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運輸類飛機的機身抗燒穿性適航要求解析

2017-09-08 13:48馬百平李翰鄒田春解江
航空工程進展 2017年3期
關(guān)鍵詞:蒙皮客艙火焰

馬百平,李翰,鄒田春,解江

(中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室,天津 300300)

運輸類飛機的機身抗燒穿性適航要求解析

馬百平,李翰,鄒田春,解江

(中國民航大學(xué) 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室,天津 300300)

運輸類飛機可生存墜撞后的火災(zāi)是客艙安全范疇內(nèi)的重要問題之一。提高機身抗燒穿性,即推遲火焰進入客艙的時間,可為乘員應(yīng)急撤離提供時間保證。介紹了運輸類飛機墜撞后的池火火焰特征,包括最高溫度、熱流密度等特征的范圍及其影響因素,重點論述了機身結(jié)構(gòu)燒穿過程,剖析了適航規(guī)章中的抗燒穿符合性判據(jù),梳理了抗燒穿性試驗方法的發(fā)展過程,最后對我國未來運輸類飛機機身抗燒穿研究的發(fā)展進行了展望。

抗燒穿;運輸類飛機;客艙安全;適航;池火

0 引 言

運輸類飛機的防火問題自始至終都是民航安全領(lǐng)域所關(guān)注的重點。FAA自20世紀(jì)60~70年代起,針對運輸類飛機的主動防火問題開展了系統(tǒng)且全面的研究,例如客艙內(nèi)飾材料的燃燒問題[1-3]。1985年曼徹斯特空難[4]的發(fā)生(如圖1所示),使得可生存墜撞條件下的池火問題引起了歐美民航當(dāng)局的關(guān)注。EASA的報告[5]中列舉了1966~2007年形成池火的民航事故,共計88起??梢?,可生存墜撞條件下的池火對于飛機和乘員造成的危害是民航當(dāng)局與飛機制造商必須考慮的問題。通過研究池火的特征、探索機身抗燒穿強化策略、發(fā)展實驗室試驗方法,F(xiàn)AA于2003年在第25-111號修正案[6]中對隔熱/隔音材料的抗燒穿性提出了明確的要求,即14 CFR 25.856(b)條款。中國民用航空局于2011年對運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)進行了第四次修訂,加入了25.856條款,對隔熱/隔音材料提出了抗燒穿性要求。為了指導(dǎo)適航審定與符合性驗證工作,F(xiàn)AA發(fā)布了咨詢通告AC 25.856-2A抗燒穿隔熱/隔音材料的安裝[7],解釋說明了型號中實際可能出現(xiàn)的隔熱/隔音材料安裝構(gòu)型及相應(yīng)的符合性方法。而在B787審定過程中,F(xiàn)AA發(fā)布的等效安全[8]中說明了B787所采用的復(fù)合材料機身可以為客艙提供5 min的抗燒穿時間,等效于傳統(tǒng)鋁合金蒙皮與隔熱/隔音材料的整體抗燒穿效果。我國在民機防火方面,開展過發(fā)動機及短艙結(jié)構(gòu)防火設(shè)計與試驗研究[9-13]、以及客艙防火[14]等方面的研究,而在機身抗燒穿性方面僅針對國內(nèi)某型客機、按照適航規(guī)章要求開展過數(shù)次符合性驗證試驗,未見公開發(fā)表的相關(guān)研究成果。

圖1 曼徹斯特空難

在可生存墜撞條件下,機體結(jié)構(gòu)存在兩種可能的狀態(tài)。第一種狀態(tài):機身在一定程度上發(fā)生斷裂破壞,火焰(若存在)可直接進入客艙并點燃內(nèi)飾。此時,客艙內(nèi)發(fā)生轟燃的時間主要取決于內(nèi)飾材料的易燃性。第二種狀態(tài):機身結(jié)構(gòu)完好、理論上能夠形成對外部池火火焰的屏障。該情況下,機身結(jié)構(gòu)(包括蒙皮和隔熱/隔音材料)的抗燒穿性是設(shè)計與適航驗證的重點。良好的抗燒穿性將大幅延遲火焰進入客艙的時間,從而推遲客艙內(nèi)發(fā)生轟燃的時間,為乘員應(yīng)急撤離爭取更多時間。

