论文摘要：飞机油箱中混合气体及燃油表面检测技术研究

燃油不仅是提供常规飞机动力的唯一能源，而且也是飞机液压系统、滑油系统、环控系统等系统的热沉。因此，燃油油箱设计是飞机设计过程中的决定性因素之一。飞机油箱中承载的物质包括：液相的燃油、气相的混合气体和表面相的气液分界面。获得油箱内各物质系统的状态参量数据，得到状态参量的变化规律，建立状态参量检测的先进技术是油箱顶层设计的前提和根本要求。因此飞机油箱检测理论与技术的研究，不仅对飞机油箱的设计具有重要的科学指导意义，同时也对保证飞机安全运行具有巨大的实用价值。本文研究的对象为飞机油箱内的混合气体和燃油表面——在飞机飞行状态下，多参量变化条件下混合气体、晃动的燃油表面以及静态的燃油表面。研究主要内容分为两个层面：一是飞机飞行过程中油箱内混合气体浓度的实时检测技术，以及混合气体的可燃性与惰化；二是油箱的光学非接触式测量技术及其所涉及的晃动油面的光学调制理论、静态油面的遮光理论、弯曲油面与润湿阻力理论。主要研究内容及工作成果如下： (1)小型多参量惰化油箱实验系统的设计与实现针对现有铁鸟架实验系统不能检测飞行过程中油箱混合气体浓度随状态参量变化的实验数据，以及实验成本过高的问题，设计并研制出小型多参量惰化油箱实验系统。该实验系统具有压力监测和调节功能，压力调节范围为0.01-0.1MPa，具有温度监测和调节功能，温度调节范围为当前室温-100°C，具有超声振动调节功能(调节超声频率及振动时间)，以及油气体积比监测和调节功能，其调节范围为0-290ml。油箱与质谱仪耦合连接，实时、在线的检测油箱内混合气体中的氮气、氧气含量。通过改变上述状态参量，模拟飞机飞行过程中的油箱状态，该实验系统具有惰化和多参量监测与调节功能。 (2)油箱中混合气体的实时检测技术针对检测飞机飞行过程中油箱混合气体内氮气和氧气含量的需求，利用研制的小型多参量惰化油箱实验系统，通过改变实验系统的各种参量，模拟飞行过程中油箱的环境条件，通过对油箱中混合气体氮气和氧气的实时检测，得到了氮气与氧气浓度随油箱环境参数变化的数据。具体为：得到了多种温度条件下氮气和氧气浓度随油箱内气压的变化关系；氮气和氧气浓度随油箱中载油量的变化关系；惰化过程中油箱内氮气和氧气浓度随时间的变化关系；提出油箱内氮气和氧气浓度随油箱温度变化关系测量的实验方案；油箱内氮气和氧气浓度随油箱振动过程的变化关系以及环境气体模拟的实验方案。同时对获得的实验数据及结果进行了分析与讨论。 (3)油箱中混合气体的可燃性与惰化针对飞机飞行过程中油箱安全性问题，建立了惰化油箱混合气体的可燃性与惰化理论，分析了飞机油箱混合气体燃烧机理，定量描述混合气体的可燃性，建立了可燃性与混合气体浓度的理论关系，得到混合气体燃烧区域图。为了降低混合气体的可燃性，通过冲入富氮气体即惰化方式改变油箱中气体浓度的比例。根据油箱的惰化过程，提出了冲洗惰化的基本假设和理论模型。假定油箱中气体析出和无析出两种情况，依据质量守恒定律，建立了油箱中混合气体浓度随时间变化的微分方程。在无析出条件下，求解出气体浓度随时间的变化规律，并给出了油箱惰化率随置换系数与惰化时间的解析函数，研究惰化过程中混合气体浓度与惰化时间及富氮气体流量满足指数规律；在有气体析出的条件下，气体的浓度不仅与惰化时间与充气速度有关，而且与系统的状态参量有关，并得到了浓度变化与状态参量之间的关系。 (4)燃油表面晃动的调制理论及无损检测技术 针对在外界激发条件下油箱中燃油表面的晃动问题，采用了激光传感的方式，建立了燃油表面晃动波的光学调制理论和光学无损测量技术。首先，研究了燃油表面晃动波的光学调制效应：当入射光经晃动波面反射后，晃动波面对入射光的相位调制，反射到观察屏。经过调制后的光波通过理论推导，得到观察域内光学图样的强度分布与油面晃动波波长及振幅的解析关系。分析不同振幅条件下晃动波的线性与非线性光学效应，在油面晃动波波长为大振幅时，衍射光场中出现了高次谐波，并推导出高次谐波与晃动波振幅之间的解析关系。对晃动波产生的光学图样进行了分类，提出了正常衍射图样和反常衍射图样的概念及其出现的条件和对应的晃动波振幅临界值。建立了燃油表面晃动波的激光测量装置，晃动波激发方式分别为被动式瞬时冲量晃动波激发方式和主动接触式激发方式。实验得到了不同振幅条件下清晰的光学衍射图样，同时得到燃油晃动波上升过程曲线和衰减过程曲线，上升过程和衰减过程均符合指数规律。通过该实验装置测量得到晃动波的增长系数、衰减系数、晃动波振幅和晃动波长。该实验装置简单、成本低，检测技术具有无损和实时测量的特点。 (5)静态燃油表面的遮光理论及检测技术针对静止的燃油表面，提出静态燃油界面的遮光理论并采用激光测量的方式设计与研制相应的实验系统。由遮光效应的现象，通过分析遮光效应产生的机理，根据光的全反射原理，推导出燃油折射率与遮光半径的解析关系。在理论分析的基础上，建立了燃油遮光图样自动测量装置，获得清晰的燃油遮光图样，并且遮光图样的实验结果与理论分析完全吻合。通过实验得到了燃油的折射率值，分析了该方法的测量误差，提出了遮光装置改进方案。该改进方法将测量圆形光斑转化为矩形光斑，将点光源更换为线光源，能够进一步提高遮光图样的反衬度及测量精度。该方法具有实时、在线、无损和自动化的特点，在燃油折射率检测中具有很高的安全性。 (6)燃油管道中润湿阻力及其检测技术根据静态燃油表面与油箱接触的润湿效应，建立弯曲燃油表面的检测理论与技术，并构建相应的实验系统，测量了流管中的润湿阻力。根据流体静力学原理，提出了燃油在流管中流动时的润湿阻力，得到了小流管条件下润湿阻力大小的解析表达式。由于静态燃油表面与油箱接触部分存在润湿效应，燃油的润湿效应引起燃油表面的弯曲。当平行光照射到弯曲的燃油表面，反射光强度分布发生变化。根据几何光学的基本原理，推导出反射光强度分布与油面弯曲度之间的解析表达式。在此基础上，建立了一种基于激光技术的测量方法及实验装置，获得清晰的弯曲燃油表面反射的光学图样。由弯曲燃油表面反射光学图样可以测出燃油表面与管壁的接触角，从而得到了燃油润湿阻力的实验值。实验值与理论推导相吻合。

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