民機貨艙氣溶膠燃爆特性的實驗研究*

王偉 王堅 楊君濤 張永豐 任常興

(1.應急管理部上海消防研究所 上海 200032； 2.清華大學公共安全研究院 北京 100084；3.應急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

我國國產大飛機發(fā)展迅猛，ARJ21和C919相繼問世，中國商飛預計在未來20年內全球大型民用飛機將新增37 000多架，客運周轉量將達到17萬億人公里。民機貨艙位于機艙腹部，輸運貨物種類繁雜且一般呈散裝堆放，其中不乏含鋰電池電子產品、氣溶膠類等易燃易爆品，極易引起艙內超壓6.895 kPa限值而觸發(fā)艙體卸壓板。此外，碳纖維復合材料、鎂合金材料等航空新材料逐漸推廣應用，對大飛機火災防護不斷提出新的挑戰(zhàn)。貨艙火災已成為威脅航空安全的主要因素，近年來發(fā)生多起貨艙貨物起火造成機毀人亡的事故[1]。與平原地區(qū)燃燒相比，飛機貨艙火災處于特殊低壓低氧的受限空間中，其碳顆粒濃度和輻射熱通量等降低，使得機載光電感煙探測系統(tǒng)更難準確報警[2]。目前對大飛機高空降/升壓過程火災動力學特性、降壓過程抑滅火效能以及升壓過程中火災復燃機制等問題認識不清，缺乏關于動態(tài)變壓和細水霧對氣溶膠爆炸抑制機制等的研究。如何有效抑制氣溶膠燃爆，保護機上人身財產安全，是民機貨艙高空火災研究的一個重要安全課題。

近年來，隨著航空防滅火和高原火災等問題所受到的關注日益增加，國內外學者對飛機貨艙在高海拔或低壓低氧特殊環(huán)境下火災動力學特色及火災危險性開展了大量研究工作。在受限空間內細水霧抑制爆炸方面，2004年PARRA T 等[3]在受限空間內開展細水霧與預混火焰作用研究，提出了細水霧能夠延緩火焰前鋒壓力波的向前傳遞。2009年李成兵等[4]分析了細水霧在抑制甲烷燃爆過程中的化學動力學作用機理。CAO X等[5]采用NaCl作為添加劑，開展了超細水霧抑滅火不同濃度瓦斯氣體爆炸實驗，認為超細水霧從物理和化學作用兩方面有效提高抑爆效果。2009年WILLAUER H D等[6]在管狀容器中開展細水霧抑制TNT和Destex爆炸實驗，證明了細水霧對初壓和靜態(tài)超壓有較好的控制作用。2016年LINTERIS G T等[7]采用C3H2F3Br開展飛機貨艙抑制氣溶膠爆炸實驗，有效降低艙體內峰值溫度和超壓強度，并提出其滅火抑爆熱動力學模型和燃燒增強機理。美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)長期開展飛機貨艙特殊火行為和抑滅火系統(tǒng)研究，JOHN W R[8-9]開展了多項氣溶膠燃爆實驗，并于2012年更新制定了飛機貨艙內針對包括氣溶膠在內的4類火災場景的哈龍?zhí)娲鷾缁饎┳畹托阅軜藴省?016年YANG S L等[10]重點研究了低壓條件對正庚烷燃燒煙氣中碳顆粒濃度、微觀形貌特征、煙粒子散射特性等方面的影響。2019年WANG W等[11]研究了降壓抑滅火措施對貨艙內液體和固體火災不同的影響機制，并分析兩者不同的火災危險性階段。國內外針對動態(tài)變壓環(huán)境特殊火行為以及民機貨艙細水霧滅火抑爆機制方面已開展了大量研究，為本課題提供了良好的研究基礎，但缺乏真實機艙環(huán)境特別是飛行狀態(tài)的測試環(huán)境，仍存在一些不足之處?，F(xiàn)階段對于民航貨艙受限空間內氣溶膠燃爆特性研究較為缺乏，對于細水霧對氣溶膠爆炸抑制機制不清，亟需借助于全尺寸的模擬標準艙開展相關的實驗研究。

