直升机舱室一氧化碳适航符合性验证

何 杰，徐 海,傅春晖,许宁鑫

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；2.中国民用航空沈阳航空器适航审定中心，辽宁 沈阳 110299)

0 引言

一氧化碳是一种无色、无味的窒息性气体，不易被察觉，可能在不知不觉中影响人体神经系统[1-2]。飞机也存在一氧化碳污染座舱的问题，不仅影响机组人员及乘客的健康，而且会降低机组人员的操作能力[3]。当前民用直升机大多采用燃油发动机提供动力,发动机会排放含有一氧化碳的尾气[4]。直升机舱室加温主要通过发动机引气实现，加温过程可能使一氧化碳进入舱室，引起人体神经行为功能的改变[5]。因此，对直升机舱室一氧化碳浓度进行分析是非常重要的。适航规章中对直升机舱室的通风做出了明确要求。

1 条款要求

CCAR29部R2中29.831对直升机舱室一氧化碳的要求[6]如下：

(a)每个客舱和机组舱必须通风，每个机组舱必须有足够的新鲜空气(每名机组成员每分钟不得少于283升)，以使机组成员在执勤时不致过度不适和疲劳。

(b)机组舱和客舱的空气不得含有达到有害或危险浓度的气体和蒸汽。

(c)在前飞时，舱内空气中的一氧化碳浓度不得超过二万分之一。如果在其他情况下超过了这个值，则必须有相应的使用限制。

(d)必须有措施保证在通风、加温或其他系统或设备出现任何合理而可能的故障时，仍能满足本条(b)和(c)的要求。

目前飞机引气污染很难通过分析或仿真方法进行有效评估[7]。为了验证直升机前飞时舱内的一氧化碳水平是否满足条款要求，最直接有效的验证方法是飞行试验验证，需要开展直升机环控系统一氧化碳浓度试飞，以验证条款符合性。

2 设计原理

直升机环控系统主要为直升机提供通风、加温、制冷、除雾等功能，为机上人员和设备提供适宜的舱内环境。其中，通风通过风扇抽吸内循环空气或外循环空气实现；加温是以发动机引气作为热源，对内循环和/或外循环空气加热到适宜温度后分配到舱室(图1)。

图1 环控工作原理示意图

3 试验分析

3.1 一氧化碳来源分析

传统构型直升机大多采用涡轴发动机作为动力，燃料为航空燃油。以某型民用直升机为例，燃油燃烧不充分会产生一氧化碳，随发动机尾气排放到空气中。不同送风形式对舱内空气的污染影响程度不同[8]。直升机舱室一氧化碳的来源可能有三方面：第一，排放到空气中的发动机尾气通过直升机舱室结构的缝隙进入舱室；第二，受旋翼下洗气流影响，发动机排放到空气中的尾气，可能通过发动机进气口再次被吸入发动机，通过环控引气进入舱室；第三，受旋翼下洗气流以及大气环境风向影响，排放到空气中的尾气可能通过环控进气口被吸入舱室，如图2所示。

环控系统工作时，会向舱室输入空气，舱内空气压力大于舱外空气压力，所以发动机尾气通过直升机结构缝隙进入舱室的可能性很小。故舱内一氧化碳主要来源于环控系统，包括前文提到的环控引气和环控进气口进入的发动机尾气，需要通过飞行试验评估直升机前飞时的舱内一氧化碳浓度水平。

图2 直升机尾气可能流向

3.2 测试项目分析

按照AC-29-2C Certification of Normal Category Rotorcraft[9]要求，在正常工作条件下应对客舱和机组成员舱内的一氧化碳进行监测，通常用一氧化碳测试仪进行这种评定，3.4节中对舱内测点进行了说明，并对窗户开与关、加温开与关、内外循环开与关、内/外循环空气量大小等不同组合进行检测，以保证所有的情况都经过评定。