本文針對上述第二種結(jié)構(gòu)狀態(tài),根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)資料,概述可生存墜撞條件下的池火火焰特征及其影響因素,解析機身結(jié)構(gòu)燒穿過程與抗燒穿符合性判據(jù),總結(jié)歐美民航當(dāng)局建立抗燒穿特性試驗方法的過程,以期為我國研究飛機抗燒穿問題,提高運輸類飛機防火試驗?zāi)芰μ峁﹨⒖肌?/p>

1 運輸類飛機墜撞后的池火火焰特征及其影響因素

飛機發(fā)生墜撞事故所形成的“池火”是機翼油箱內(nèi)部燃油泄漏,在地面形成的油池被點燃所形成的火焰。通常在飛機外部形成大面積的強烈火焰,首先對機體結(jié)構(gòu)造成破壞,最終危及乘員生命安全。FAA研究[15]發(fā)現(xiàn):完全發(fā)展的池火,其溫度范圍為870~1 100 ℃,熱流密度范圍為56~261 kW/m2,平均值約為170 kW/m2。這是利用Convair 880和DC-8進行了6次池火燃燒試驗[15]所確定的。

風(fēng)速是影響池火火焰特征的重要因素。美國SANDIA國家實驗室研究[16]發(fā)現(xiàn):高風(fēng)速試驗中,火焰在模型背風(fēng)面的溫度達到了約1 327 ℃;中風(fēng)速試驗中,火焰的最高溫度約為1 227 ℃,出現(xiàn)在模型頂部區(qū)域;低風(fēng)速試驗中,最高溫度出現(xiàn)在油池中心附近,為1 127~1 226 ℃??梢?,風(fēng)速越大,火焰最高溫度越高。這是因為高風(fēng)速使燃燒獲得的氧氣更加充足、燃燒更加充分。試驗中定義的三個級別風(fēng)速分別為:低速風(fēng)0~3 m/s,中速風(fēng)4~7 m/s,高速風(fēng)大于8 m/s。試驗中熱流的測量由于波動性較大無法獲得有效數(shù)據(jù)。

在油池火的數(shù)值仿真方面,Wang Huiying等[17]基于FDS[18-21]利用大渦模擬(LES)方法研究了運輸類飛機墜撞后池火數(shù)值模擬的可行性,獲得了燃燒產(chǎn)物、溫度、熱流密度的分布,以及風(fēng)速的影響。Wang Zhaozhi等[22]基于FAA進行的C133全尺寸火災(zāi)試驗[23]進行數(shù)值模擬方法研究,重點模擬了客艙內(nèi)的火焰發(fā)展過程,進一步驗證了SmartFire[24]。

2 機身燒穿過程

曼徹斯特空難[4]是“池火”燒穿機身的典型案例。事故調(diào)查結(jié)果顯示,機身尾部下方形成了大面積的油池,池火集中在從機翼后緣到水平尾翼前緣之間的區(qū)域。飛機完全靜止后20 s,機身即被燒穿,隨即燒穿隔絕材料,進入貨艙,最終通過空調(diào)格柵進入客艙。燒穿位置是左側(cè)后貨艙下部鋁蒙皮。鋁蒙皮表面溫度在被火焰沖擊的最初階段,相比火焰溫度存在30~60 s的延遲。這可能是材料本身的傳熱過程所需要的時間,受到材料熱導(dǎo)率的影響。而當(dāng)蒙皮溫度達到大約500 ℃時,溫度不再快速升高,大約有5~10 s的“停滯期”。隨之又快速上升,接近并最終達到火焰溫度。這個“停滯期”是蒙皮材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的相變階段,即鋁合金的熔點范圍。蒙皮熔化時間會受到蒙皮支撐結(jié)構(gòu)類型(機身長桁和框)的影響,因為蒙皮支撐結(jié)構(gòu)會以熱傳導(dǎo)的方式耗散鋁蒙皮的熱能。

