新增737飞机氮气系统的基本特点

近年来，以波音737为先导，现有的民航客机逐渐增加了一个新的系统章节，根据美国联邦航空运输协会ATA的章节命名原则，定位ATA47章，中文译名为惰性气体系统，或者直译为氮气系统。该系统目前在波音737的部分构型飞机上安装完毕，正处于初次使用的阶段。

氮气系统严格说来并不能算是一个完全独立的飞机系统，实际上它是对飞机现有的ATA28章也就是燃油系统的一种弥补。在现有的燃油系统中，油箱的通气系统是个非常重要的环节，它保证了油箱内外的压力平衡，起到了供油顺畅和保护飞机结构的双重功能。但是因为油箱通气系统使用的是外界环境空气，也埋下了一个安全隐患。众所周知，空气中氧气的含量为21%，这就意味这通过油箱通气系统进入到油箱内的空气中是含有相当量的氧气的，一旦油箱内有火源产生就会在氧气的助燃下发生燃烧，进而对油箱和飞机本身造成严重的安全破坏。

为了解决这个问题，波音设计了氮气系统用来取代现有的油箱通气系统，把氮气输入到油箱中去，因为氮气是惰性气体，一旦油箱内存在火源，氮气不会起到助燃效果反而会因为惰性气体的缘故而让火焰渐渐停止燃烧（航空煤油的燃点很高，一般的小火源是无法点燃煤油的），这样就起到了隔绝燃烧的作用，同时也可以保持油箱内的压力从而可以继续保证油箱内外的压力平衡。但这个系统的正常运行有个很大的前提，那就是需要有一个丰富而稳定的氮气气源。自携带氮气瓶的方式无论从成本还是便捷性来说都是无法保证的。因此波音采取了自生产氮气的方式，在飞机上安装了一台氮气发生器，英文简称为ASM（空气分离器）的装置。该装置的特点是可以从空气中分离出氮气来（我们的环境空气中氮气含量超过78%，只要把氧气和其他杂质气体分离掉，剩下的就是不易燃烧的惰性气体氮气了）。ASM分离的空气来自机的引气系统，这是因为飞机引气系统作为可控的气源比使用外界环境空气要可靠的多。ASM从飞机引气系统获得空气，然后对空气进行分离，把氧气和其他杂质气体排出机外，把剩下的氮气输入到油箱中去起到避免燃烧和平衡压力的作用。

但是作为一个新增加的系统，并且是针对旧有系统做出的变化和改造，氮气系统也对飞机整体增加了新的需要解决的问题。首先就是对引气的占用，飞机上已经有空调，防冰等多个系统在使用发动机引气，这对发动机的工作效率造成了很大的负担，现在再增加了一个需要分享引气的部件，无疑让发动机的工作更加的紧张。为了减少氮气系统对发动机引气的使用，波音在对飞行过程进行分析后发现，在飞机的起飞阶段油箱往往处于满油的状态，这时候油箱里并不需要输入大量的氮气来平衡内外压力。而且起飞阶段飞机是从高气压区飞往低气压区的过程，内外是正的压差，可以有效防止外界环境空气进入到油箱内，此时氮气系统只需要从发动机获取少量的引气就足以完成自己的任务。接下来就是飞机的平飞也就是俗称的巡航阶段了，这个时候随着燃油的消耗，油箱内需要有足够的氮气来补充空间，但是巡航状态的燃油消耗往往是均衡的，氮气只需要一个恒定的速率来补充进油箱就可以了，实测发现巡航阶段氮气系统的工作效率并不需要太高也就意味着对发动机引气的占用也可以保持在比较低的程度。最后就是飞机的下降阶段了，这个时候油箱里的燃油已经大量的被消耗，油箱存在比较大的空间，但最主要的是此时的飞机是从低气压去飞向高气压区，外界的环境大气压在逐渐上升的过程中，油箱内外形成了负的压差，含有氧气的环境空气会大量的涌进油箱，这个时候为了减少外界空气的涌入，氮气系统需要高功率的工作，增加油箱内的氮气含量和压力，从而继续起到防止燃烧和保持压力平衡的作用。所以在飞机的下降阶段，氮气系统需要从发动机获取大量的引气来满足自己的工作要求。针对这三个飞行阶段的工作特点，在现有的氮气系统中设计了两种氮气流量的工作模式，在起飞和巡航阶段使用低流量模式，在下降阶段使用高流量模式。这个模式的物理调节是通过一个高低流量活门来实现的，控制逻辑则有氮气系统控制组件（氮气系统计算机）来掌控。这样一来就可以最大限度的减少氮气系统对发动机引气的占用，从而减轻发动机的工作负担。

