航空電纜排布方式對燃燒特性的影響分析

王 志，鄒積昀，曲 芳

1.沈陽航空航天大學(xué)遼寧省飛機(jī)火爆防控及可靠性適航技術(shù)重點實驗室，遼寧，沈陽 110136

2.沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧，沈陽 110136

在以往的電纜燃燒特性研究中，使用錐形量熱儀對成品電纜進(jìn)行燃燒試驗并根據(jù)試驗結(jié)果分析電纜燃燒性能，被認(rèn)為是評價成品電纜火災(zāi)危險性的有效途徑。王蔚等[1]和付強(qiáng)等[2]將電纜截成數(shù)段后，鋪滿錐形量熱儀的試驗鐵盒進(jìn)行燃燒，以此來判斷不同材料電纜之間的燃燒特性差異。申婷[3]將電纜的不同組成結(jié)構(gòu)分離進(jìn)行燃燒試驗，用于分析不同組成結(jié)構(gòu)對完整電纜燃燒性能的影響。Ruiz[4]等選取同一電纜，截斷后只選取3根電纜試樣段以不同間距排布進(jìn)行燃燒試驗，對比發(fā)現(xiàn)電纜排布間距的改變將影響點火時間，并使熱釋放速率峰值發(fā)生變化。

航空器機(jī)身空間狹小，往往需要在有限的機(jī)艙內(nèi)爭取對空間進(jìn)行最大化利用[5]，因此航空電纜在實際安裝過程中并非由單一電纜進(jìn)行工作，而是將多根電纜成束裝配。研究航空電纜的排布方式對燃燒特性的影響至關(guān)重要。

1 試驗條件

1.1 試驗材料

選取航空航天用鍍銀銅芯四氟乙烯絕緣輕型電纜，型號規(guī)格為FF4H3-2。電纜結(jié)構(gòu)由三部分組成，分別是護(hù)套、絕緣層以及導(dǎo)體線芯。航空電纜導(dǎo)體線芯材料為鍍銀銅芯，絕緣層材料為聚四氟乙烯，護(hù)套材料為聚全氟乙丙烯。

1.2 試驗測試方法

文章使用FTT標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀進(jìn)行試驗，設(shè)置熱輻射強(qiáng)度為55kW/m2，研究電纜排布的間距對多根航空電纜燃燒特性的影響。將5根航空電纜試樣分別以0mm、1.5mm以及2.5mm的距離間隔放置于試驗鐵盒中，分別代表電纜的小、中、大3種間距排布情況。所有航空電纜試樣長度均截取為75mm。排布間距分析航空電纜擺放示意圖見圖1。

圖1 排布間距分析電纜擺放示意圖

2 試驗結(jié)果

航空電纜在不同間距排布時的熱釋放速率曲線見圖2。1.5mm時電纜最先開始產(chǎn)生熱量，且峰值時間最短，因此排布間距為1.5mm的電纜燃燒劇烈程度最高。排布間距為0mm和2.5mm的電纜放熱起始時間相近，雖然2.5mm的電纜最先達(dá)到熱釋放速率峰值，但是0mm的電纜熱釋放速率峰值遠(yuǎn)高于2.5mm時的釋放速率峰值，因此航空電纜的燃燒劇烈程度在間距為0mm時高于間距為2.5mm的。

