民用飛機線纜防火性能適航驗證研究

李龍彬，隋立軍

(1.航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院 第十研究所, 西安 710089) (2.中國民用航空適航審定中心 西安航空器審定中心， 西安 710065)

0 引 言

飛機上發(fā)生火災(zāi)極易導(dǎo)致災(zāi)難事故。對于飛機內(nèi)部使用的材料，要求火災(zāi)發(fā)生后能夠具有防止火勢蔓延的能力，確保一定時間內(nèi)駕駛員對相關(guān)系統(tǒng)、發(fā)動機等的控制，同時也要求材料不產(chǎn)生過量的煙霧、有害氣體，防止和減少人員的傷亡。電線電纜在飛機上的用量大，起著連接飛機各大系統(tǒng)的樞紐作用，因此其防火的性能要求是選用時考慮的重要指標。國內(nèi)對阻燃防火線纜的研究多集中在國內(nèi)外公開標準的比對，具體試驗方法的研究，飛機使用材料整體的適航符合性探討，也給出了當前線纜環(huán)保的發(fā)展趨勢,但對飛機上選用何種線纜能滿足適航規(guī)章的要求，及滿足適航要求的試驗方法的選用很少有系統(tǒng)性的研究。

本文從研究適航規(guī)章對電線電纜防火性能的要求開始，分析線纜標準對其防火性能的要求以及線纜防火阻燃試驗標準方法，探討線纜的適航符合性驗證途徑，總結(jié)航空線纜防火適航驗證的思路。

1 適航規(guī)章對電線電纜防火性能要求分析

對于民用運輸類飛機，在適航規(guī)章CCAR-25-R4中，與艙內(nèi)材料防火性能要求直接相關(guān)的條款是CCAR25.853、855、856，分別針對座艙內(nèi)部設(shè)施、貨倉和行李艙、隔熱/隔音材料。CCAR25.856針對隔熱/隔音材料，不涉及電線電纜。

在CCAR25.853中，條款(a)要求：艙內(nèi)材料(包括用于材料的涂層或飾面)必須滿足本部附錄F第Ⅰ部分規(guī)定的適用試驗準則或其他經(jīng)批準的等效試驗方法，無論飛機的客座量為多少。

在CCAR25.855中，條款(c)要求：C級貨艙的天花板和側(cè)壁的襯墊必須滿足本部附錄F第Ⅲ部分規(guī)定的試驗或其他經(jīng)批準的等效試驗方法的要求；條款(d)要求: 構(gòu)成貨艙或行李艙的所有其他材料必須滿足本部附錄F第Ⅰ部分或其他經(jīng)批準的等效試驗方法規(guī)定的適用試驗準則。

根據(jù)CCAR25.853、855條款的指向，在附錄F第Ⅰ部分(a)材料試驗準則的第(3)條中，可找到線纜進行放置角度為60°燃燒的相關(guān)要求，即：電器系統(tǒng)部件，裝于機身任何區(qū)域的電線或電纜的絕緣層，在按本附錄第Ⅰ部分規(guī)定進行60°試驗時，必須是自熄的；平均燒焦長度不得超過76 mm，移開火源后的平均燃燒時間不得超過30 s，試樣的滴落物在跌落后繼續(xù)燃燒的時間平均不得超過3 s。

從上述條款看出，由于電線電纜一般位于內(nèi)飾與結(jié)構(gòu)之間或結(jié)構(gòu)空間內(nèi)部，如果按照狹義理解，電線電纜容易被排除在CCAR25.853、855條款涉及的材料之外，按照條款CCAR25.853、855的指向，也不能直接判斷出電線電纜是否需要強制進行指定項目的驗證試驗。

適航條款CCAR25.1713、CCAR25.831，分別針對飛機的電氣互聯(lián)系統(tǒng)(EWIS)防火以及飛機的通風。EWIS系統(tǒng)是飛機上任何部位的用于在兩個或多個端點之間傳輸電能(包括數(shù)據(jù)和信號)的任何導(dǎo)線、布線裝置或其組合。在CCAR25.1713中，要求EWIS系統(tǒng)：