影響鋁蒙皮燒穿時間的因素包括起落架狀態(tài)和蒙皮表面煙灰沉積。FAA的試驗[15]中發(fā)現(xiàn),起落架“放下”相比“收起”的狀態(tài),機腹蒙皮更容易被燒穿。原因是起落架放下,使得機腹蒙皮與地面之間產(chǎn)生一定的距離,使得火焰結(jié)構(gòu)中的外焰直接沖擊機腹,而外焰溫度相對更高。CAA研究了煙灰在鋁板表面沉積對其燒穿時間的影響[25],結(jié)果顯示:在其他條件相同的條件下,表面無煙灰的0.7 mm厚鋁板燒穿時間是58 s,而附著一層煙灰的鋁板燒穿時間卻僅僅是8 s。為了研究煙灰的影響,將鋁板暴露在池火下不同的時間,從而獲得不同數(shù)量的附著煙灰,并同時測量鋁板表面發(fā)射率[26]。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過30 s的暴露時間,表面發(fā)射率從0.10提高到0.45。大幅提高了鋁板通過輻射傳熱所吸收的能量,故燒穿時間大幅縮短。即,燒穿時間隨著表面發(fā)射率的提高而縮短。而著火初期產(chǎn)生的煙灰,附著沉積在機身表面,增加了表面發(fā)射率,通常在0.6~0.9。

火焰和煙氣在燒穿發(fā)生后進入客艙的難易程度取決于火焰可獲得的路徑,這涉及到飛機結(jié)構(gòu)布局和材料特性。然而,傳統(tǒng)構(gòu)型的運輸類飛機的火焰燒穿路徑是具有共性的。目前針對飛機所處的地面池火環(huán)境已識別出7個典型的火焰路徑[5],但是并未評估每個路徑所帶來的相對危害程度。

路徑1,火焰可直接燒穿機身兩側(cè)蒙皮(未涉及窗戶)進入客艙。該路徑中,火焰需要穿透機身蒙皮、隔絕材料和客艙內(nèi)飾壁板。路徑2,火焰可燒穿客艙頂部蒙皮和客艙天花板或者頭頂行李箱進入客艙。路徑3,火焰可通過客艙窗戶或者艙門縫隙進入客艙,這主要涉及到密封件防火問題。相比路徑1,該路徑使得火焰進入客艙更為直接和快速。路徑4,火焰可燒穿機身下半部兩側(cè)蒙皮和隔絕材料,進入貨艙兩側(cè)空間(cheek area)。該區(qū)域通常貫穿機身長度方向(止于翼盒/主起落架艙),這使得火焰可以沿機身長度方向蔓延而最終進入客艙。一旦火焰進入該區(qū)域,那么進入客艙的主要路徑可能是主貨艙,或者通過空調(diào)格柵。而通過空調(diào)格柵進入客艙也是FAA試驗[5]所得到的結(jié)果。路徑5,通過機腹區(qū)域進入貨艙,這需要燒穿機身蒙皮、隔絕材料、貨艙地板和襯板,進入貨艙后還需要燒穿貨艙天花板襯板,客艙地板及其覆蓋物。FAA進行的試驗[15]表明,當(dāng)起落架破壞后,路徑5更不易被燒穿。然而,起落架的狀態(tài)對于路徑4是幾乎無影響的。路徑6,當(dāng)起落架放下時,火焰可進入主起落架艙,最終進入客艙。路徑7,與機身下半部的貨艙門有關(guān),火焰可從貨艙門或設(shè)備艙門進入貨艙兩側(cè)空間,繼而通過路徑4進入客艙。

全尺寸的試驗結(jié)果以及事故案例表明,機身下半部的貨艙兩側(cè)空間在池火環(huán)境中最易被燒穿,使得火焰可以快速進入客艙。因此,有必要通過適航規(guī)章明確安全保護要求,為機身下半部提供滿足安全要求的抗燒穿性,這是14 CFR 25.856(b)的根本目標(biāo)。

3 抗燒穿符合性判據(jù)

