感光型火警探測器在直升機防火系統(tǒng)中的應用研究

翟雅瓊，鄭友蘭，李基堂，張 濤，余達恒

(1.中航工業(yè)天津航空機電有限公司， 天津市 300308； 2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；3.總參陸航部駐天津地區(qū)軍代室， 天津市 300308； 4. 空軍駐天津地區(qū)軍事代表室， 天津市 300308；)

感光型火警探測器在直升機防火系統(tǒng)中的應用研究

翟雅瓊1，鄭友蘭2，李基堂3，張 濤4，余達恒1

(1.中航工業(yè)天津航空機電有限公司， 天津市 300308； 2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；3.總參陸航部駐天津地區(qū)軍代室， 天津市 300308； 4. 空軍駐天津地區(qū)軍事代表室， 天津市 300308；)

感光型火警探測器具有不小于90°的錐形視角和數(shù)米遠的探測距離，以及響應速度快、環(huán)境適應性強和非接觸式測量等優(yōu)點，已廣泛應用于國外先進飛機的防火系統(tǒng)中。文章對感光型火警探測器的技術原理、特點及國外直升機防火系統(tǒng)中的應用實例進行了分析和研究。

感光型；火警探測器；非接觸；紫外；紅外

0 引言

飛機無論是在空中還是在地面，著火都是最危險的威脅之一，因此安裝防火系統(tǒng)對飛機上的火區(qū)進行防護是十分必要的。飛機上典型的火區(qū)是發(fā)動機艙，由于發(fā)動機艙內(nèi)溫度很高，當艙內(nèi)出現(xiàn)燃油、滑油泄漏，或艙內(nèi)電氣線路故障時，發(fā)動機艙內(nèi)就可能發(fā)生著火。一旦發(fā)動機艙著火，如果不及時采取措施，不僅會嚴重損壞發(fā)動機，還直接危及飛行安全?，F(xiàn)代飛機的發(fā)動機艙均設置了火警探測系統(tǒng)，當發(fā)動機艙內(nèi)發(fā)生火情時，及時準確地發(fā)出火警信號，并觸發(fā)滅火器實施滅火。

目前常見的用于飛機發(fā)動機艙的火警探測器種類主要有雙金屬式、熱敏電阻式、熱電偶式和氣動線式等。隨著火警探測技術和光電子技術的發(fā)展，感光型火警探測器以其可靠性高、不受電磁干擾、響應速度快、空間檢測和有效抑爆等優(yōu)點，逐步被應用于國外先進飛機的火警探測系統(tǒng)。

1 感光型火警探測器技術研究

1.1 技術原理

探測火焰可以利用火焰輻射的光作為信號，來自火焰的輻射是具有離散光譜的氣體輻射和伴有連續(xù)光譜的固體輻射，其波長在100nm～10μm或更寬的范圍內(nèi)。由于太陽是最強烈的輻射源,太陽輻射的光強比火焰大得多，為了可靠地探測火焰，必須避開陽光的影響。太陽光經(jīng)過大氣層時，由于臭氧層(O3)的吸收，到達地面的陽光中200nm～300nm范圍的紫外光衰減殆盡；同時，由于二氧化碳(CO2)和水蒸氣(H2O)的吸收，到達地面的陽光中中心波長在2.7μm和4.3μm的紅外光也被強烈地吸收，如圖1所示，這些波長范圍被稱為“日光盲區(qū)”。通過監(jiān)測“日光盲區(qū)”光輻射強度的大小，可以實現(xiàn)對火焰的準確探測[1]。

由于200nm～300nm處于電磁波譜中的紫外波段，因此將響應火焰產(chǎn)生的紫外輻射而工作的探測器稱為紫外火焰探測器；而2.7μm和4.3μm處于電磁波譜中的紅外波段，因此將響應火焰產(chǎn)生的紅外輻射進行工作的探測器稱為紅外火焰探測器。為了提高探測的可靠性，將兩個或三個波段同時作為探測對象，出現(xiàn)了雙紅外、三紅外和紅外紫外復合的火焰探測器。

