃油燃烧所需LOC，是一种经济有效的油箱防火抑爆方式。油箱惰化是一种经济有效的油箱防爆技术，指的是利用N₂、Halon或CO₂等惰性气体注入油箱，置换出油箱内的氧气，使氧气浓度低于LOC，从而使油箱处于惰化不可燃烧状态。

目前应用最广泛，技术最为成熟的机载中空纤维膜制氮惰化系统(HFM-OBIGGS)需要从发动机引气，对飞机发动机性能产生一定影响。对于军用无人机而言，战场环境瞬息万变，无人机的灵活性和速度成为提高其战场生存能力的关键因素。而减轻无人机重量，提高发动机性能可极大程度上加大无人机的灵活性，提高其飞行速度，因此可利用地面保障设备产生高浓度富氮气体，对无人机油箱进行洗涤惰化，使油箱在地面和飞行状态下仍保持油箱气相空间氧气浓度低于LOC，称之为地面惰化，地面惰化为替代HFM-OBIGGS提供了可能。地面惰化方案取代HFM-OBIGGS进行油箱防火保护，可避免HFM-OBIGGS装机对发动机性能的影响和无人机重量的增加，提高了无人机的生存能力。

但是在给定的飞行包线下，地面洗涤惰化方式并不能完全保证飞行过程中油箱气相空间氧气浓度在可燃极限浓度始终在9％以内，且随着初始氧气浓度的增加和载油率的提高，气相空间氧气浓度超过9％的概率也更大。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置和方法，可以避免飞机携带中空纤维膜空气分离组件，减轻飞机重量，降低发动机高压引气对无人机机动性能的影响，保证飞机安全。

为实现上述目的，本发明提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，具有这样的特征：包括第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件、第一电磁阀、第二空气发生单元、第二电磁阀和混合阀；第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件和第一电磁阀依次连接，空气经第一空气发生单元进入中空纤维膜空气分离组件分离，分离为富氧气体和富氮气体，富氧气体排向大气，富氮气体进入第一电磁阀；第二空气发生单元与第二电磁阀连接，空气经第二空气发生单元产生进入第二电磁阀；混合阀具有第一入口、第二入口和出口；第一电磁阀和第二电磁阀的出口分别与混合阀的第一入口和第二入口连接，混合阀的出口与无人机油箱的底部相通。

进一步，本发明提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，还可以具有这样的特征：还包括气体分布器，设置在油箱底部，通入油箱底部的气体经气体分布器分布进入油箱的燃油中。

进一步，本发明提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，还可以具有这样的特征：还包括单向阀，设置在混合阀与气体分布器之间，混合阀的出口与单向阀的入口连接，单向阀的出口与气体分布器连接。

进一步，本发明提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，还可以具有这样的特征：其中，第一空气发生单元包括依次连接的第一空气过滤干燥器和第一空气压缩机，第一空气压缩机与中空纤维膜空气分离组件连接；第二空气发生单元包括第二空气过滤干燥器和第二空气压缩机，第二空气压缩机与第二电磁阀的入口连接。

进一步，本发明提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，还可以具有这样的特征：还包括中控台、气体氧浓度传感器、气体压力差传感器和气体流量计；气体氧浓度传感器、气体压力差传感器和气体流量计的信号输出端与中控台信号输入端连接；中控台信号输出端分别与第一电磁阀和第二电磁阀信号输入端连接。

本发明还提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的方法，包含以下过程：

当飞机在地面停机时，第二电磁阀关闭，空气经过第一空气发生单元进入中空纤维膜空气分离组件，空气被分离形成富氧气体和富氮气体，其中富氧气体直接排向大气环境，富氮气体依次经过第一电磁阀和混合阀进入油箱对其中的燃油进行洗涤，然后进入油箱气相空间，使气相空间氧浓度降低，最后经油箱通气口排出油箱，当油箱气相空间氧浓度达到设计值时，关闭第一电磁阀；

