大型民用飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)研究

賀元驊 應(yīng)炳松 陳現(xiàn)濤 孫 強(qiáng) / HE Yuanhua YING Bingsong CHEN Xiantao SUN Qiang

(中國民用航空飛行學(xué)院,廣漢 618307)

大型民用飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)研究

賀元驊 應(yīng)炳松 陳現(xiàn)濤 孫 強(qiáng) / HE Yuanhua YING Bingsong CHEN Xiantao SUN Qiang

(中國民用航空飛行學(xué)院,廣漢 618307)

基于美國聯(lián)邦航空局休斯研究中心環(huán)保型飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鸬难芯?，闡釋了飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了氮?dú)?、氣溶膠、細(xì)水霧等三種機(jī)載滅火系統(tǒng)最新研究成果，剖析了大型民用飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)的最新發(fā)展趨勢，分析了三種哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)用于飛機(jī)貨艙的可行性，旨在為我國大型民用飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)研究提供工程技術(shù)參考。

大型民用飛機(jī)；貨艙；哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)；最低性能標(biāo)準(zhǔn)

0 前言

由于哈龍滅火劑嚴(yán)重破壞大氣臭氧，1989年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署通過了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》及其修正案，限制及禁止哈龍滅火劑的生產(chǎn)和使用。由此，世界民機(jī)研究科研院所開啟了尋找環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑恼鞒獭?993年，美國聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration,簡稱FAA)攜航空強(qiáng)國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)建立國際哈龍?zhí)娲ぷ鹘M(International Halon Replacement Working Group,IHRWG)，2000年更名為國際航空器火災(zāi)防護(hù)系統(tǒng)工作組(International Aircraft System Fire Protection Working Group, 簡稱IASFPWG)。該工作組旨在研發(fā)四大類機(jī)載火災(zāi)防護(hù)系統(tǒng)，參與成員有航空強(qiáng)國民航行政管理部門、國家科研部門、飛機(jī)制造商、航空公司、工業(yè)協(xié)會、滅火裝備制造商及供應(yīng)商[1]。自1993年始，國際航空器火災(zāi)防護(hù)系統(tǒng)工作組大力推進(jìn)機(jī)載哈龍?zhí)娲窚缁鹣到y(tǒng)研制工程，在每年5月和11月舉行兩次國際會議，總結(jié)研究進(jìn)展和確定未來研究工作。本世紀(jì)初以來，該組織先后研制出四部機(jī)載哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)(Minimum Performance Standard, 簡稱MPS)和測試方法，以指引貨艙、發(fā)動機(jī)短艙、客艙和盥洗室哈龍?zhí)娲窚缁鹣到y(tǒng)研發(fā)方向。在未來民機(jī)市場需求以及國際機(jī)載哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)研發(fā)趨勢下，該研究有益于提升民航綠色環(huán)保水平。

1 飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)

2003年，美國聯(lián)邦航空局與國際航空器火災(zāi)防護(hù)系統(tǒng)工作組制定飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲鷾缁鹣到y(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)(Minimum Performance Standard for Aircraft Cargo Compartment Halon Replacement Fire Suppression Systems，以下簡稱“貨艙MPS”)，貨艙MPS是飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)必須滿足的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)為氣體和非氣體滅火系統(tǒng)規(guī)定了4類全尺寸火災(zāi)測試標(biāo)準(zhǔn)，以鑒定3種新型滅火系統(tǒng)是否滿足飛機(jī)貨艙火災(zāi)防護(hù)要求及碳?xì)浠衔锉缁饾舛纫种埔蟆?005年和2012年美國聯(lián)邦航空局又兩次修正氣溶膠罐爆炸模擬裝置參數(shù)、可行標(biāo)準(zhǔn)和氣溶膠罐爆炸測試程序。2012版的貨艙MPS明確要求測試應(yīng)在56.6±2.8m3的模擬貨艙里進(jìn)行，每種火災(zāi)環(huán)境至少重復(fù)5次，應(yīng)將收集的新型滅火系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，以判斷新型滅火系統(tǒng)是否滿足貨艙MPS測試標(biāo)準(zhǔn)。

