受油漬污染的飛機(jī)隔聲隔熱層阻燃性能試驗(yàn)研究

■ 劉光輝 豆會(huì)均 景嘉繁/中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院

0 引言

飛機(jī)隔聲隔熱層大量敷設(shè)在氣密區(qū)域的機(jī)身結(jié)構(gòu)上，主要作用是降低機(jī)身的熱傳導(dǎo)，保持座艙適宜的溫度，同時(shí)具有一定減少機(jī)外噪聲傳入的能力，已在各型飛機(jī)上廣泛應(yīng)用。目前，隔聲隔熱層材料包括玻璃纖維、泡沫等，無一例外均為非金屬材料，燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量煙霧、火焰等。大量的民航事故都涉及隔聲隔熱層燃燒產(chǎn)生的煙霧或火焰，在特定情況下一些隔聲隔熱層甚至起到助燃作用，這些因素都對(duì)飛機(jī)的飛行和乘員的安全造成了直接威脅。

適航部門對(duì)于非金屬材料的阻燃性能有明確、嚴(yán)格的要求。對(duì)于新研飛機(jī)的隔聲隔熱層，可以通過相關(guān)試驗(yàn)及評(píng)估開展阻燃性能試驗(yàn)；對(duì)于服役一定時(shí)間、未到首翻期、結(jié)構(gòu)表面受污染的隔聲隔熱層組件，卻沒有相關(guān)的阻燃性能研究及試驗(yàn)方法。

本文對(duì)受油漬污染的隔聲隔熱層組件的阻燃性能進(jìn)行研究及試驗(yàn)，探討該類隔聲隔熱層的阻燃性能變化，對(duì)于隔聲隔熱層的設(shè)計(jì)、維修及更換提出指導(dǎo)。

1 被油漬污染的隔聲隔熱層

1.1 油液泄漏現(xiàn)象

飛機(jī)擁有復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)中包含油箱、活門、泵等諸多零組件，且廣泛分布在機(jī)艙各處。當(dāng)液壓元件長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷工作后，其內(nèi)部可能出現(xiàn)磨損，密封性被破壞。此外，由于接頭之間縫隙與裝配公差的存在，也會(huì)導(dǎo)致油液泄漏，這也是飛機(jī)液壓系統(tǒng)最常見的故障之一[1]。燃油系統(tǒng)同樣擁有大量的管路和密封元件，通常采用密封圈、墊圈和膠帶等封嚴(yán)方式，但密封元件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用后容易受損，密封易失效，也會(huì)出現(xiàn)油液泄漏現(xiàn)象[2]。油液泄漏污染的艙內(nèi)設(shè)備如圖1所示。

圖1 油液泄漏污染的艙內(nèi)設(shè)備

1.2 被油漬污染的隔聲隔熱層組件

隔聲隔熱層組件主要采用熱壓密封和壓敏膠帶密封，形成一種類似于三明治的密封結(jié)構(gòu)，敷設(shè)時(shí)一般緊貼蒙皮、隔框、長(zhǎng)桁等結(jié)構(gòu)[3]，因此在起到隔聲隔熱功能的同時(shí)也遮擋了部分液壓及燃油管路，一旦出現(xiàn)油液泄漏故障，泄漏的油液會(huì)濺射或滴落在相鄰的隔聲隔熱層上，從而造成隔聲隔熱層的污染。如果油液泄漏故障一直存在，隔聲隔熱層受油脂污染腐蝕的情況會(huì)越來越嚴(yán)重，泄漏的油液甚至?xí)ㄟ^隔聲隔熱層材料的縫隙滲入芯體內(nèi)部。被污染的部位多為隔聲隔熱層的艙外側(cè)，在飛機(jī)首翻期之前，很難發(fā)現(xiàn)被油漬污染的隔聲隔熱層，導(dǎo)致這樣的受到油漬污染后的隔聲隔熱層仍被使用，這種現(xiàn)象在服役的各型飛機(jī)上大量存在，給飛行安全帶來隱患。因此，如何評(píng)估這種情況下隔聲隔熱層的阻燃性能，以及研究阻燃性能變化對(duì)飛機(jī)安全與維護(hù)造成的影響，對(duì)于飛行本身具有積極的意義。