当飞机准备起飞前，断开中空纤维膜空气分离组件与第一电磁阀的连接，卸载第一空气发生单元和中空纤维膜空气分离组件；

当飞机在爬升和巡航阶段，第二空气发生单元仍然关闭，第二电磁阀未开启；

当飞机开始俯冲下降时开启第二空气发生单元和第二电磁阀，空气经过第二空气发生单元，然后依次经过第二电磁阀和混合阀，进入燃油液体中，空气中的氧气向燃油中溶解，使进入油箱气相空间的空气氧浓度降低，减小油箱气相空间氧浓度的增量，使油箱仍处于惰化不可燃状态，根据油箱气相空间的氧浓度，控制第二电磁阀的开度从而调节进入油箱中燃油的压缩空气质量，使进入油箱的空气质量平衡外界环境进入油箱的空气质量，从而使油箱气相空间氧浓度增量降低，使油箱处于惰化不可燃状态。

本发明还提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的方法，包含以下过程：

当飞机在地面停机时，第二电磁阀关闭，空气经过第一空气过滤干燥器干燥过滤后进入第一空气压缩机进行压缩，增压后的空气进入中空纤维膜空气分离组件，空气被分离形成富氧气体和富氮气体，其中富氧气体直接排向大气环境，富氮气体依次经过第一电磁阀、混合阀第一入口、混合阀出口、单向阀，最后富氮气体通过气体分布器形成许多微小气泡进入油箱对其中的燃油进行洗涤，然后进入油箱气相空间，使气相空间氧浓度降低，最后经油箱通气口排出油箱，油箱经富氮气体洗涤后燃油中和气相空间氧浓度均降低，处于惰化不可燃状态，油箱上部的气体氧浓度传感器检测油箱气相空间氧浓度并将信号传送到中控台，当油箱气相空间氧浓度达到设计值时，中控台通过信号输出控制关闭第一电磁阀；

当飞机准备起飞前，断开中空纤维膜空气分离组件与第一电磁阀的连接，卸载第一空气过滤干燥器、第一空气压缩机和中空纤维膜空气分离组件；

当飞机在爬升和巡航阶段，第二空气压缩机仍然关闭，第二电磁阀未开启；

当飞机开始俯冲下降时开启第二空气压缩机和第二电磁阀，空气经过第二空气干燥过滤器后进入第二空气压缩机内被压缩，然后依次经过第二电磁阀、混合阀第二入口、混合阀出口、单向阀、气体分布器，在气体分布器中压缩空气形成微小气泡进入燃油液体中，空气中的氧气向燃油中溶解，进入油箱气相空间的空气氧浓度降低，减小油箱气相空间氧浓度的增量，使油箱仍处于惰化不可燃状态，气体氧浓度传感器实时监测油箱气相空间的氧浓度，气体压力差传感器实时监测油箱内外气压差，气体流量计实时监测进出油箱的空气质量，上述三种传感器将实时数据传输至中控台，中控台通过信号输出控制第二电磁阀的开度从而调节进入油箱中燃油的压缩空气质量，使由气体分布器进入油箱的空气质量平衡外界环境进入油箱的空气质量，从而使油箱气相空间氧浓度增量降低，使油箱处于惰化不可燃状态。

本发明的有益效果在于：

本申请提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置和方法，利用高压气体由燃油底部通入油箱，利用燃油对气体进行反洗涤以降低进入油箱气相空间的氧气浓度，防止气相空间氧气浓度快速增加，实现油箱惰化要求。