無論是哪種類型的感光型火警探測器，其基本原理是相似的，原理框圖如圖2所示。

火焰輻射的紫外或紅外光透過光學窗口照射到光敏元件上，利用光敏元件的光電效應，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)火警控制盒采集和調(diào)理后，轉(zhuǎn)換為報警電壓信號，從而實現(xiàn)探測火警的目的。

1.2 技術特點

感光型火警探測器具有以下特點：

1) 監(jiān)控范圍大

由于感光型火警探測器具有90°或更大的立體探測角度，因此使用較少的探測器就可以監(jiān)測較大的范圍。這個優(yōu)點對飛機發(fā)動機艙、APU艙和貨艙的監(jiān)控是很有利的。但是，在進行安裝設計時，應該避免遮擋物直接遮擋探測器窗口。

2) 遠距離探測

大范圍監(jiān)控的另一個要素是有能力進行遠距離探測。感光型火警探測器的探測距離可以根據(jù)需求設計到2m甚至更遠，這樣將有能力克服一些安裝限制，例如探測器可以遠離飛機高溫區(qū)，只要探測光路通暢，即可實現(xiàn)有效的探測，探測系統(tǒng)的安裝將更具靈活性。

3) 對光的探測

與其他類型的火警探測器(溫度探測器或煙霧探測器)不同的是，感光型火警探測器能夠探測到火焰發(fā)出的光。由發(fā)動機起動或發(fā)動機艙缺少通風導致的溫度上升將不會給探測器造成干擾。這樣就不用根據(jù)安裝區(qū)域的溫度場不同而使用不同測溫范圍的火警探測器，從而增加火警探測器的通用性和備件的靈活性。

4) 快速探測能力

感光型火警探測器的響應時間可以達到幾毫秒，但是為了提高探測系統(tǒng)的可靠性，避免假報警，通常會在火警控制器中增加延時設計，一般感光型火警探測系統(tǒng)可在2s到5s內(nèi)啟動，完全符合FAA標準的要求。

使用感光型火警探測器，能立即探測到發(fā)動機艙內(nèi)出現(xiàn)的初期火情。而其他火警探測器，如線式火警探測器和雙金屬片式火警探測器，需要等到火焰擴散到安裝火警探測器的位置或達到平均溫度臨界值后才能啟動報警。

5) 安裝靈活

感光型火警探測器安裝在飛機上，與被探測的設備無需采用特定的機械連接，這樣就能留出寬敞的維修通道進行發(fā)動機等設備的維護。相比之下，線式火警探測器的安裝要靠近被探測設備，需要沿著發(fā)動機或特定的支架安裝，在維護發(fā)動機前或者在開啟的整流罩上進行維修操作時必須拆除探測器，否則容易造成損壞。

2 感光型火警探測器應用

2.1 可行性研究

直升機發(fā)動機艙易著火的區(qū)域大體可以劃為兩個：一是發(fā)動機的附件機匣冷端區(qū)，該區(qū)域著火的可能原因是燃油或滑油的泄漏；另一區(qū)域是發(fā)動機燃燒室熱端區(qū)，該區(qū)域溫度高，燃油噴嘴如果泄漏極易引發(fā)火災。燃油著火的顯著特點是會產(chǎn)生強烈的光輻射，同時向外輻射熱量，因此使用感溫型或感光型的火警探測器是可行的。

目前國內(nèi)外在役直升機的發(fā)動機艙火警探測系統(tǒng)大多采用感溫火警探測器，并以雙金屬片式感溫探測器居多。雙金屬片式感溫探測器是采用兩種感溫系數(shù)的不同金屬片作為感溫元件，當周圍介質(zhì)溫度達到規(guī)定值時，安裝在雙金屬片之間的觸點分開，使得探測器兩接線柱之間產(chǎn)生電壓階躍信號。這種探測器直接安裝在發(fā)動機表面上，根據(jù)發(fā)動機表面不同區(qū)域溫度場，以及易著火的部位進行布置，單臺發(fā)動機上布置的火警探測器數(shù)量一般在4-9個。發(fā)動機不同區(qū)域溫度不同使得火警探測器的測溫范圍各不相同。每臺發(fā)動機上的火警探測器采用串聯(lián)連接，任何一個火警探測器或幾個探測器感受高溫后，均會輸出火警告警信號。該類型探測器技術成熟、性能穩(wěn)定、可靠性較高。