2 阻燃性能要求分析

適航部門對(duì)于飛機(jī)隔聲隔熱層的阻燃性能提出了一系列要求。1967 年以前，F(xiàn)AA 只要求隔聲隔熱層材料垂直燃燒的燃燒速率不超過20in/min。1967 年，F(xiàn)AA 要求炭化長(zhǎng)度在水平測(cè)試時(shí)不超過4in，垂直測(cè)試時(shí)不超過8in。1972 年則要求垂直燃燒試驗(yàn)中最大燃燒長(zhǎng)度不超過8in，自熄時(shí)間不超過15s，滴落后熄滅時(shí)間不超過5s。2003 年提高了標(biāo)準(zhǔn)，要求隔聲隔熱層在輻射板試驗(yàn)中，火焰?zhèn)鞑ラL(zhǎng)度不超過2in，自熄時(shí)間不超過3s；所有位于機(jī)身下半部分的隔聲隔熱層還需具有最少4min 的防止艙外燃油起火的抗燒穿功能。

目前，中國(guó)民用航空規(guī)章第25 部中25.856 要求機(jī)身的隔熱/隔音材料必須滿足附錄F 第VI 部分規(guī)定的火焰蔓延試驗(yàn)與火焰燒穿要求。從飛機(jī)安全角度對(duì)該條款進(jìn)行分析，認(rèn)為滿足防火焰?zhèn)鞑ヒ蠹胺阑鹧鏌┮蟮膶?duì)象不僅僅是材料級(jí)別，隔聲隔熱層組件級(jí)別也應(yīng)該滿足防火焰?zhèn)鞑ヒ蠛头阑鹧鏌┮蟆４送?，在飛機(jī)全生命周期內(nèi)，隔聲隔熱層的阻燃性能不應(yīng)影響飛機(jī)的飛行安全及成員安全。因此，處于特殊環(huán)境下的隔聲隔熱層組件在抗火焰蔓延試驗(yàn)中應(yīng)滿足：從燃燒器火焰中心線的左側(cè)起，火焰?zhèn)鞑ゲ荒艹^51mm（2in）；在移開燃燒器后任何試樣的火焰燃燒時(shí)間不能超過3s。在抗火焰燒穿試驗(yàn)中應(yīng)滿足：兩個(gè)隔聲隔熱層試樣中的任何一個(gè)都不能在4min 內(nèi)著火或被火焰燒穿；兩個(gè)隔聲隔熱層試樣中的任何一個(gè)在試驗(yàn)架冷面一側(cè)且距其表面30.5cm （12in）的那一點(diǎn)的熱流都不能超過2.27W/cm2（2.0BTU/ft2.s）。

3 試驗(yàn)

本試驗(yàn)是對(duì)經(jīng)過特殊處理、不同材料組合的隔聲隔熱層組件進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)。目前，飛機(jī)上常用的芯體材料包含玻璃纖維和聚酰亞胺泡沫，包覆層為普通透明薄膜、抗火焰燒穿薄膜，膠帶為壓敏膠帶。本試驗(yàn)的試驗(yàn)件芯體均為玻璃纖維，其他材料為不同的組合形式。具體材料組合形式如表1 所示。

表1 試驗(yàn)件材料組合形式

假設(shè)機(jī)艙內(nèi)可能有15#航空液壓油泄漏，因此需要對(duì)隔聲隔熱層進(jìn)行不同程度的污染與破損處理。具體的表面特殊處理措施如下。

1）模擬不同污染程度：使用不同容量（1mL、2mL、5mL、15mL、20mL 等）的15#航空液壓油，完全涂抹在試驗(yàn)件受試面；

2）模擬不同污染面積：受試面全部污染、污染面積10in×10in；

3）模擬受污染時(shí)長(zhǎng)：受污染后的隔聲隔熱層在常溫下放置24h、100h、5天等；

4）模擬受污染部位的不同清潔方式：保持受污染表面原樣不變及試驗(yàn)前將受污染表面用水擦干、用酒精擦干等；

5）模擬表面破損程度：隔聲隔熱層開縫2in、隔聲隔熱層開縫處膠帶修補(bǔ)；

6）模擬不同環(huán)境溫度：-40℃、常溫、40℃、60℃。

對(duì)上述特殊處理下的不同隔聲隔熱層組件，按照CCAR-25-R4 附錄F 第VI 和第VII 部分的要求進(jìn)行阻燃性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否滿足CCAR-25.856 的要求，從而評(píng)估該特殊狀態(tài)對(duì)隔聲隔熱層阻燃性能的影響。

4 結(jié)論及分析

4.1 抗火焰蔓延試驗(yàn)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，常溫狀態(tài)下，無論使用普通膜還是防火膜，隔聲隔熱層組件外表面膜上只要有滲漏的液壓油附著，即使只有2mL 的量，遇火后就會(huì)發(fā)生轟燃現(xiàn)象，受試膜表面會(huì)在20s 內(nèi)全部燒完（火焰蔓延超過51mm），給客艙安全造成火災(zāi)隱患。但如果將膜表面的油污及時(shí)擦拭干凈，則幾乎沒有火災(zāi)隱患。

