民用飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)性能驗證

程書山　安鳳林　王淵明

【摘 要】本文對飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了貨艙地面試驗，并利用FDS軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；結(jié)果顯示飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足適航要求；貨艙地面試驗和數(shù)值模擬方法得到的煙霧探測系統(tǒng)響應(yīng)時間偏差在±2秒以內(nèi)；數(shù)值模擬結(jié)果可以作為試驗人員選擇較嚴(yán)苛的著火位置的重要參考。

【關(guān)鍵詞】貨艙；煙霧；探測；適航

Aircraft Cargo Compartment Smoke Detection System Performance Validation

CHENG Shu-shan AN Feng-lin WANG Yuan-ming

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】Aircraft Cargo compartment smoke detection performance is assessed by Cargo compartment ground experiment and numerical simulation by FDS software；The result show the Cargo smoke detection system meet the requirement of Airworthiness Regulation；The deference of response time derived from Cargo compartment ground experiment and numerical simulation <±2 second；Numerical simulation can be an important reference for experiment to choose the worse location.

【Key words】Cargo Compartment； Smoke； Detection； Airworthiness

貨艙煙霧探測系統(tǒng)是民用飛機(jī)的一個重要安全應(yīng)急系統(tǒng)，適航審查方對貨艙煙霧探測系統(tǒng)對煙霧的響應(yīng)時間關(guān)注度很高，飛機(jī)制造商一般通過試驗表明貨艙煙霧探測系統(tǒng)對煙霧的響應(yīng)滿足適航要求。通過試驗驗證需要耗費(fèi)大量人力和物力，而數(shù)值模擬方法在節(jié)省人力和物力方面具有顯著的優(yōu)勢。陳曦等利用FDS軟件對建筑物室內(nèi)的點(diǎn)型感煙探測器的響應(yīng)時間進(jìn)行了預(yù)測；Ezgi Oztekin等利用FDS軟件對波音707飛機(jī)貨艙內(nèi)煙霧的傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。由于貨艙構(gòu)型的差異，以上結(jié)果無法應(yīng)用于其他機(jī)型的適航評估過程。本文針對某民用飛機(jī)煙霧探測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了貨艙地面煙霧探測響應(yīng)試驗和數(shù)模模擬試驗，探索通過數(shù)值模擬方法評估貨艙煙霧探測系統(tǒng)性能的可行性。

1 貨艙煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計需求

貨艙防火是民用飛機(jī)防火設(shè)計的重要內(nèi)容，客機(jī)貨艙一般都位于客艙的下面，為C級貨艙，飛行中當(dāng)貨艙著火時，機(jī)組成員無法直接觀察到。對于C級貨艙，F(xiàn)AA適航規(guī)章要求布置煙霧探測或火警探測器系統(tǒng)，貨艙著火時提出警告。FAA聯(lián)邦適航規(guī)章條款FAR25.858對貨艙煙霧和火警探測系統(tǒng)的要求如下：如果申請帶有貨艙或行李艙煙霧探測或火警探測裝置的合格審定，則對于每個裝有此種裝置的貨艙或行李艙，必須滿足下列要求：

1）該探測系統(tǒng)必須在起火后一分鐘內(nèi)，向飛行機(jī)組給出目視指示；

2）必須表明，探測系統(tǒng)在所有經(jīng)批準(zhǔn)的運(yùn)行形態(tài)和條件下均為有效。

2 飛機(jī)貨艙煙霧探測器布置

飛機(jī)貨艙是由天花板、側(cè)壁板、地板、及前、后端板圍成的密閉空間，本文研究的貨艙長8.17米，體積約15立方米，貨艙無通風(fēng)；在貨艙天花板中心線附近布置有6個煙霧探測器，由于飛機(jī)貨艙天花板空間限制，煙霧探測器未完全對稱布置，如圖1所示：