具体的，在军用无人机起飞前利用地面供气系统使用空气压缩机和中空纤维膜空气分离组件制取富氮气体并将其通入油箱对燃油进行洗涤，置换出燃油中溶解的氧气以及气相空间的氧气，使油箱处于惰化防火状态。无人机在俯冲下降时外界大量空气进入油箱使其气相空间氧浓度急剧增大，增加了油箱燃爆的风险，此时利用燃油反洗涤技术，通过机载供气系统中的压缩机将压缩气体通入油箱，由于经地面洗涤后的燃油中溶解氧处于欠饱和状态，因此压缩空气中的氧气向燃油中溶解，使油箱气相空间氧浓度增量减小，油箱仍然处于惰化不可燃状态，同时油箱内外压力达到平衡。

利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱，可以避免飞机携带中空纤维膜空气分离组件，减轻飞机重量，降低发动机高压引气对无人机机动性能的影响。

附图说明

图1是利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱装置的结构示意图；

图2是军用无人机典型飞行包线下未采用燃油反洗涤和采用燃油反洗涤后油箱气相空间氧浓度变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，包括第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件103、第一电磁阀104、第二空气发生单元、第二电磁阀203和混合阀401。

第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件103和第一电磁阀104依次连接，空气经第一空气发生单元进入中空纤维膜空气分离组件103分离，分离为富氧气体和富氮气体，富氧气体排向大气，富氮气体进入第一电磁阀104。

第二空气发生单元与第二电磁阀203连接，空气经第二空气发生单元产生进入第二电磁阀203。

其中，第一空气发生单元包括依次连接的第一空气过滤干燥器101和第一空气压缩机102，第一空气压缩机102与中空纤维膜空气分离组件103连接。

第二空气发生单元包括第二空气过滤干燥器201和第二空气压缩机202，第二空气压缩机202与第二电磁阀203的入口连接。

混合阀401具有第一入口、第二入口和出口。

第一电磁阀104和第二电磁阀203的出口分别与混合阀401的第一入口和第二入口连接，混合阀401的出口与无人机油箱404的底部相通。

装置还包括单向阀402和气体分布器403。

气体分布器403设置在油箱404底部，通入油箱404底部的气体经气体分布器403分布进入油箱404的燃油中。

单向阀402设置在混合阀401与气体分布器403之间，混合阀401的出口与单向阀402的入口连接，单向阀402的出口与气体分布器403连接。

装置还包括中控台301、气体氧浓度传感器302、气体压力差传感器303和气体流量计304。

气体氧浓度传感器302、气体压力差传感器303和气体流量计304的信号输出端与中控台301信号输入端连接。

中控台301信号输出端分别与第一电磁阀104和第二电磁阀203信号输入端连接。

本发明还提供一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的方法，包含以下过程：

当飞机在地面停机时，第二电磁阀203关闭，空气经过第一空气过滤干燥器101干燥过滤后进入第一空气压缩机102进行压缩，增压后的空气进入中空纤维膜空气分离组件103，空气被分离形成富氧气体和富氮气体，其中富氧气体直接排向大气环境，富氮气体依次经过第一电磁阀104、混合阀401第一入口、混合阀401出口、单向阀402，最后富氮气体通过气体分布器403形成许多微小气泡进入油箱404对其中的燃油进行洗涤。燃油中溶解的氧气向气泡中转移，使燃油中溶解的氧浓度降低；同时富氮气体洗涤燃油然后进入油箱404气相空间，使气相空间氧浓度降低，最后经油箱404通气口排出油箱404。油箱404经富氮气体洗涤后燃油中和气相空间氧浓度均降低，处于惰化不可燃状态。

油箱404上部的气体氧浓度传感器302检测油箱404气相空间氧浓度并将信号传送到中控台301。当油箱404气相空间氧浓度达到设计值时，中控台301通过信号输出控制关闭第一电磁阀104。其中，设计值远小于LOC，根据实际需求确定。

当飞机准备起飞前，断开中空纤维膜空气分离组件103与第一电磁阀104的连接，卸载第一空气过滤干燥器101、第一空气压缩机102和中空纤维膜空气分离组件103。

当飞机在爬升和巡航阶段，由于油中随着燃油的消耗只有少量空气进入油箱404气相空间，因此油箱404气相空间氧浓度值增长缓慢，油箱404仍处于惰化不可燃状态。此时第二空气压缩机202仍然关闭，第二电磁阀203未开启。

