復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機發(fā)動機短艙防火設(shè)計與試驗驗證

李仁鵬

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機發(fā)動機短艙防火設(shè)計與試驗驗證

李仁鵬

（中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

飛機發(fā)動機短艙的防火設(shè)計一直是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用越來越廣，復(fù)合材料在發(fā)動機短艙上的應(yīng)用也越來越受到重視。通過按照適航規(guī)章的要求，用復(fù)合材料進行發(fā)動機短艙的防火設(shè)計，并進行試驗進行驗證，復(fù)合材料是可以用在發(fā)動機短艙的設(shè)計上的，而且可以滿足發(fā)動機短艙對于防火的要求。

復(fù)合材料；防火；耐火；適航；發(fā)動機短艙

0　引言

飛機發(fā)動機短艙為飛機結(jié)構(gòu)重要部件之一。發(fā)動機短艙主要用于包容發(fā)動機及發(fā)動機的系統(tǒng)附件等，對發(fā)動機及其附件進行保護；承受氣動載荷，起整流作用；在發(fā)動機或發(fā)動機附件起火時起到包容火焰，保護周圍結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的作用。飛機動力裝置失火，會對飛機的飛行安全造成嚴(yán)重的威脅。2011年1月1日，俄羅斯一架客機在起飛滑跑時，發(fā)動機突然起火燃燒，事故造成3人死亡，43人受傷。因此對于發(fā)動機短艙的防火設(shè)計，并做試驗驗證是必要的。

1　復(fù)合材料發(fā)動機短艙的防火設(shè)計

1.1火區(qū)的劃分

按CCAR23規(guī)定，火區(qū)的范圍指壓氣機和附件部分；包含有輸送可燃液體或氣體管道或部件的燃燒室、渦輪和尾噴管部分；壓氣機、附件部分、燃燒室、渦輪和尾噴管地區(qū)部分之間沒有隔離的整個動力裝置艙。發(fā)動機短艙指定火區(qū)如圖1所示。并用防火墻將火區(qū)進行隔離。

1.2結(jié)構(gòu)材料的選擇

按CCAR23規(guī)定，發(fā)動機整流罩至少要是耐火（經(jīng)受1093℃（2000℉）的火焰灼燒5分鐘）的。復(fù)合材料具有比強度高、比模量高、耐腐蝕、降噪減振等優(yōu)點。充分發(fā)揮復(fù)合材料的上述優(yōu)點，發(fā)動機罩選用復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的。

按CCAR23規(guī)定，位于發(fā)動機艙防火墻后面的部件、導(dǎo)管和接頭，必須在防火墻靠近火區(qū)一側(cè)的部分受到溫度不低于1093℃（2000℉）的火焰作用15分鐘時，不會受到足以使飛機發(fā)生危險的損壞。所以對于防火墻來說不單要起到防火的作用還要起到隔熱的作用。發(fā)動機艙與復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)之間的防護墻選用不銹鋼板加隔熱棉進行防火和隔熱處理。前支撐框和后支撐框處的防火墻，用復(fù)合材料作為受力框結(jié)構(gòu)，附加不銹鋼板和隔熱棉進行防火和隔熱處理。

2　復(fù)合材料發(fā)動機短艙的防火試驗

對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防火性能設(shè)計，沒有現(xiàn)有的數(shù)據(jù)作支撐，同時需要考察防火鋼板加防火棉加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，及其防火性能和隔熱性能。

2.1試驗方案

根據(jù)CCAR23及AC20-135，選取復(fù)合材料夾芯板（0.4mm復(fù)材+6.35mm芯材+0.4mm復(fù)材）和復(fù)合材料層壓板（1.3mm）做耐火試驗件；防火墻組件：防火鋼板（0.4mm）加防火棉（6.35mm）加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（1.75mm復(fù)材+25.4mm芯材+1.75mm復(fù)材）的防火墻做防火試驗，測量其背部的溫度。復(fù)材面板用碳纖維環(huán)氧樹脂，芯材用芳綸紙蜂窩。

試驗件尺寸610mm×610mm，火焰覆蓋樣板的范圍不能小于127mm×127mm，火焰的熱通量密度不能小于10.5W/cm2。熱電偶的精度±2.8℃，熱量計的精度±3%。防火墻后部布置6個熱電偶。

2.2試驗過程

試驗支架如圖2所示。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在高溫、高沖擊的火焰灼燒下，表面樹脂會被引燃，火焰會在很短的時間內(nèi)變得非常大，隨后表面樹脂碳化，火焰趨于穩(wěn)定。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試驗支架需要加裝更大的防護板，阻止火焰向試板背部蔓延。

圖1　發(fā)動機短艙的火區(qū)分布

圖2　試驗支架

2.3試驗結(jié)果

如圖3所示，復(fù)合材料層壓板經(jīng)過5分鐘的耐火試驗后，受火面3層樹脂燒脫，第4層出現(xiàn)嚴(yán)重碳化，并成粉末狀脫落，第5層碳化，第6層翹曲變形?；鹧鏇]有燒穿。

圖3　層壓板燒蝕

如圖4所示，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)經(jīng)過5分鐘的耐火試驗后，受火面2層樹脂燒脫，芯材嚴(yán)重碳化、并成粉末狀脫落，非受火面內(nèi)側(cè)層碳化，外側(cè)層翹曲變形。火焰沒有燒穿。

防火墻組件，經(jīng)過15分鐘的防火試驗后，沒有燒穿。防火墻背部溫度不超過75℃。

圖4　夾芯板燒蝕

3　結(jié)語

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有可燃性，用在發(fā)動機短艙結(jié)構(gòu)中要注意結(jié)構(gòu)的密封性，防止火焰蔓延。但隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面樹脂的碳化，火焰會很快自熄。復(fù)合材料完全可以滿足發(fā)動機短艙的防火設(shè)計要求。通過金屬板加防火棉的形式做的防火墻起到很好的隔熱效果。

［1］周頌平.民用渦扇飛機短艙結(jié)構(gòu)防火設(shè)計［J］.科技傳播2013（6）.

［2］孫立.復(fù)合材料在發(fā)動機短艙中的應(yīng)用［J］.航空維修與工程2010（2）.

李仁鵬（1982-），男，工程師，學(xué)士，從事飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、維修研究工作。