貨艙煙霧探測系統(tǒng)由煙霧探測器、控制器、飛機(jī)電源和飛機(jī)電纜組成。煙霧探測器采用符合TSO-C1c 的基于光散射原理的光電型煙霧探測器，當(dāng)煙霧探測器感受到煙霧濃度超過設(shè)定值時，控制器通過航電系統(tǒng)向機(jī)組人員發(fā)出EICAS 告警指示、燈光和語音告警。為降低煙霧探測系統(tǒng)的虛假概率，正常情況下控制器采用“與”邏輯，即當(dāng)兩個以上（包括兩個）煙霧探測器報警時，控制器判斷貨艙有煙霧狀況；若控制器檢測到有煙霧探測器故障時，則自動轉(zhuǎn)換為“或”邏輯，即只要有單個煙霧探測器報警，控制器即判斷為該區(qū)域有煙霧。

3 貨艙煙霧探測系統(tǒng)性能驗證

為表明貨艙煙霧探測系統(tǒng)設(shè)計符合適航條款要求，本文采用飛機(jī)貨艙地面試驗和數(shù)值模擬兩種方法對貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估。

3.1 貨艙地面試驗

為了得到飛機(jī)真實貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能，設(shè)計人員進(jìn)行了機(jī)上地面試驗 。試驗采用符合AC 25-9 要求的煙霧發(fā)生器產(chǎn)生煙霧。煙霧發(fā)生器的安裝位置如下圖所示。綜合考慮貨艙尺寸和煙霧探測器分布，本文選取兩處較嚴(yán)苛的著火位置進(jìn)行試驗，分別記為位置1和位置2，如圖2所示：

試驗過程如下：

1）試驗前在貨艙內(nèi)特定位置安裝煙霧發(fā)生器；

2）機(jī)務(wù)人員打開貨艙燈，關(guān)上貨艙門；

3）接通煙霧發(fā)生器的同時開始用秒表計時，試驗人員在駕駛艙內(nèi)檢查貨艙內(nèi)煙霧探測系統(tǒng)的告警響應(yīng)，并用秒表計時；

4）駕駛艙內(nèi)收到煙霧探測系統(tǒng)告警后，計時結(jié)束。

3.2 數(shù)值模擬

本文利用美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NationalInstitute of Standards and Technology，NIST）的火災(zāi)動力學(xué)模擬器FDS（Fire Dynamics Simulator），對貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估。FDS軟件數(shù)值方法求解受浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)流動的N-S方程（Navier-Stokes Equations），重點(diǎn)計算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程[2]。

火災(zāi)場景設(shè)置為塑料著火，根據(jù)FAA的William J. Hughes技術(shù)中心利用錐形量熱儀對燃燒的塑料塊的測試數(shù)據(jù)，火源的熱釋放率（heat release rate，HRR）設(shè)置為隨時間變化：從0秒到60秒，火源熱釋放率從0kW逐漸升高到5kW[3-4]。火源位置與貨艙地面試驗中煙霧發(fā)生器位置一致。

數(shù)值模擬得到的煙霧傳播過程如下：

火源位于位置1處，T=3秒，9秒，15秒的煙霧傳播，圖中顯示了火源所在截面的流場、煙霧分布和溫度。右側(cè)顏色帶為流場的溫度，單位℃：

4 結(jié)果分析

數(shù)值模擬和貨艙地面試驗得到的煙霧探測器響應(yīng)時間如表1所示：

數(shù)值模擬和地面貨艙試驗結(jié)果都顯示，無論模擬火源/煙霧發(fā)生器位于位置1還是位置2，煙霧探測系統(tǒng)都可以在17秒以內(nèi)發(fā)出告警，滿足適航條款要求的60秒告警的要求。

當(dāng)火源位于位置1時：

數(shù)值模擬得到的火源附近煙霧探測器5和6所在位置昏暗度與時間關(guān)系見圖10：

煙霧探測器6在著火后10.4秒首先觸發(fā)告警，隨后煙霧探測器5在16.3秒觸發(fā)。根據(jù)煙霧探測系統(tǒng)的“與邏輯”設(shè)計，此時系統(tǒng)發(fā)出煙霧告警。