但是，感溫火警探測器有其局限性，因發(fā)動機表面不同區(qū)域的溫度場不同，探測器探測范圍窄，單臺發(fā)動機需配備不同品種和多數(shù)量的探測器；探測器安裝在發(fā)動機表面，不便于發(fā)動機的維護；最重要的是探測器感受的是周圍介質(zhì)的高溫，而不是真正的火災。

隨著光電子技術的不斷發(fā)展和應用，現(xiàn)代國外先進直升機逐步采用感光型火警探測器替代感溫式火警探測器。感光型火警探測器最顯著的特點是具有空間探測能力，即非接觸式的測量，理論上，只要火焰輻射的光進入感光型火警探測器的錐形視野范圍，即可報火警，如圖3所示。

基于感光型火警探測器空間探測的特點，每個發(fā)動機艙一般情況下只需要安裝2個探測器，分別監(jiān)視易著火的兩個區(qū)域即可。需要注意的是，安裝感光型火警探測器時應避免遮擋探測窗口。

2.2 應用實例分析

2.2.1 “黑鷹”直升機上的紅外火焰探測器

KAD (Kidde Aerospace and Defense)公司生產(chǎn)的紅外火焰探測器[3]利用中心波長為4.3μm的紅外波段探測火災，并采用數(shù)字信號處理電路來區(qū)分火焰產(chǎn)生的閃爍和發(fā)動機工作引起的背景紅外信號。數(shù)字處理電路還可以區(qū)分來自非火源(例如自然光和人造光源)產(chǎn)生的背景。紅外火焰探測器具有自檢(BIT)功能，自檢通過在探測器外殼內(nèi)安裝一個紅外光源來實現(xiàn)，當火焰探測器自檢時，給測試輸入端施加28VDC信號，同時紅外光源給探測器施加脈沖熱信號，紅外火焰探測器即輸出報警信號。

KAD公司的感光型火警探測器滿足MIL-F-23447的要求，并獲得美國聯(lián)邦航空局(FAA)批準，應用于包括AH-64(“阿帕奇”)、H60(“黑鷹”)、RAH-66(“科曼奇”)在內(nèi)的多個型號的直升機和F-22、F-18E/F多個型號的戰(zhàn)斗機的防火系統(tǒng)。

“黑鷹”直升機發(fā)動機艙和APU 艙均安裝了KAD公司的紅外火警探測器(見圖4)。每個發(fā)動機艙配備兩個紅外火警探測器，一個安裝在縱向防火墻上部，火警探測器的探測窗口朝下，用于監(jiān)控發(fā)動機附件機匣可能出現(xiàn)因燃油或滑油泄漏引起的火情；另一個安裝于發(fā)動機底部的動力平臺上，火警探測器的探測窗口朝向發(fā)動機燃燒室，用于監(jiān)控發(fā)動機熱端區(qū)的燃燒室燃油噴嘴可能泄漏引起的火情。

2.2.2 NH90直升機上的紫外-紅外火焰探測器

根據(jù)歐洲直升機公司(Eurocopter)對感光型火警探測器的研發(fā)經(jīng)驗，早期階段，他們采用4.3μm的紅外火焰探測器作為發(fā)動機艙的火警探測器，但隨后發(fā)現(xiàn)當發(fā)動機開車時，假報警率很高。因為發(fā)動機艙通風不理想造成的局部溫升會輻射出4.3μm左右的電磁波，從而造成紅外火焰探測器假報警。進一步的研究使歐洲直升機公司對感光型火警探測器獲得了更多了解，他們進行了一些試驗，對單紫外(UV)、單紅外(IR)、雙紅外(IR-IR)、紫外紅外(UV-IR)復合火焰探測器進行了不同光源的響應特性研究，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 各種感光型火警探測器對不同光源的響應[4]