当飞机在俯冲下降阶段，随着外界环境压力的急剧增大，大量空气进入油箱404气相空间，油箱404气相空间氧浓度也急剧增大。当飞机开始俯冲下降时开启第二空气压缩机202和第二电磁阀203，空气经过第二空气干燥过滤器后进入第二空气压缩机202内被压缩，然后依次经过第二电磁阀203、混合阀401第二入口、混合阀401出口、单向阀402、气体分布器403，在气体分布器403中压缩空气形成微小气泡进入燃油液体中。由于经过地面富氮气体洗涤后燃油处于溶解氧欠饱和状态，因此空气中的氧气向燃油中溶解，使进入油箱404气相空间的空气氧浓度降低，可以减小油箱404气相空间氧浓度的增量，使油箱404仍处于惰化不可燃状态。

气体氧浓度传感器302实时监测油箱404气相空间的氧浓度，气体压力差传感器303实时监测油箱404内外气压差，气体流量计304实时监测进出油箱404的空气质量，上述三种传感器将实时数据传输至中控台301。中控台301通过信号输出控制第二电磁阀203的开度从而调节进入油箱404中燃油的压缩空气质量，使由气体分布器403进入油箱404的空气质量平衡外界环境进入油箱404的空气质量，从而使油箱404气相空间氧浓度增量降低，使油箱404处于惰化不可燃状态。

图2是军用无人机典型飞行包线下未采用燃油反洗涤和采用燃油反洗涤后油箱气相空间氧浓度变化曲线图。无人机油箱在地面被洗涤惰化到气相氧浓度3％。由计算结果可知，采用燃油反洗涤的军用无人机在飞机包线下油箱气相空间氧浓度始终低于9％，油箱处于惰化不可燃状态，而未采用燃油反洗涤的军用无人机在飞行俯冲下降阶段油箱气相空间氧浓度超过9％，油箱处于可燃状态。

Claims (7)

1.一种利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，其特征在于：

包括第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件、第一电磁阀、第二空气发生单元、第二电磁阀和混合阀；

第一空气发生单元、中空纤维膜空气分离组件和第一电磁阀依次连接，空气经第一空气发生单元进入中空纤维膜空气分离组件分离，分离为富氧气体和富氮气体，富氧气体排向大气，富氮气体进入第一电磁阀；

第二空气发生单元与第二电磁阀连接，空气经第二空气发生单元产生进入第二电磁阀；

混合阀具有第一入口、第二入口和出口；

第一电磁阀和第二电磁阀的出口分别与混合阀的第一入口和第二入口连接，混合阀的出口与无人机油箱的底部相通。

2.根据权利要求1所述的利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，其特征在于：

还包括气体分布器，设置在油箱底部，通入油箱底部的气体经气体分布器分布进入油箱的燃油中。

3.根据权利要求2所述的利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，其特征在于：

还包括单向阀，设置在所述混合阀与气体分布器之间，混合阀的出口与单向阀的入口连接，单向阀的出口与气体分布器连接。

4.根据权利要求3所述的利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，其特征在于：

其中，所述第一空气发生单元包括依次连接的第一空气过滤干燥器和第一空气压缩机，第一空气压缩机与所述中空纤维膜空气分离组件连接；

所述第二空气发生单元包括第二空气过滤干燥器和第二空气压缩机，第二空气压缩机与所述第二电磁阀的入口连接。

5.根据权利要求4所述的利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的装置，其特征在于：

还包括中控台、气体氧浓度传感器、气体压力差传感器和气体流量计；

气体氧浓度传感器、气体压力差传感器和气体流量计的信号输出端与中控台信号输入端连接；

中控台信号输出端分别与第一电磁阀和第二电磁阀信号输入端连接。

6.如权利要求1所述的利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的方法，其特征在于：

包含以下过程：

当飞机在地面停机时，所述第二电磁阀关闭，空气经过第一空气发生单元进入中空纤维膜空气分离组件，空气被分离形成富氧气体和富氮气体，其中富氧气体直接排向大气环境，富氮气体依次经过第一电磁阀和混合阀进入油箱对其中的燃油进行洗涤，然后进入油箱气相空间，使气相空间氧浓度降低，最后经油箱通气口排出油箱，当油箱气相空间氧浓度达到设计值时，关闭第一电磁阀；