貨艙MPS規(guī)定了四種火災(zāi)測試環(huán)境包括散裝貨物火災(zāi)、集裝貨物火災(zāi)、表面火火災(zāi)和氣溶膠罐爆炸火災(zāi)。(1)散裝貨物火災(zāi)環(huán)境應(yīng)將切碎的紙松散地放在硬紙箱內(nèi)模擬易燃火災(zāi)載荷，紙箱尺寸為45.7cm×45.7cm×45.7cm，碎紙總重量為1.1kg。測試模擬艙內(nèi)分兩層總共放置178個紙箱，占模擬貨艙體積30%。實(shí)驗(yàn)測試共開展5次，取5次最高溫度其算數(shù)平均不得超過377℃，且5次平均時間-溫度曲線面積不得超過4 974℃-min，該平均時間-溫度曲線面積是系統(tǒng)噴放30min，并取啟動2min后的28min時間-溫度曲線段面積；(2)集裝貨物火災(zāi)環(huán)境使用與散裝貨物火災(zāi)環(huán)境中相同的紙箱模擬易燃火災(zāi)載荷，紙箱放在一個1.95m×1.52m×1.63m的LD-3集裝箱內(nèi)，另外放置兩個空的LD-3集裝箱。取5次最高溫度其算數(shù)平均不得超過343℃，且5次平均時間-溫度曲線面積不得超過7 569℃-min，該平均時間-溫度曲線面積是系統(tǒng)噴放30min，并取啟動2min后的28min時間-溫度曲線段面積；(3)表面火火災(zāi)環(huán)境應(yīng)使用1.89L的jet-A燃油，放在61cm×61cm×10.2cm的油盤中，油盤底層為9.5L的水，用385ml汽油引燃，取5次最高溫度其算數(shù)平均不得超過293℃，且5次平均時間-溫度曲線面積不得超過608℃-min，該平均時間-溫度曲線面積是系統(tǒng)噴放5min，并取啟動2min后的3min時間-溫度曲線段面積；(4)氣溶膠罐爆炸火災(zāi)環(huán)境使用氣溶膠罐模擬裝置，模擬裝置使用丙烷、酒精和水等可燃爆混合物以模擬氣溶膠，測試中，如艙內(nèi)無過壓、燃爆等爆炸現(xiàn)象，則表示滅火系統(tǒng)通過氣溶膠罐爆炸火災(zāi)測試，當(dāng)滅火劑濃度低于惰化濃度時，爆炸強(qiáng)度和最高壓力不能高于艙內(nèi)無滅火劑時爆炸的強(qiáng)度和壓力值[2]。

2 民用飛機(jī)貨艙新型滅火系統(tǒng)

美國聯(lián)邦航空局休斯研究中心開展了大量N2、氣溶膠、細(xì)水霧等哈龍?zhí)娲窚缁鹣到y(tǒng)的研究和測試。

2.1 N2滅火系統(tǒng)

氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)的原材料氮?dú)馊∽源髿鈱?，既可從空氣中隨時獲取，也可在滅火后直接排入大氣。噴放之后無殘余，對生態(tài)無害，因而系統(tǒng)具有明顯穩(wěn)定性。N2滅火系統(tǒng)中使用的氮?dú)饩哂谢瘜W(xué)惰性。在滅火過程中，隨著氮?dú)庋蜎]火焰區(qū)，火焰區(qū)的氧氣濃度大幅度下降從而撲滅火焰。由于N2和空氣的重量相近，噴放氣體進(jìn)行淹沒式滅火時，可以與周圍的空氣很好地進(jìn)行混合。在噴放后的較長時間可以保證火區(qū)的溫度穩(wěn)定，維持火區(qū)的溫度變化率極低[3-4]。