(a) 所有EWIS部件必須符合CCAR25.831(c)適用的防煙防火要求。

(b) 位于指定火區(qū)和應(yīng)急程序使用的EWIS部件必須是耐火的。

(c) 安裝于飛機任何區(qū)域的電氣導(dǎo)線和電纜的絕緣，以及對導(dǎo)線和電纜提供額外保護的材料。按本部附錄F第Ⅰ部分的適用部分進行測試，必須是自熄的。

在CCAR25.831中，條款(c)要求：必須有措施保證，在通風、加溫、增壓或其他系統(tǒng)和設(shè)備出現(xiàn)有合理可能的故障或功能失常后，仍能滿足本條(b)的規(guī)定，即要求機組或旅客艙的空氣不得含有達到有害或危險濃度的氣體或蒸汽，一氧化碳在空氣中的濃度不超過1/20 000(認為是危險的)，必須表明飛行期間通常有旅客或者機組乘坐的艙內(nèi)二氧化碳的濃度不得超過0.5%。

綜上，條款CCAR25.1713、CCAR25.831(c)的結(jié)合，更加清晰地指出了電線電纜要進行放置角度為60°燃燒試驗的要求，以及在飛機系統(tǒng)級層面的防煙防火、有害氣體等的要求。對于防煙防火、耐火、有害氣體在系統(tǒng)級層面給出的結(jié)果性需求，在進行飛機設(shè)計時，需要進行需求指標的逐級分解，以保證線纜最終滿足規(guī)章的要求。在電線電纜防火性能要求方面，CCAR25.1713、CCAR25.831的結(jié)合比CCAR25.853、CCAR25.855條款更直接明確。

2 電線電纜標準要求分析

2.1 國外電線電纜標準現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

經(jīng)過多年的發(fā)展，國際上已形成了一系列的電線電纜規(guī)范、試驗方法、標準等，形成了完備的體系，主要分歐洲標準系列(IEC、ISO、BS、DIN等)和美國標準系列(UL、ASTM、AEIC、SAE等)，歐洲國家內(nèi)部的標準BS、DIN要求一般高于IEC的要求。在防火阻燃電線電纜或材料的試驗標準方面，這兩個系列標準最大的區(qū)別是對成束線纜的垂直燃燒的要求。對于任何線纜,其面向?qū)ο髲V泛的產(chǎn)品標準規(guī)范中對驗證項目和指標的要求，一般是最低要求,通常都必須滿足。國外對線纜實行認證制度，一種是對企業(yè)的生產(chǎn)進行評估認證，一種是對線纜產(chǎn)品進行認證。認證可提高產(chǎn)品的市場競爭力，當前國際電線電纜行業(yè)競爭激烈，因此企業(yè)內(nèi)部標準要求多高于國際通用標準。目前國際上電線電纜絕緣材料正在向耐溫、耐介質(zhì)、耐濕熱環(huán)境、阻燃、低煙無毒、不含有害重金屬、可回收性等方面發(fā)展。飛機使用環(huán)境特殊，對線纜有著特殊的要求，如重量輕、可靠性高、相對較高的耐溫等。飛機線纜主要是銅及銅合金導(dǎo)體，由于減重的需要，出現(xiàn)了鋁及鋁合金導(dǎo)體，線纜外部絕緣材料有聚四氟乙烯、聚酰亞胺、乙烯-四氟乙烯共聚體、輻照交聯(lián)乙烯-聚四氟乙烯共聚體以及聚四氟乙烯/聚酰亞胺復(fù)合體等?？梢钥闯觯w機上線纜還在大量使用含鹵素的絕緣材料，并沒有及時采用最新的技術(shù)，后續(xù)發(fā)展需要進行產(chǎn)品技術(shù)更替。針對飛機相關(guān)線纜規(guī)范，當前國際上比較重要的有ANSI/NEMA WC 27500 《航空和工業(yè)電纜》系列，SAE-AS-22759 《銅及銅合金線芯氟聚合物絕緣電線》系列。在NEMA WC 27500規(guī)范中除了規(guī)定與功能和環(huán)境相關(guān)的性能指標外，在防火性能方面規(guī)定了可燃性指標；在SAE-AS-22759中，還增加了冒煙指標；SAE-AS-4373-2012《絕緣電線測試方法》中，給出了航空航天上使用線纜的試驗方法。