针对直升机前飞时舱内一氧化碳浓度严酷程度进行以下分析：

1) 对于窗户，窗户“关”状态更严酷，因为窗户“开”状态，外界新鲜空气会进入舱室；

2) 对于加温，加温“开”状态更严酷，因为加温工作时，发动机引气会进入舱室，测试时，应考虑舱内外温度有较大差异；

3) 对于内循环或外循环工作模式，均需要考虑，因为均存在一氧化碳来源；

4) 对于内外循环空气气量大小，小风量工作状态更严酷；

5) 对于故障情况，可通过关闭环控系统来模拟故障，包含单个舱室或多个舱室情况。

综上，直升机舱室一氧化碳浓度测定，除满足规章中规定的前飞以外，需考虑门窗关闭、环控加温工作、内/外循环工作模式、最小内/外循环空气量等要求。

另外，坦克舱室人体可耐受70 ppm的一氧化碳时间限制为60 min[10]，结合直升机有起飞、爬升、平飞(或悬停)、下降、着陆等任务剖面，直升机存在长时间悬停作业的情况，因此增加直升机悬停状态的一氧化碳情况。

3.3 单个项目测试时间分析

按照理论分析，每一种测试项目的稳定工作时间越长越好，但是也需要对直升机单架次运行时间、试飞代价等因素进行综合考虑。根据环控加温工作原理，舱内初始空气会被环控系统送入舱室的混合空气不断稀释。其中内循环模式时送入舱室的空气为发动机引气和内循环空气的混合空气；而外循环模式时提供的是发动机引气和外循环空气的混合空气。以单个舱室环控内循环工作为例进行估算，如图3示意，内循环工作时最大引气输送量与单个舱室风扇最低吸风量相同,经计算得到，每经过约40 s，舱室空气会被完全更换一次。舱内初始空气浓度随内循环工作时间的变化如图4所示。

图3 内循环模式空气流动示意

根据图4计算结果可知，环控内循环工作大约300 s(5 min)后，初始舱内空气已接近于0，测试时不同项目稳定工作不小于10 min，可以消除不同测试项目之间的累加影响。

图4 内循环工作时初始舱内空气浓度的变化

3.4 测点及温度环境分析

为了实现发动机引气达到全开状态，推荐舱内外初始温度低于5 ℃，舱内目标加温温度高于20 ℃。

直升机座舱为非密封座舱，环控加温时送入舱室的空气会与直升机舱内空气及结构进行换热，最终实现舱内温度平衡。可以测试舱内环控出风口，也可以测试稳定后的舱内情况。但对于非密封座舱，测试出风口严酷于稳定后的舱室，试验时选取便于测试人员接近的出风口进行测试。如图5所示，驾驶舱选取仪表板上的出风口，客舱选择下部舱门上的出风口。

综合以上分析确定某直升机环控系统一氧化碳测试项目，如表1所列。

4 试飞验证

4.1 测试设备

根据实际测试环境的可实施性及操作的便捷性，采用符合我国规定的有关室内环境空气污染控制和室内空气质量的标准或法规[11]，且识别精度高的一氧化碳检测仪报警仪[12]进行测试。试飞试验前应对测试设备进行调零和标定，确保测试设备工作正常，测试数据准确。

4.2 试飞测试

根据第3节分析结果，关闭驾驶舱和客舱门、窗，在直升机悬停和前飞状态下进行试飞试验。试验过程中通过视频进行数据记录，以前飞时驾驶舱和客舱外循环为例展示，如图7、图8所示。最终各测试项目试飞测试结果如表1所示，通常用测试的最大值来衡量直升机舱内一氧化碳水平。

表1 试飞测试项目及结果

根据表1试飞测试结果，不使用环控系统且直升机舱门、窗关闭时，测试结果为0 ppm，舱内空气中不存在一氧化碳。使用加温时，无论是悬停还是前飞，驾驶舱和客舱在外循环工作模式下的一氧化碳测试值均大于内循环工作模式。说明在直升机悬停或前飞时，受旋翼下洗气流及外界环境风向影响，发动机尾气会通过环控进气口吸入舱室；而通过发动机引气引入舱室的一氧化碳很少，且直升机前飞时发动机尾气基本不会通过发动机引气引入舱室。

5 结论

经过飞行试验验证，某民用直升机舱内一氧化碳浓度为4 ppm, 满足CCAR29.831(c)、(d) 要求的前飞时舱内空气中一氧化碳浓度不得超过二万分之一(50 ppm)的要求，获得了适航当局的认可。本适航符合性验证工作为民用直升机舱内空气污染的准确评估提供了有效的分析及验证思路，直升机悬停情况不可忽视，对运输类旋翼航空器型号合格审定中关于一氧化碳的相关验证工作具有重要参考意义。