在表面破損且油液滲透進(jìn)芯體的狀態(tài)下，膜表面會(huì)發(fā)生轟燃現(xiàn)象，芯體也會(huì)出現(xiàn)一定深度的燒焦現(xiàn)象，即使破損處被膠帶修補(bǔ)過，表面仍會(huì)完全燃燒并燒蝕到芯體內(nèi)部。

當(dāng)?shù)蜏兀?40℃）時(shí)，表面附著的油污難以揮發(fā)或已固化，油污遇火仍會(huì)大面積燃燒；擦拭后油污量減少，但仍有少量油污難以清理，遇火仍發(fā)生閃燃。雖然燃燒劇烈程度有所降低，但火焰蔓延仍然超過51mm。有極少量油污附著的隔聲隔熱層在高溫60℃下處理1 天后，油污可完全揮發(fā)或固化，即使不擦拭受污染表面，也無明顯燃燒現(xiàn)象。

對(duì)于較大污染量（如5mL、10mL 等）的情況，在低溫、常溫、高溫環(huán)境下材料表面明顯形成一層油垢，遇火劇烈燃燒，20s 內(nèi)受試面全部燒完；污染量越大，油垢厚度越大，遇火燃燒程度越劇烈，最快4s 便燒完；使用各種擦拭方法仍難以去除污染物，試驗(yàn)不通過。部分樣品抗火焰蔓延試驗(yàn)前后的對(duì)比如圖2 所示。

圖2 部分樣品抗火焰蔓延試驗(yàn)前后對(duì)比

4.2 耐燒穿試驗(yàn)

包覆哈金森防火膜或普通透明薄膜的隔聲隔熱層組件，即使在其受試面均勻涂刷10mL 的15#液壓油，仍能滿足試驗(yàn)4min 未燒穿的要求，背部熱流為0.36W/cm2。但如果在背火面均勻涂刷20mL 的15#液壓油，短時(shí)間內(nèi)熱流最高達(dá)1.2W/cm2，導(dǎo)致背火面大面積燃燒，雖然最終能夠滿足CCAR-25.856（b）耐燒穿試驗(yàn)的要求，但是其背面的火焰可能會(huì)引燃周圍的非金屬材料，有較大的火災(zāi)隱患。圖3 為部分樣品耐燒穿試驗(yàn)的前后對(duì)比。

圖3 部分樣品耐燒穿試驗(yàn)前后對(duì)比

綜上所述，受到油漬污染后的隔聲隔熱層在試驗(yàn)中均出現(xiàn)大面積燃燒現(xiàn)象，幾乎喪失了抗火焰蔓延功能。但是，在油污被徹底清理干凈的狀態(tài)下，隔聲隔熱層可恢復(fù)抗火焰蔓延功能。此外，即使在10mL 油漬污染狀態(tài)下的隔聲隔熱層仍具有可靠的抗火焰燒穿功能，只不過抗火焰蔓延功能的喪失會(huì)使飛機(jī)有較大的火災(zāi)隱患。

5 維修建議

在飛機(jī)維修過程中，如果由于操作不當(dāng)引起液壓油滲漏到隔聲隔熱層表面，應(yīng)立即用抹布等工具進(jìn)行徹底擦拭，否則，受污染的隔聲隔熱層有火焰蔓延的隱患。污染量越大，燃燒越迅速，后果越嚴(yán)重。另外，飛機(jī)在長(zhǎng)期使用過程中管路有可能滲漏或泄露，即使漏油量不大，也會(huì)產(chǎn)生安全隱患，應(yīng)立即更換被污染的隔聲隔熱層。如果遇到隔聲隔熱層表面破損情況，液壓油會(huì)滲漏到材料內(nèi)部的芯體，也應(yīng)立即進(jìn)行更換，否則，被液壓油污染的隔聲隔熱層很容易被點(diǎn)燃，火焰將沿著液壓油污染的表面?zhèn)鞑ァＲ虼?，在飛機(jī)隱藏區(qū)域，即使只有少量液壓油污染了隔聲隔熱層，也會(huì)給飛機(jī)帶來重大的安全隱患。

如果因?yàn)闄C(jī)體受損，發(fā)生飛機(jī)艙外油池火災(zāi)，合格的隔聲隔熱層即使受液壓油污染也能耐4min 火焰燒穿。但是受污染的隔聲隔熱層背面的火焰可能引燃周圍的非金屬材料，有較大的火災(zāi)隱患。