2.2 國內(nèi)電線電纜防火性能標準現(xiàn)狀

國內(nèi)線纜標準采取跟隨和借鑒國外標準的方式制定，國標GB/T 19666《阻燃和耐火電線電纜》發(fā)布于2005年，其制定時等效采用了IEC標準要求。對于飛機上要求的阻燃防火電線電纜，國標沒有強制認證的要求和規(guī)定，即對標式結(jié)構(gòu)、電性能、機械性能、阻燃性能等的試驗認證，相關(guān)標準出現(xiàn)在國軍標(GJB)、行業(yè)標準(HB)中,如表1所示。在GJB 773B-2015中，對燃燒性、冒煙、燃燒煙密度、燃燒有害氣體釋放、毒性給出了要求，GJB 76.X、GJB 77.X對燃燒性能進行了規(guī)定，HB 7274、HB 7275和HB 6215對阻燃性和冒煙特性進行了規(guī)定。上述GJB和HB中要求的耐火和防火性能測試方法為GJB 17.X給出的試驗方法，GJB 17.X于1984年發(fā)布，其編制主要參考了美國標準Mil-W-5086C、Mil-W-22759D、Mil-W-81381A、ISO R 1220-1970和ISO R 1491-1970等，這些標準分別發(fā)表于1983年、1973年、1967年、1970年和1970年，目前已被替代廢止并且新標準多次升版，因此國內(nèi)標準急需更新。HB發(fā)布了部分最新的耐火和防火試驗方法，例如HB 5469、HB 6577、HB 7066。其中HB 5469-1991中60°燃燒試驗示意圖有誤，在HB 5469-2014中得到了更正。

表1 國內(nèi)飛機用電纜相關(guān)標準

對國外航空相關(guān)線纜標準分析可以看出：在防火方面，標準中一般會對電線電纜燃燒性、冒煙指標給出要求，但對于線纜燃燒釋放的氣體毒性方面，沒有給出要求，當前對線纜的環(huán)境友好性要求不斷在加強。這些公開的標準規(guī)范給出的是最低要求，企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品規(guī)范中，技術(shù)要求則高于規(guī)范要求。這些國外線纜標準中全部指標要求的提出，應(yīng)是考慮了飛機系統(tǒng)對其的需求，是在經(jīng)過了大量試驗后確定的，否則適航驗證就會存在風險，電線電纜不能裝機使用。通過國外民用飛機使用經(jīng)驗來看，其使用的產(chǎn)品，性能并沒有出現(xiàn)不滿足適航規(guī)章要求的情況。

也可看出：國內(nèi)目前HB中電線電纜標準編制于20多年前，版本較舊，對低煙無毒、不含有害重金屬、可回收性等國際上具有發(fā)展趨勢的技術(shù)要求都沒有納入。部分GJB的技術(shù)要求相對較新，但整體配套的試驗方法較老。在進行煙密度試驗時，GJB 773B、HB 6577-1992、SAE-AS-4373只要求了有焰燃燒試驗，而ASTM E662要求包含有焰和無焰試驗。有研究報告指出，材料的阻燃性合格，煙密度性能不一定合格，其熱釋放率也不一定合格。綜上，對于國內(nèi)民用飛機來說，目前國內(nèi)標準使用起來不配套、不協(xié)調(diào)。在產(chǎn)品標準方面，建議參照國外先進企業(yè)內(nèi)部標準來制定選用線纜的性能指標；在試驗方面，建議選用國外最新滿足適航要求的試驗方法來進行產(chǎn)品的適航符合性驗證，如SAE-AS-4373-2012標準給出的試驗方法；在工程應(yīng)用方面，在驗證試驗規(guī)劃充分，可后續(xù)化解風險的條件下，按照產(chǎn)品標準的約定方法執(zhí)行。