1 實驗平臺及裝置

1.1 全尺寸動態(tài)變壓標準實驗貨艙

符合美國FAA-MPS標準的全尺寸動態(tài)變壓標準實驗貨艙于2016年8月在康定機場實驗室搭建完成，如圖1所示。該實驗平臺艙體內腔室尺寸為8.11 m×4.16 m×1.67 m，總容積為56.6 m3，主要由艙體、氣壓控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、頂棚、實驗裝置、電控系統(tǒng)、外圍設備等組成，可以重現(xiàn)民航大飛機在火災應急情況下真實貨艙變壓條件。通過由高壓泵站組成的氣壓控制系統(tǒng)調節(jié)艙內氣壓，其艙內氣壓可調節(jié)范圍是24～110 kPa (9.144 km至海平面)，動態(tài)變壓速率可設定范圍為3～20 kPa/min，艙體還配備有艙門氣體泄漏模擬系統(tǒng)。該實驗艙體是國際首創(chuàng)的可實現(xiàn)動態(tài)變壓條件下貨艙火行為特性及其抑滅火技術探究的全尺寸實驗平臺，可以在艙內開展多種類型的火災、爆炸及滅火實驗研究，為本文研究內容的最主要研究載體。

(a)外部全景

1.2 氣溶膠爆炸裝置研制

課題組研制高壓氣溶膠爆炸觸發(fā)裝置示意見圖2，由氣溶膠混合腔體、壓力傳感器(罐壓)、氣動閥、熱風槍、固定架等組成。固定好爆炸裝置支架，安裝氣動閥、壓力傳感器和熱風槍等，壓力傳感器(罐壓)與無紙記錄儀相連，實時監(jiān)測氣溶膠罐內混合物壓力。氣動閥與高壓氣路相連控制閥門開關，氣動閥球閥從關閉到全開時間控制在0.1 s以內，保證氣溶膠蒸氣云的形成。采用電弧點火器進行氣溶膠引爆，點火器與氣溶膠腔體釋放口相平齊，距離地面高度61.0 cm，距離釋放口水平距離91.4 cm。

圖2 氣溶膠爆炸實驗裝置示意

氣溶膠由水、乙醇和液態(tài)丙烷按照90 g∶270 g∶90 g比例組成，將拆卸后的氣溶膠罐體放置于高精度天平上，將稱重后的水和乙醇依次加入罐內，之后將氣溶膠罐與丙烷鋼瓶連接，打開鋼瓶閥門通過天平質量控制注入90 g液態(tài)丙烷。實驗場地人員撤離到安全位置后開啟熱風槍對混合腔體加熱，升溫后罐體內壓力增大，當混合腔體壓力達到1.6 MPa時，先斷開熱風槍電源，然后氣動閥控制器觸發(fā)啟動，釋放形成氣溶膠氣云。

2 民機貨艙受限空間內氣溶膠燃爆機制

2.1 開放空間氣溶膠燃爆

在開放空間中氣溶膠燃爆過程見圖3，通過高速攝像機獲得燃爆過程圖像，氣動閥觸發(fā)后氣溶膠迅速噴出形成白色蒸氣云，蒸氣云向前方運移擴展體積增大，接觸到火源后被引爆伴有巨大響聲和沖擊波。燃爆火焰在氣溶膠蒸氣云內迅速傳播，在慣性的作用下整體繼續(xù)向前運動，燃爆初期階段燃爆火焰成球狀，隨爆炸發(fā)展逐漸轉變?yōu)殚L條狀。在靠近氣溶膠釋放口側蒸氣云有部分未參與燃爆過程，推測與氣溶膠中組成有關。

(a)氣溶膠觸發(fā) (b)氣溶膠點燃 (c)氣云全面燃爆 (d)燃爆衰減

2.2 模擬貨艙內氣溶膠燃爆特性

本次受限空間內氣溶膠燃爆實驗在課題組研制的受限空間氣溶膠燃爆實驗艙內完成，在實驗艙內氣溶膠燃爆實驗設備布置見圖4。電弧式點火器位于氣溶膠釋放口正前方91 cm處，采用沙袋進行加固，4組爆炸沖擊波壓力傳感器依次等間距1 m布置在點火器前面，第一個傳感器位置靠近點火器。

圖4 受限空間燃爆實驗布置

在受限實驗艙體內氣溶膠燃爆過程見圖5，通過高速攝像機獲得燃爆過程圖像，氣動閥觸發(fā)后氣溶膠迅速噴出形成白色蒸氣云，蒸氣云向前方運移擴展體積增大，蒸氣云接觸到點火器的初期未直接發(fā)生燃爆，在蒸氣云向前運動的過程中突然被點燃發(fā)生爆炸，燃爆火焰向前后方均發(fā)生爆炸傳播，在開放空間氣溶膠氣云運動和燃爆傳播均在噴射口前方區(qū)域且向前傳播。在模擬貨艙受限空間內所形成爆炸火焰體積更大更明亮，在艙體高程1.67 m范圍內充滿火焰，同時伴隨爆炸聲響，受艙體隔絕影響爆炸聲響較小，燃爆后火焰明亮度降低，體積迅速減少并消失。