歐洲直升機公司從試驗結(jié)果得到驗證，認為單一的紅外火焰探測器對熱的物體是敏感的，增加一個紅外波段的雙紅外火焰探測器并不能解決這一問題，因此不適用于發(fā)動機艙的火警探測。非日盲型單紫外火焰探測器雖然對日光敏感，但在發(fā)動機艙和主傳動艙環(huán)境中不可能存在日光，因此單一的紫外火焰探測器是適合應用于直升機發(fā)動機艙和主傳動艙的。

同時，歐洲直升機公司并未放棄紅外火焰探測器在具有特殊特征的火焰方面(閃爍和CO2吸收波長)的檢測能力，而最終選擇了紅外紫外復合的探測方式。這使得感光型火警探測器在性能和可靠性方面更具優(yōu)勢，同時，對日光和熱的不敏感使得紫外紅外復合火焰探測器具有應用于飛機其他部位(貨艙等其他無人機艙或非密閉艙)的可能性。

L’HOTELLIER公司的紅外紫外復合火焰探測器于2002年底定型，應用于歐直公司NH90直升機的發(fā)動機艙和主傳動艙的防火系統(tǒng)。NH90直升機應用了第一個航空紅外紫外復合火警探測器，也是最早應用紅外紫外復合火警探測器的直升機[4]。

3 技術難點分析

3.1 惡劣環(huán)境的要求

飛機發(fā)動機艙等無人艙惡劣的工作環(huán)境，要求感光型火警探測器具有很強的耐高溫和耐振動能力。根據(jù)TSO-C79的要求，應用于飛機發(fā)動機艙的火焰探測器至少應在150℃的高溫環(huán)境下長期工作。這對火焰探測器中的敏感元件提出了更高的要求。同時，在機上由發(fā)動機工作而引起的振動環(huán)境，要求火焰探測器進行抗振結(jié)構設計，以避免長期振動對器件造成的損傷。

3.2 火焰特征識別及干擾源剔除的要求

假報警是飛機防火系統(tǒng)最頻發(fā)的故障，而對于感光型火警探測器，機上的許多干擾源(例如熾熱的發(fā)動機、雷電、電弧燈)都有可能引起探測器假報警。因此感光型火警探測器的設計需要精確地識別火焰特征光譜，并結(jié)合火焰的閃爍頻率特征，通過合理的邏輯處理單元剔除假報警信息，才能實現(xiàn)可靠的報警。

4 結(jié)論

本文介紹了感光型火警探測器的技術原理和特點，對國外感光型火警探測器在直升機上的應用和發(fā)展情況進行了分析和介紹，探討了感光型火警探測器應用于直升機發(fā)動機艙的可行性和技術難點，為直升機感光型火警探測器設計和應用提供參考。

[1] 吳龍標，方 俊，謝啟源. 火災探測與信息處理[M]. 北京:化學工業(yè)出版社， 2006:99-158.

[2] Kidde Aerospace and Defense. Optical Fire Detection for Engine Nacelle and Auxiliary Power Units[Z].

[3] www.kiddeaerospace.com. [EB/OL].

[4] Mr PASTORE O. EUROCOPTER，Aéroport de Marseille Provence，13725 Marignane Cedex[Z].Franc .

An Application Study on Optical Fire Detector for Helicopter Fire Protection System

ZHAI Yaqiong1, ZHENG Youlan2, LI Jitang3, ZHANG Tao4, YU Daheng1

(1.AVIC Tianjin Aviation Electro-Mechanical Co., Ltd，Tianjin 300308, China; 2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China; 3.Department of the General Staff Army Aviation Military Representative in Tianjin，Tianjin 300308, China; 4.Air Force Military Representative Office in Tianjin, Tianjin 300308, China)

With the advantages of more than 90°solid angle and a distance of detection, fast response speed, adaptability to environment, non-contact measurement, and so on, the optical fire detectors have been widely used on the fire protection systems of overseas advanced aircrafts. This paper studies the basic principle, characteristics and application examples of the optical fire detectors. Some references were useful for the design of optical fire detection system.

optical；fire detector；non-contact；ultraviolet；infrared

2016-08-12

翟雅瓊(1984-)，女，河北省張家口市人，工學碩士，高級工程師，主要從事飛機火警探測器的研制工作。

1673-1220(2017)01-066-04

V228.6;V233.3

A