2011年，美國休斯研究中心在貨艙抑制及滅火試驗(yàn)中測試了不同速率、不同含氧量及含水量下的氮?dú)鉁缁鹦Ч?，測試矩陣見表1。

表1 氮?dú)鉁y試表

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，溫度和氧濃度的變化曲線是相似的。在氮?dú)馑俾蕿?24.8L/min，氧含量為6.1%時，滅火效果最差；在氮?dú)鉁缁饎┲屑尤胨梢栽鰪?qiáng)滅火系統(tǒng)的滅火性能。圖1和圖2所示為在氮?dú)馑俾蕿?24.8L/min、O2濃度分別為3.9%、6.1%和6.3%，水含量為3.86L滅火實(shí)驗(yàn)測試中的天花板溫度和艙內(nèi)氧濃度變化。圖3和圖4所示為在氮?dú)馑俾蕿?09.7L/min、O2濃度分別為5.5%、7.7%和7.7%，水含量為3.86L滅火實(shí)驗(yàn)測試中的天花板溫度和艙內(nèi)氧濃度變化。圖5和圖6為在氮?dú)馑俾蕿?66.3L/min、O2濃度分別為6.7%、8.8%和8.7%，水含量為3.86L滅火實(shí)驗(yàn)測試中的天花板溫度和艙內(nèi)氧濃度變化。實(shí)驗(yàn)表明加入水可以增強(qiáng)N2滅火系統(tǒng)的滅火效能[5]。

圖1 424.8L/min氮?dú)鉁y試溫度

圖2 424.8L/min氮?dú)鉁y試氧濃度

圖3 509.7L/min氮?dú)鉁y試溫度

圖4 509.7L/min氮?dú)鉁y試氧濃度

圖5 566.3L/min氮?dú)鉁y試溫度

圖6 566.3L/min氮?dú)鉁y試氧濃度

2.2 氣溶膠滅火系統(tǒng)

氣溶膠滅火系統(tǒng)是近幾十年來發(fā)展迅速的一種哈龍?zhí)娲鷾缁饎?，本身無滅火作用，啟動之后所釋放的產(chǎn)物即經(jīng)過燃燒反應(yīng)之后釋放鉀、鍶氧化物固體顆粒和N2、CO2、水蒸氣等物質(zhì)的物理降溫和化學(xué)反應(yīng)抑制作用具有滅火作用。由于氣溶膠微粒是微米級，使得氣溶膠可以在空間內(nèi)長時間懸浮，并且能夠繞開障礙物。這種特性使其成為哈龍全淹沒式滅火系統(tǒng)的熱門候選替代品之一[6]。20世紀(jì)90年代中期北京理工大學(xué)研制開發(fā)出了EBM熱氣溶膠滅火劑[4]。EBM 滅火劑在點(diǎn)火燃燒時形成的氣溶膠能迅速向四周擴(kuò)散，該氣溶膠微粒對燃燒過程有強(qiáng)烈的抑制作用，可以迅速終止燃燒反應(yīng)。這些微粒的粒徑小于1μm，成為具有滅火作用的活性質(zhì)點(diǎn)，有很大的表面積，對燃燒過程的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)具有很強(qiáng)的負(fù)催化作用，能很快降低燃燒的反應(yīng)速率[7]。當(dāng)氣溶膠噴口處的溫度大于600℃，固體生成物占到90%以上時，滅火效率高；當(dāng)噴口處溫度在200℃～400℃時，滅火效率略有下降；當(dāng)噴口溫度低于100℃，固體生成物比例明顯下降，滅火效率低[8]。

國外對氣溶膠滅火劑的使用和氣溶膠滅火劑在飛機(jī)上使用的研究相對國內(nèi)要成熟。在2012年5月美國休斯研究中心已經(jīng)在E類貨艙抑制及滅火研究中在13.3m3鍍鋅測試箱內(nèi)做氣溶膠滅火實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明氣溶膠的初始滅火很有效，并且在滅火之后的4h內(nèi)，能維持箱內(nèi)的溫度在94℃以下。又在10月的試驗(yàn)中規(guī)定了測試程序：點(diǎn)火箱放在測試箱的左前角(模擬最壞的火災(zāi)環(huán)境)；當(dāng)頂棚溫度達(dá)到94℃時，啟動氣溶膠滅火劑；持續(xù)檢測頂棚溫度和箱內(nèi)氧濃度4個小時。并且在鍍鋅測試箱和一種復(fù)合材料箱中做對比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氣溶膠滅火系統(tǒng)工作之后，能在1min之內(nèi)使頂棚溫度從540℃降低到121℃，并且頂棚溫度維持在121℃以下4h。氧濃度的數(shù)據(jù)表明，在氣溶膠滅火系統(tǒng)工作之后，氧濃度在1min之內(nèi)降低到9%以下。在鍍鋅測試箱中，4h之后，氧濃度才緩慢回升到14.5%；在復(fù)合材料箱中，氧濃度在4h之后，氧濃度才接近10%。在進(jìn)一步的探索研究中，鍍鋅測試箱和復(fù)合材料箱在氣溶膠滅火之后一直保持惰性環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，出現(xiàn)復(fù)燃的次數(shù)大大降低[9-10]。

