飛機鋰電池火災(zāi)控制策略淺析

崔紅偉 戰(zhàn)京景 赫世棟

摘 要：鋰電池以重量輕、蓄電量大的特點得到廣泛應(yīng)用，飛機上使用鋰電池作為應(yīng)急蓄電池組或者航空運輸鋰電池的過程中，火災(zāi)時有發(fā)生，造成巨大損失，嚴重影響飛機飛行安全。本文通過對鋰電池火災(zāi)特點和滅火劑滅火效果進行研究，得到針對飛機不同部位鋰電池火災(zāi)的控制方法，對飛機防火系統(tǒng)設(shè)計及安全運行具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：防火系統(tǒng)；鋰電池火災(zāi)；飛機安全；控制策略

1.引言

近幾年，鋰電池以小的空間和輕重量實現(xiàn)大的蓄電量和放電電流優(yōu)勢得到市場青睞。在小型電子設(shè)備（筆記本電腦、手機、照相機等），交通工具（電動車、電動汽車、混合動力汽車等）和航空器（航空器的應(yīng)急照明和發(fā)動機以及 APU等部位）中得到了廣泛應(yīng)用，目前我國鋰電池市場規(guī)模每年擴展40%，已經(jīng)躍居世界第三位。

鋰電池優(yōu)點眾多，但同時，鋰電池也十分危險，非常容易發(fā)生火災(zāi)爆炸。據(jù)FAA的報道，1991年至2018年間，144起空難是由航空器鋰電池（包括航空器使用的和運輸?shù)匿囯姵兀┮?，因此，飛機鋰電池火災(zāi)控制研究十分迫切而重要。

2.鋰電池火災(zāi)特點及滅火劑研究

通過建立鋰電池燃燒試驗?zāi)Ｐ?，如圖1所示，通過大量試驗，結(jié)果表明鋰電池火災(zāi)具有如下特點：

①爆燃性

鋰電池自身是一個封閉的系統(tǒng)，當環(huán)境溫度過高，其吸收熱量，發(fā)生放熱反應(yīng)，使內(nèi)部溫度升高，同時生成的熱會逐漸積聚，使放熱反應(yīng)加速，鋰過熱后有溫度飛升的問題。也就是說，一旦溫度達到一定程度，鋰會自身產(chǎn)生熱，導致溫度進一步升高，直至起火。自加速反應(yīng)產(chǎn)生的氣體使電池內(nèi)壓急劇升高進而發(fā)展為爆燃。

②復燃性

目前航空器使用的哈龍1211和1301滅火劑僅能熄滅噴出的電解液火災(zāi)，但不能抑制電池內(nèi)部的放熱反應(yīng)，因此表面上火情已被撲滅，但內(nèi)部的放熱反應(yīng)使電池溫度的升高仍會使其復燃。因此，一旦鋰電池發(fā)生燃爆，其火勢將得不到控制，極有可能導致機毀人亡。

通過選取典型的滅火劑進行鋰電池火災(zāi)滅火特性試驗[1]，滅火劑分為水基和非水基兩大類，水基滅火劑以液柱形式釋放，非水基滅火劑以霧狀形式釋放。

試驗表明：

①水可以有效熄滅燃燒的電解液，同時可以有效阻止熱失控的發(fā)生；

②水基滅火劑具有較好的冷卻效果，滅火劑使用量的越多，溫度降低的越多；

③非水基滅火劑只有較小的冷卻能力，并且，非水基滅火劑使用量的大小，對冷卻效果影響不明顯；

④哈龍1211和1301可以有效熄滅燃燒的電解液，但卻不能阻止熱失控，滅火過程中，會發(fā)生多次復燃。

3.鋰電池火災(zāi)控制策略

3.1 客艙鋰電池火災(zāi)控制

飛機客艙的鋰電池火災(zāi)主要由旅客隨身攜帶的筆記本電腦、手機、移動充電電源等引發(fā)，對于此類火災(zāi)的發(fā)生，可以及時被機組人員及旅人發(fā)現(xiàn)，因此，只要滅火控制措施有效，方法得當，就可以有效控制火情[2]。