3 電線電纜適航符合性驗證思路

適航規(guī)章CCAR-25的603條款從宏觀層面對材料的使用提出了要求，規(guī)章通過603條款來對民用飛機上使用的材料進行管控，通過613條款對材料的強度性能數(shù)據(jù)和設(shè)計值指標的制定給出具體要求，電線電纜作為飛機上使用的一種重要材料，必須滿足這兩個條款的要求，其中613條款雖然在文字上是針對材料強度指標確定和使用提出的要求，但對于線纜的其他性能指標，體現(xiàn)的理念可作為確定數(shù)值時的指導(dǎo)。在實際工程中，需要603、613條款與其他應(yīng)用指標相關(guān)的條款結(jié)合，如防火相關(guān)條款1713與831(c)，表明材料在飛機上使用是安全的。

603條款要求材料的適用性和耐久性：(a) 建立在經(jīng)驗或試驗的基礎(chǔ)上；(b) 符合經(jīng)批準的標準(如工業(yè)或軍用標準，或技術(shù)標準規(guī)定)，保證這些材料具有設(shè)計資料中采用的強度和其他性能；(c) 考慮服役中預(yù)期的環(huán)境條件，如溫度和濕度的影響。

在603條款中，(b) 條是核心，要求使用的材料應(yīng)符合某種材料規(guī)范/標準，材料規(guī)范應(yīng)具備保證材料具有約定的強度和其他性能的功能。

613條款除對具體的材料強度性能和設(shè)計值指標提出要求，還要求材料的強度性能必須以足夠的材料試驗為依據(jù)，在試驗統(tǒng)計的基礎(chǔ)上制定設(shè)計值，并對特殊條件下材料值的使用給出了要求。

在工程實踐中，包括飛機上使用的線纜材料，按照603、613條款的要求，表明滿足條款的符合性驗證過程一般有兩個層次，第一個層次是材料規(guī)范中性能指標的制定滿足條款的要求，第二個層次是型號中使用的材料滿足材料規(guī)范中給出的性能指標的要求。沒有使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)累積，則必須進行第一層次和第二層次符合性驗證過程；有使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)累積，則進行第二層次的驗證。

根據(jù)國內(nèi)當前現(xiàn)狀，在工作中，要使線纜滿足適航條款中對防火性能的要求，滿足規(guī)章對線纜材料性能的要求，建議借鑒國外先進企業(yè)滿足適航要求的產(chǎn)品性能指標，定義國內(nèi)飛機上使用電線電纜產(chǎn)品的性能要求；在有效舉證的情況下，不進行第一層次的驗證，只進行第二層次的驗證過程，這是一種有效的工作方法。在驗證過程中，試驗大綱要得到局方的批準，試驗過程要接受局方的監(jiān)控，試驗報告要得到局方的批準。材料在已經(jīng)取證并在飛機上成功運行的使用經(jīng)歷，材料在相似型號上的服役經(jīng)驗數(shù)據(jù)或材料在相似型號上的試驗數(shù)據(jù)，可以作為材料的使用經(jīng)驗。材料的數(shù)據(jù)累積要得到申請人和局方的認可，或者由局方充分信任的行業(yè)協(xié)會把關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 適航條款CCAR25.1713、CCAR25.831(c)和附錄F的結(jié)合，明確地給出了電線電纜阻燃防火方面的適航要求。

(2) 飛機線纜的國內(nèi)標準與其試驗方法標準不配套、不協(xié)調(diào)。

(3) 對于飛機上使用線纜，采用國外先進企業(yè)內(nèi)部標準來制定線纜的性能指標，能降低適航驗證風險。適航規(guī)章中對于電線電纜防火性能的要求是最基本的，目前行業(yè)先進的線纜公開標準中規(guī)定的耐火和防火性能都是最低要求。

(4) 對于飛機線纜，可按產(chǎn)品標準約定的試驗方法進行符合性驗證，但推薦選用國外最新滿足適航要求的試驗方法/標準來進行產(chǎn)品的適航符合性驗證，有利于選取合適環(huán)保的材料。