2.3 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

細(xì)水霧滅火技術(shù)在消防方面的應(yīng)用始于1940年，在哈龍滅火劑的應(yīng)用被聯(lián)合國限制和禁止生產(chǎn)之后，細(xì)水霧由于其清潔、高效、穩(wěn)定、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)成為最有前途的哈龍?zhí)娲?，也是唯一完全符合FAA貨艙MPS的哈龍?zhí)娲鷾缁饎?，并且在全球范圍?nèi)得到廣泛關(guān)注和研究[1]。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能否完全替代哈龍滅火系統(tǒng)的難點(diǎn)在于對障礙物遮擋的火焰的撲滅效果。美國NIST 等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)水霧撲滅計算機(jī)箱深位火焰的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在細(xì)水霧工作壓力低于1MPa 的情況下，很難撲滅機(jī)箱內(nèi)部的深位火災(zāi)。在進(jìn)行有遮擋的細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)中，以0.85m×0.75m×0.75m的鐵皮桌子作為遮擋物，使用直徑為0.16m的圓形油盤，深度0.01m，細(xì)水霧噴頭距離地面為4.5m。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對于有障礙物火焰，在完全遮擋的情況下，普通細(xì)水霧很難快速有效撲滅火焰；在火焰被局部遮擋的情況下，會有較多的細(xì)水霧進(jìn)入到火焰區(qū)域，增大細(xì)水霧工作壓力可以縮短滅火時間，降低細(xì)水霧噴頭的高度也會縮短細(xì)水霧滅火所需的時間[11]。

2002年美國主導(dǎo)的機(jī)載細(xì)水霧滅火系統(tǒng)通過初步測試，并針對貨艙細(xì)水霧抑制及滅火系統(tǒng)制定了評估報告。目前空客公司等主導(dǎo)的機(jī)載細(xì)水霧滅火系統(tǒng)已全部通過MPS測試[12]。2010年，F(xiàn)AA休斯研究中心構(gòu)建了13.3m3的測試箱對1.83mm、1.1mm孔徑細(xì)水霧噴頭進(jìn)行測試，測試結(jié)果可以初步得出細(xì)水霧的降溫效果很好[13]。2012年，休斯研究中心用DC-10噴氣式客機(jī)貨艙模擬真實(shí)的貨艙實(shí)驗(yàn)環(huán)境[9]。2013年，F(xiàn)AA休斯研究中心測定艙內(nèi)空氣置換率，規(guī)定在區(qū)域細(xì)水霧系統(tǒng)試驗(yàn)中，當(dāng)天花板溫度達(dá)到200℉(93.3℃)時，啟動細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。用水量的多少判定滅火的有效性[14]。2014年，F(xiàn)AA休斯研究中心測試AOA細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在E類艙中滅全/半載荷A類火和油盤火的性能[15]。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7、8、9。數(shù)據(jù)表明細(xì)水霧系統(tǒng)能撲滅E類貨艙環(huán)境的火災(zāi)。圖10所示為2014年8月的細(xì)水霧滅油盤火試驗(yàn)中艙內(nèi)天花板溫度變化趨勢。圖11所示為艙內(nèi)氧濃度的變化趨勢。2015年，休斯研究中心測試無添加劑和含鹽細(xì)水霧系統(tǒng)滅全/半載荷A類火和B類火的滅火性能。細(xì)水霧滅A類火的測試標(biāo)準(zhǔn)：煙霧探測器啟動細(xì)水霧系統(tǒng)，細(xì)水霧系統(tǒng)噴射10min，天花板溫度維持在94℃，有無添加劑作對比試驗(yàn)。具體數(shù)據(jù)如圖12和圖13所示?？梢钥闯鎏旎ò鍦囟然揪S持在25℃以下。實(shí)驗(yàn)表明加入鹽可以增加AOA細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火性能[16-17]。B類火的測試標(biāo)準(zhǔn)為：煙霧探測器啟動細(xì)水霧系統(tǒng)，細(xì)水霧系統(tǒng)噴射5min，5cm×5cm油盤，使用jet-8航空煤油，油盤墊水，使用庚烷引燃[8]。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖9所示。具體數(shù)據(jù)如圖14和圖15。從數(shù)據(jù)可以看出AOA細(xì)水霧滅火系統(tǒng)完全能夠撲滅油盤火災(zāi)。而且加鹽可以增加細(xì)水霧系統(tǒng)的滅火性能。