圖2 航空電纜在不同間距排布時的熱釋放速率

試驗結(jié)果表明，航空電纜的燃燒劇烈程度并不會隨著間距的增加而減小，原因是0mm的電纜排布緊密，電纜之間的空隙比較小，與空氣的接觸面積少，導(dǎo)致試驗剛開始時每根電纜水平兩側(cè)的可燃物質(zhì)即護(hù)套和絕緣層沒有發(fā)生充分燃燒，同時航空電纜的可燃物質(zhì)在熱輻射作用下由固態(tài)變成熔融態(tài)[6]。多根航空電纜的熔體融合后與空氣接觸的面積減少，導(dǎo)致航空電纜的燃燒速率降低。2.5mm時間隔距離過大，受外界熱輻射的強(qiáng)度由位于鐵盒中心位置的電纜向兩側(cè)電纜依次遞減，因此該組5根電纜發(fā)生熱解和燃燒的過程均存在時間差，沒有及時達(dá)到可以持續(xù)燃燒的可燃?xì)怏w濃度，點燃延遲且熱釋放速率峰值較小。排布間距為0mm的電纜熱釋放速率峰值比為2.5mm時的更大，原因是電纜排布間距為0mm時可燃物質(zhì)相對集中。1.5mm的排布間距使電纜，能夠與空氣中的氧氣充分接觸；且每根電纜受熱輻射的強(qiáng)度相近，發(fā)生熱解和燃燒過程的時間也較為接近。短時間內(nèi)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w濃度較高，電纜的燃燒充分，因此航空電纜排布間距在1.5mm時，其熱釋放速率峰值最高，峰值時間最短。

航空電纜的質(zhì)量損失速率曲線見圖3，1.5mm時最先開始發(fā)生質(zhì)量損失，質(zhì)量損失速率峰值最高，峰值時間最早，整個質(zhì)量損失過程最短。觀察燃燒試驗結(jié)束后的電纜發(fā)現(xiàn)，2.5mm時最外側(cè)的2根電纜仍有護(hù)套和絕緣層熔融的物質(zhì)殘留，排布間距為0mm的電纜可燃物質(zhì)已經(jīng)完全消耗。可見，航空電纜的質(zhì)量損失同樣受到航空電纜排布間距的影響，當(dāng)電纜以某一固定值間距排布時，航空電纜質(zhì)量損失越快，質(zhì)量殘留越少。

圖3 航空電纜在不同間距排布時的質(zhì)量損失速率

航空電纜在不同間距排布方式時的煙產(chǎn)生速率和CO/CO2產(chǎn)生速率見圖4、圖5。三種排布間距時電纜的煙產(chǎn)生速率曲線均顯示有多個峰值，1.5mm和2.5mm的煙氣速率曲線整體變化趨勢相似。1.5mm和2.5mm時電纜燃燒的煙產(chǎn)生速率均高于0mm時電纜燃燒的煙產(chǎn)生速率，且在1.5mm和2.5mm兩種間距排布情況下，煙氣速率曲線出現(xiàn)的第1個煙氣峰為電纜在點燃前，電纜中的聚合物材料持續(xù)熱解，產(chǎn)生的煙氣逐漸增多達(dá)到的峰值。第2個煙氣峰為電纜燃燒熄滅時，剩余可燃物質(zhì)仍在進(jìn)行熱解，釋出的可燃?xì)怏w無法燃燒，導(dǎo)致氣體濃度增加產(chǎn)生的峰值。對比發(fā)現(xiàn)，隨著航空電纜間距的增加，煙產(chǎn)生速率逐漸升高且峰值增大，煙氣峰的個數(shù)逐漸增多。觀察CO/CO2產(chǎn)生速率曲線發(fā)現(xiàn)，1.5mm時航空電纜的毒性煙氣生成速率更高，峰值時間更短，在航空電纜發(fā)生燃燒之后毒性氣體生成速率下降；0mm和2.5mm間距排布的航空電纜的CO/CO2產(chǎn)生速率峰值更小，但是整個毒性氣體生成的過程時間更長，危害更大。

圖4 航空電纜在不同間距排布時的煙產(chǎn)生速率

圖5 航空電纜在不同間距排布時的CO/CO2產(chǎn)生速率

3 結(jié)論

航空電纜的排布對燃燒特性參數(shù)產(chǎn)生的影響，主要是通過改變電纜與空氣的接觸面積，以及熱輻射強(qiáng)度差異來影響航空電纜燃燒的劇烈程度。當(dāng)航空電纜受到固定火源的熱輻射影響且排布間距為某一固定值時，航空電纜的燃燒程度最劇烈。此外，電纜數(shù)量的增加同樣也會提高電纜的火災(zāi)危險性。