飛機客艙中應(yīng)同時設(shè)置有數(shù)量相當?shù)墓堫悳缁鹌骱退悳缁鹌?。當便攜式鋰電池設(shè)備發(fā)生火災(zāi)時，如火勢較小，可以直接使用水類滅火器進行滅火和抑熱；當火勢較大時，可先使用哈龍滅火器進行火勢控制，熄滅表面火，待火勢較小時，再使用水類滅火器進行抑熱控制，阻止復燃。

3.2 貨艙鋰電池火災(zāi)控制

根據(jù)民機貨艙的種類（A、B、C、E類）[3]不同，特征不同，針對性開展貨艙鋰電池火災(zāi)控制設(shè)計。

（1）A類貨艙

運輸?shù)匿囯x子電池充電量盡量小，最好控制在30%電量以下[4]；在A級貨艙運輸鋰離子電池時，應(yīng)在貨艙內(nèi)布置相應(yīng)數(shù)量的哈龍類手提滅火瓶及水類滅火瓶；當發(fā)生火災(zāi)時，先用哈龍滅火瓶熄滅表面火，再利用水類滅火瓶控制熱失控，防止復燃，直到火災(zāi)完全熄滅。

（2）B類貨艙

運輸?shù)匿囯x子電池充電量盡量小，最好控制在30%電量以下；在B級貨艙運輸鋰離子電池時，應(yīng)在貨艙內(nèi)布置煙霧探測裝置，并且同時布置相應(yīng)數(shù)量的哈龍類手提滅火瓶及水類滅火瓶；當煙霧探測裝置報警后，立即前往貨艙內(nèi)查看火情，并利用手提滅火瓶進行滅火（哈龍先，水類后）。

（3）C類貨艙

在C級貨艙運輸鋰離子電池時，應(yīng)在貨艙內(nèi)布置煙霧探測裝置，并且設(shè)置一套貨艙固定式滅火系統(tǒng)，用于飛機前貨艙和后貨艙的滅火。當貨艙煙霧探測系統(tǒng)探測到貨艙出現(xiàn)火災(zāi)，并向機組人員發(fā)出告警后，機組人員啟動滅火系統(tǒng)進行滅火。滅火系統(tǒng)包括2個高速滅火瓶和2個低速滅火瓶，當滅火系統(tǒng)啟動后，2個高速滅火瓶首先工作，噴出滅火劑使貨艙內(nèi)迅速達到滅火濃度，撲滅火災(zāi)；2個低速滅火瓶再以較低速度向艙內(nèi)補充滅火劑，使艙內(nèi)滅火劑保持一定的濃度，持續(xù)較長時間，保證火災(zāi)不出現(xiàn)復燃。

高速滅火瓶和低速滅火瓶都充填1301滅火劑，滅火劑的劑量根據(jù)艙內(nèi)容積和通風情況進行計算確定。每個滅火瓶設(shè)置一個釋放栓頭，滅火瓶釋放栓頭通過電爆管控制開啟；滅火瓶上設(shè)置溫壓傳感器監(jiān)測瓶內(nèi)溫度與壓力，用于檢測滅火瓶出現(xiàn)的泄漏故障；設(shè)置1個滅火瓶安全釋放口，當滅火瓶內(nèi)壓力達到安全釋放壓力時，安全膜片破裂，滅火瓶泄壓，防止滅火瓶內(nèi)壓力過高對瓶體及環(huán)境造成危害。

根據(jù)滅火瓶充填狀態(tài)及系統(tǒng)布置情況，對滅火系統(tǒng)進行性能計算，確定每管段管徑，保證滅火噴嘴的壓力及噴射流量；通過對滅火劑噴射后貨艙滅火劑濃度場進行仿真分析，確定每個滅火噴嘴的安裝位置及噴口噴射方向。通過上述設(shè)計，使高速滅火瓶噴射后艙內(nèi)滅火劑滿足體積濃度6%，持續(xù)0.5s的最低要求，低速滅火瓶噴射后艙內(nèi)滅火劑滿足體積濃度3%，持續(xù)75min的要求。