當(dāng)火源位于位置2時：

數(shù)值模擬得到的火源附近煙霧探測器2和3所在位置昏暗度與時間關(guān)系見圖11：

數(shù)值模擬結(jié)果表明，煙霧探測器3在著火后10.6秒首先觸發(fā)告警，隨后煙霧探測器2在12.4秒觸發(fā)。根據(jù)煙霧探測系統(tǒng)的“與邏輯”設(shè)計，此時系統(tǒng)發(fā)出煙霧告警。

數(shù)值模擬結(jié)果和地面貨艙試驗結(jié)果都顯示，當(dāng)火源/煙霧發(fā)生器在位置1時，煙霧探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間要大于火源/煙霧發(fā)生器在位置2時。對于數(shù)值模擬結(jié)果，火源在位置1的響應(yīng)時間比火源在位置2的響應(yīng)時間大3.9秒；對于貨艙地面試驗結(jié)果，煙霧發(fā)生器在位置1時，煙霧探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間比煙霧發(fā)生器在位置2的響應(yīng)時間大1.26秒；以上結(jié)果表明，地面貨艙試驗和數(shù)值模擬方法在較嚴(yán)苛著火位置的預(yù)測上結(jié)果是一致的。

通過分析煙霧傳播過程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源位于位置1時，煙霧在熱浮力的驅(qū)動下上升，當(dāng)煙霧上升到天火板后受天花板的阻擋四散傳播，傳播過程中由于受到到天火板、貨艙前壁板和側(cè)壁板的阻擋，煙霧在貨艙的角落集聚，傳播速度變慢；而火源位于位置2時，煙霧上升到天花板后僅在側(cè)面有貨艙側(cè)壁板阻擋，煙霧向貨艙前、后的傳播未受影響。同時，由于煙霧探測器5距離位置1較遠(yuǎn)，因此火源位于位置1時貨艙煙霧探測系統(tǒng)的響應(yīng)時間比位置2著火時時間長。

飛機(jī)貨艙地面試驗和數(shù)值模擬方法得到的煙霧探測系統(tǒng)響應(yīng)時間偏差在±2秒以內(nèi)，差異主要是因為數(shù)值模擬過程中煙霧的傳播是受火源的熱浮力驅(qū)動的，而貨艙地面試驗過程中，煙霧由煙霧發(fā)生器產(chǎn)生，煙霧的產(chǎn)生通過加壓的氮?dú)獯党觯⒎峭ㄟ^真實火源驅(qū)動，造成煙霧的傳播時間有差異。

5 結(jié)論

本文通過飛機(jī)貨艙地面試驗和數(shù)值模擬方法對飛機(jī)貨艙煙霧探測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示貨艙煙霧探測系統(tǒng)的設(shè)計滿足適航要求；飛機(jī)貨艙地面試驗和數(shù)值模擬得到的較嚴(yán)苛的著火位置是一致的；本文中飛機(jī)貨艙地面試驗和數(shù)值模擬方法得到的煙霧探測系統(tǒng)響應(yīng)時間偏差在±2秒以內(nèi)；表明數(shù)值模擬方法對貨艙煙霧探測系統(tǒng)性能的評估具有重要的參考意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳曦，錢稼茹，潘鵬.點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)信號時程數(shù)值預(yù)測方法[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，49（3）：337-340，345.

[2]Kevin McGrattan， Randall McDermott， Fire Dynamics Simulator （Version5） Users Guide[Z]. Baltimore， Maryland， USA， National Institute of Standards andTechnology， 2010.

[3]Ezgi Oztekin. Smoke transportin a cargo compartment[Z]. Koeln， Germany： International Aircraft SystemsFire Protection Working Group， 2011.

[4]程書山.大型客機(jī)貨艙煙霧探測模擬研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013（3）：56-58.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]