(a)氣溶膠觸發(fā) (b)氣溶膠點燃 (c)氣云全面燃爆 (d)燃爆衰減

2.3 點火能和氣壓對氣溶膠燃爆的影響

分別采用電弧點火器和10 cm正庚烷油池火做為點火源進行氣溶膠燃爆實驗，由油池火作為點火源的工況所產生的燃爆強度更大，起爆時間也更短，氣溶膠氣云經(jīng)過油池火的過程中被迅速點燃，轉化成全面燃爆；而采用電弧點火器的實驗工況，氣溶膠氣云接觸到點火器后被點燃，被點燃的火焰在氣云內部擴散傳播逐漸形成大面積燃爆火焰，引燃后發(fā)生爆燃的時間更長，火焰體積相對較小。

通過模擬貨艙氣壓控制系統(tǒng)分別將貨艙內氣壓調整到46 kPa和76 kPa開展氣溶膠燃爆實驗，兩種氣壓條件下均發(fā)生燃爆現(xiàn)象。46 kPa氣壓條件下氣云燃爆體積較小，爆炸強度較低，此外燃爆火焰持續(xù)時間較長，甚至爆炸完成后仍有部分氣溶膠液體未參與燃爆，被噴射到距離噴射口前面1.5 m左右的地面繼續(xù)燃燒。在低氣壓條件下，一方面受空氣密度降低影響，噴射燃料與空氣作用不夠充分，所形成的氣溶膠體積較小，空間密度較高，不易充分燃爆；另一方面低氣壓帶來較低的氧氣分壓，氣溶膠燃爆過程中所能獲得氧氣偏低，也是影響其爆炸強度的主要因素。

2.4 細水霧環(huán)境中氣溶膠燃爆

細水霧以響應迅速、滅火有效、對環(huán)境污染和防護對象破壞性小、耗水量低等特點已被看作主要哈龍?zhí)娲罚陲w機貨艙抑滅火方面展示出廣闊的應用前景。

采用自主研發(fā)的適用于飛機貨艙抑滅火的水平射流噴頭，0.4 MPa氮氣作為驅動，水壓設定為0.2 MPa，水量為300 mL/min，所形成的細水霧環(huán)境穩(wěn)定后其粒徑90%在200 μm以下。分別在細水霧觸發(fā)初期和穩(wěn)定細水霧環(huán)境中開展氣溶膠燃爆實驗，如圖6所示。

(a)細水霧觸發(fā)初期氣溶膠與細水霧互相激勵燃爆

在細水霧觸發(fā)初期的實驗條件下，氣溶膠發(fā)生猛烈的燃爆，燃爆火焰體積充滿整個模擬貨艙，并且伴有猛烈的沖擊力，將布置在艙體門口附近的攝像機吹散到3 m以外。細水霧觸發(fā)初期所產生的細水霧參與到氣溶膠燃爆過程中，在大量氣溶膠燃爆火焰的強烈作用下形成水煤氣，水煤氣和氣溶膠混在一起相互激勵燃爆，從而造成更大的燃爆強度。當細水霧在貨艙內彌漫形成穩(wěn)定的細水霧環(huán)境后，噴射口打開后仍會形成氣溶膠霧狀體，但是氣溶膠接觸到點火器之后沒有發(fā)生燃爆。細水霧可以抑制民機貨艙內的氣溶膠爆炸，但是若在細水霧觸發(fā)初期氣溶膠被引爆，反而會起到相反的激勵作用，可以考慮在細水霧中增加其他添加劑來進一步增加細水霧的抑爆作用，減弱其參與爆炸的可能性。

3 結論

(1)民機貨艙受限空間內氣溶膠燃爆火焰向前后方均發(fā)生爆炸傳播，在開放空間中氣溶膠氣云運動和燃爆傳播均在噴射口前方區(qū)域且向前傳播。

(2)民機貨艙受限空間內氣壓越高，氣溶膠燃爆強度越高；低氣壓條件下空氣密度和氧分壓濃度較低，形成氣溶膠體積較小且擴散不充分，燃爆獲得氧氣難度增大，燃爆強度降低。

(3)氣溶膠燃爆受細水霧控制作用明顯，細水霧不同觸發(fā)階段對爆炸影響作用機制不同，低濃度細水霧環(huán)境對燃爆有一定增強作用，參與激勵燃爆，中期減弱爆炸，濃度增大到一定程度后可以抑制燃爆。