当飞机准备起飞前，断开中空纤维膜空气分离组件与第一电磁阀的连接，卸载第一空气发生单元和中空纤维膜空气分离组件；

当飞机在爬升和巡航阶段，第二空气发生单元仍然关闭，第二电磁阀未开启；

当飞机开始俯冲下降时开启第二空气发生单元和第二电磁阀，空气经过第二空气发生单元，然后依次经过第二电磁阀和混合阀，进入燃油液体中，空气中的氧气向燃油中溶解，使进入油箱气相空间的空气氧浓度降低，减小油箱气相空间氧浓度的增量，使油箱仍处于惰化不可燃状态，根据油箱气相空间的氧浓度，控制第二电磁阀的开度从而调节进入油箱中燃油的压缩空气质量，使进入油箱的空气质量平衡外界环境进入油箱的空气质量，从而使油箱气相空间氧浓度增量降低，使油箱处于惰化不可燃状态。

7.如权利要求5所述的利用燃油反洗涤惰化军用无人机油箱的方法，其特征在于：

包含以下过程：

当飞机在地面停机时，所述第二电磁阀关闭，空气经过第一空气过滤干燥器干燥过滤后进入第一空气压缩机进行压缩，增压后的空气进入中空纤维膜空气分离组件，空气被分离形成富氧气体和富氮气体，其中富氧气体直接排向大气环境，富氮气体依次经过第一电磁阀、混合阀第一入口、混合阀出口、单向阀，最后富氮气体通过气体分布器形成许多微小气泡进入油箱对其中的燃油进行洗涤，然后进入油箱气相空间，使气相空间氧浓度降低，最后经油箱通气口排出油箱，油箱经富氮气体洗涤后燃油中和气相空间氧浓度均降低，处于惰化不可燃状态，油箱上部的气体氧浓度传感器检测油箱气相空间氧浓度并将信号传送到中控台，当油箱气相空间氧浓度达到设计值时，中控台通过信号输出控制关闭第一电磁阀；

当飞机准备起飞前，断开中空纤维膜空气分离组件与第一电磁阀的连接，卸载第一空气过滤干燥器、第一空气压缩机和中空纤维膜空气分离组件；

当飞机在爬升和巡航阶段，第二空气压缩机仍然关闭，第二电磁阀未开启；

当飞机开始俯冲下降时开启第二空气压缩机和第二电磁阀，空气经过第二空气干燥过滤器后进入第二空气压缩机内被压缩，然后依次经过第二电磁阀、混合阀第二入口、混合阀出口、单向阀、气体分布器，在气体分布器中压缩空气形成微小气泡进入燃油液体中，空气中的氧气向燃油中溶解，进入油箱气相空间的空气氧浓度降低，减小油箱气相空间氧浓度的增量，使油箱仍处于惰化不可燃状态，气体氧浓度传感器实时监测油箱气相空间的氧浓度，气体压力差传感器实时监测油箱内外气压差，气体流量计实时监测进出油箱的空气质量，上述三种传感器将实时数据传输至中控台，中控台通过信号输出控制第二电磁阀的开度从而调节进入油箱中燃油的压缩空气质量，使由气体分布器进入油箱的空气质量平衡外界环境进入油箱的空气质量，从而使油箱气相空间氧浓度增量降低，使油箱处于惰化不可燃状态。

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