按照安全设计的思路，氮气系统是应该完全取代原有的ＡＴＡ２８章里的油箱通气系统，从而最大程度的保证油箱的安全。但是，实际情况却有着巨大的困难，首先是氮气系统对发动机引气的依赖问题，虽然通过对飞行阶段的划分已经最大限度的减少了对发动机引气的使用，但三个油箱的氮气充填依旧是个巨大的负担，为三个油箱充气仍然是无法做到的。因此只好退而求其次，只对最主要的油箱，就是飞行中的主用油箱－中央油箱进行氮气充填，而对两侧机翼油箱则依然使用飞机原有的环境空气充填方式来保证供油顺畅和内外压力的平衡。所以在现状下，波音７３７是氮气与环境空气两套通气系统共同工作分别输入到中央油箱和大翼油箱。

不过事情还没有完全结束，新的问题又产生了。中央油箱改通氮气后必须对原有的通气管路进行改装，将环境空气的入口封住，这样就可以保证中央油箱只通氮气从而确保油箱的安全性。但是这个设计会造成一个很严重的问题，那就是一旦氮气系统发生故障无法工作的时候，中央油箱因为没有氮气的补充，随着燃油的消耗会渐渐处于负压的状态，这对供油的顺畅性和飞机结构的安全性都造成巨大的危险，所以必须要考虑到一旦氮气系统故障后的备用通气方案。

方案无非几种，一：增加一个氮气发生器ASM作为备份，但是这个方案不现实，ASM是个体型硕大的圆柱体部件，在现有的飞机上安装已经占据了大部分空调仓的空间了，再加装一个的话很难再找到合适的位置，所以无法实现。二：增加一个小型的固定氮气瓶作为备份，这个方案的不可操作性在于，无法解决飞长航程的长时间供气问题，如果只飞短航程则对飞机航班安排有着重大的影响，所以依旧不现实。最终，在飞机现实运行的压力下，采取了折中的办法。原先中央油箱的环境通气入口需要封住，现实是中央油箱的两个环境通气入口只封住了一个而让另一个依旧保持畅通。这样一来万一氮气系统因为故障无法工作的时候环境空气可以及时的填充进中央油箱从而保证供油的顺畅和内外压力的平衡。这么做的结果就是，即便氮气系统在正常工作的时候中央油箱也是会有环境空气进入的，当然，因为氮气的存在使得油箱内的氧气含量大大的降低了，从而减少了火源被助燃的可能性。虽然不能够完美的解决问题，但这是目前最有效的平衡结果了。

通过以上对氮气系统的基本特点的分析我们可以看出，第一：氮气系统在保证飞机安全上存在它自身的实用性。第二：作为一个新增的系统，氮气系统还不是一个完全成熟和完善的系统，还有很大的改进空间。第三：从飞机的放行角度来说，氮气系统即使不工作，短期内也不会对机务人员的飞机放行造成压力，因为旧的环境通气系统可以起到备份的作用。

此外，我们还可以得出这样一个结论。现有的ATA28章是一个经过几十年实践证明的非常使用和成熟完善的章节，因此作为ATA28章一部分的油箱通气系统也是有着几十年的稳定性的。新增的ATA47章氮气系统并不是想从根本上完全取代原有已经很成熟的油箱通气系统，而只是在减少油箱火源燃烧可能性的角度上对原有的通气系统做了有益的补充，当然，这个补充随着设计的渐渐完善是会越来越有效和成熟的。　[科]