圖7 AOA細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

圖8 A滅火測試平臺

圖9 B滅火測試平臺

圖10 2014年細(xì)水霧滅油盤火溫度

圖11 2014年細(xì)水霧滅油盤火氧濃度

圖12 2015年細(xì)水霧滅半荷載A類火溫度

圖13 2015年含鹽細(xì)水霧滅半荷載A類火溫度

圖14 2015年細(xì)水霧滅油盤火溫度

圖15 2015年細(xì)水霧滅油盤火溫度

3 結(jié)論

綜上所述，美國聯(lián)邦航空局制定的飛機(jī)貨艙哈龍?zhí)娲芬种萍皽缁鹣到y(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)對民機(jī)新型滅火系統(tǒng)研發(fā)具有一定的參考價值，歐美國家研發(fā)的環(huán)保型雙流體滅火系統(tǒng)已通過了該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試。美國休斯研究中心完成的實(shí)驗(yàn)表明，擬定的氮?dú)狻馊苣z、細(xì)水霧三種哈龍?zhí)娲窚缁鹣到y(tǒng)滅火效果優(yōu)良。隨著大型機(jī)載制氮系統(tǒng)性能的改進(jìn)，氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)可更好地與機(jī)載制氮系統(tǒng)兼容，從而較好地解決飛機(jī)空重增大問題，因此具有良好的發(fā)展前景；氣溶膠滅火系統(tǒng)滅火效能優(yōu)良，使用后能持續(xù)維持艙內(nèi)低于94℃。但是，其本身含能材料會產(chǎn)生高達(dá)600℃的高溫且嚴(yán)重降低能見度，因而需要對氣溶膠的低溫生成、增強(qiáng)可見度進(jìn)行優(yōu)化；現(xiàn)在低壓細(xì)水霧系統(tǒng)利用機(jī)載供水、供氮系統(tǒng)，因而可避免增加飛機(jī)空重，該系統(tǒng)具有極優(yōu)的滅火效果且無任何環(huán)保問題，是最具潛力的哈龍?zhí)娲贰５?，其?qiáng)化抑滅火效果的添加劑會腐蝕飛機(jī)結(jié)構(gòu)，因此需要進(jìn)一步尋找無損害飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的細(xì)水霧添加劑。此外，美國聯(lián)邦航空局的標(biāo)準(zhǔn)以及依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)開展的研究測試，都是在平原地區(qū)常壓工況條件下開展的，至于低壓、變壓環(huán)境下的測試則有待進(jìn)一步展開，故不能完全通過滅火系統(tǒng)在民機(jī)飛行中驗(yàn)證滅火效能的測試。因此，未來機(jī)載貨艙哈龍?zhí)娲费芯抗ぷ鳎栝_展在高海拔條件及機(jī)艙變壓條件下替代品滅火系統(tǒng)滅火效能的測試和研究。

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Research on the Replacements of Halon Fire Suppression and Extinguishing System in Large Scale Civil Aircraft Cargo Compartment

(Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

The Federal Aviation Administration William J. Hughes Technical Center has researched the environment friendly fire suppression system in aircraft cargo compartment for decades. This paper is based on the research and unscrambles the minimum performance standard for aircraft cargo compartment halon replacement fire suppression and extinguishing systems,which is developed by international aircraft system fire protection working group. This paper also summaries the latest research results of three fire extinguishing systems in aircraft that are nitrogen extinguishing system, aerosol fire extinguishing system and water mist fire extinguishing system. With an analysis on the current trend of the replacements of halon fire suppression and extinguishing system in large scale civil aircraft cargo compartment, it analyzes the feasibilities that if the three fire extinguishing systems are suitable for aircraft cargo compartment. This paper is aimed at providing reference for engineering technology of the replacements of halon fire suppression and extinguishing system in large scale civil aircraft cargo compartment.

large scale civil aircraft; cargo compartment; replacements of halon fire suppression and extinguishing system; minimum performance standard

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.020

中國民用航空局科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)：高高原航空燃油火災(zāi)機(jī)理及滅火有效性研究，項(xiàng)目編號：MHRD20130103。

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