當貨艙內(nèi)運輸有鋰離子電池，并且發(fā)生火情后，機組人員除了按照飛行手冊執(zhí)行滅火操作，應(yīng)立即返航或就近著陸，徹底檢查火情。

建議運輸鋰離子電池時，將電池放置于C級貨艙，并控制鋰電池的充電量，同時可以考慮適當增大滅火系統(tǒng)的滅火體積濃度（滅火劑濃度在8%左右更為有利）。

（4）E類貨艙

因為E級貨艙沒有設(shè)置滅火系統(tǒng)，并且沒有人員可以到達的通道，因此， E級貨艙禁止運輸鋰離子電池。

3.3 電子設(shè)備艙鋰電池火災(zāi)控制

鋰離子電池組用于在地面和空中啟動發(fā)動機，或者在地面發(fā)動機停車后提供地面輔助作業(yè)用電，多安裝于飛機電子設(shè)備艙，因此，對電子設(shè)備艙的有效探測是減小鋰離子電池防火的重點。

以空客A380飛機為例[5]，A380的電子設(shè)備艙采用的煙霧探測器由西門子公司研制。利用將探測器安裝在通風管路上，使得發(fā)生火災(zāi)早期產(chǎn)生的煙霧主動進入探測器，實現(xiàn)變被動為主動，發(fā)現(xiàn)早期的火災(zāi)。

當煙霧探測裝置報警后，機械師立即前往電子設(shè)備艙內(nèi)查看火情，確認火災(zāi)后，首先切斷相應(yīng)區(qū)域電源，利用手提滅火瓶進行滅火（哈龍先，水類后）。

3.4 APU艙鋰電池火災(zāi)控制

當鋰離子電池組安裝于APU艙時，雖然APU艙本身固有探測系統(tǒng)（氣動式火警探測器）及固定式滅火系統(tǒng)（哈龍1301），但是，由于APU艙本身的氣流量較大，其滅火系統(tǒng)只會在0.5s的時間保持滅火劑濃度6%，對于鋰離子電池組的火災(zāi)，只能短時熄滅表面火，不能保持對火勢的長時間抑制，因此，無法進行有效滅火。

波音公司對安裝于APU艙的鋰離子電池組專門設(shè)計了一個密封殼體，將鋰離子電池組放置其中，如圖2所示。

新的殼體不光隔熱，還阻絕空氣。燃燒的三要素是燃料、溫度和空氣。如果沒有空氣存在，燃燒是不能持續(xù)的。新殼體有效地阻絕了空氣，具有窒息火災(zāi)的作用。在波音的試驗中，電解液被有意釋放，殼體受到強烈加熱，但由于缺乏空氣，殼體內(nèi)無法引起燃燒和溫度飛升。即使在引入空氣后，由于空間有限，而且后續(xù)空氣無法進入，燃燒也只持續(xù)了200毫秒就熄滅了。

4 結(jié)論

鋰電池火災(zāi)特性爆裂而易復燃，目前，還沒有哪一種滅火劑可以在短時間內(nèi)完全對其控制。徹底解決鋰電池火災(zāi)對飛機危險的辦法有兩個：一是從鋰電池本身進行研究，找到其著火的真正原因，并加以解決；二是研發(fā)出新的滅火劑或滅火方法可以完全控制其燃燒。本文的控制策略只在以上兩個方法得到解決之前的過渡，在短期內(nèi)對保證鋰電池的使用，保證飛機的運行安全，具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]Fire Safety Highlights. By： FAA 2013.

[2]Laptop computer fire extinguishment .FAA. 2012.

[3]CCAR-25-R4，中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標準.

[4]運輸散裝鋰電池的可燃程度評估，F(xiàn)AA. 2010.

[5]A380 Technical training manual maintenance course .2009 AIRBUS.

作者簡介：崔紅偉（1982-）男，漢族，河北保定人，研究生學歷，

中級職稱，從事航空防火系統(tǒng)研究，現(xiàn)就職于天津航空機電有限公司淺析飛機.