14 CFR F25.7中給出的隔熱/隔音材料抗燒穿符合性判據(jù)是“不能在4 min內(nèi)被火或火焰燒穿”。鋁蒙皮對完全發(fā)展的池火可提供30~60 s的保護時間[15];而隔絕材料是第二道有效的防火防熱屏障,可為客艙提供額外的保護時間。兩者的關(guān)系如圖2所示。

圖2 保護時間

CAA基于1966~1993年的17個運輸類飛機事故(這些事故中都形成了池火)分析,建立了每個事故場景的數(shù)學(xué)模型,利用蒙特卡洛模擬預(yù)測了加強機身抗燒穿性所帶來的保護效果[27],用每年可能因此死亡和受傷人數(shù)的減少量來表示。研究發(fā)現(xiàn):保護效果與額外增加的保護時間呈指數(shù)關(guān)系,4~8 min的額外保護時間所提供的保護效果幾乎不會再有大的提高。如果假設(shè)可生存墜撞過程結(jié)束后,到機身蒙皮被燒穿大約是1 min,那么最短的乘員保護時間應(yīng)是5 min。5 min后,預(yù)計乘員應(yīng)急撤離已基本結(jié)束,地面消防人員已經(jīng)控制了火勢。研究顯示,5 min的乘員保護時間將會在86%的池火事故中為乘員應(yīng)急撤離提供保護。雖然5 min之后仍然未撤離的乘員數(shù)量是未知的,但在這之后繼續(xù)加強機身防火保護將會導(dǎo)致成本-效益比極大提高。因此,“4 min”則定為隔熱/隔音材料抗燒穿性的符合性判據(jù)。

4 抗燒穿試驗方法發(fā)展

在研究可生存墜撞條件下的池火以及機身抗燒穿特性之前,F(xiàn)AA于20世紀(jì)70年代利用C133運輸機機身模擬了寬體客機發(fā)生低能量沖擊、但機身完好且具有高生存率的墜撞情況。當(dāng)時的研究重點是客艙內(nèi)飾材料的燃燒與火焰蔓延問題[23]。20世紀(jì)80年代,F(xiàn)AA的池火燃燒試驗[15]中,每次試驗的油量都足以保證完全發(fā)展的池火維持6~8 min的燃燒。每架飛機均利用機身前、中、后三段分別進行1次試驗,每次試驗利用鋼板和隔熱材料將試驗段與其他區(qū)域隔開,共計6次試驗。兩機型的試驗狀態(tài)區(qū)別是:DC-8的起落架是收起狀態(tài),即機腹貼地,油池火位于機身右舷;而Convair-880的起落架是放下狀態(tài),即機腹與地面之間存在一定距離,池火位于機腹正下方。試驗測量了客艙內(nèi)的溫度、熱流密度、煙密度,以及機身外部的溫度和熱流密度。利用視頻監(jiān)控手段確定燒穿位置和火焰蔓延路徑,獲得了燒穿時間。該試驗研究基于真實機型,為后續(xù)研究提供了大量真實數(shù)據(jù),但并不具有重復(fù)性。

美國軍方也開展了類似的大型池火試驗[16],試驗設(shè)置了兩種尺寸的油池,直徑分別為18.9 m和9.45 m,將模型置于其邊緣處。目的是測量池火火焰特征,用于數(shù)值模型的發(fā)展。使用的傳感器包括熱電偶(陣列)、熱流計。局部氣體溫度的修正需要大量的火焰環(huán)境信息,而該試驗中并未考慮。熱流密度的非定常影響也應(yīng)該加以考慮[28]。試驗中測量了模型不同站位的內(nèi)表面溫度與熱流密度。而距離油池邊緣30 m的位置布置風(fēng)速儀、測量風(fēng)向和風(fēng)速。此外,測量了不同油層的溫度、油層表面的熱流密度,以及火焰外圍的熱流密度。

20世紀(jì)90年代,F(xiàn)AA利用B707搭建了全尺寸試驗平臺[29]。B707機身被分為兩段,中間插入一鋼制試驗段,用于安裝試樣并進行試驗。火焰由置于試驗段旁的油池點燃來提供。為了選擇接近DC-8和Convair-880試驗結(jié)果的火焰,通過預(yù)試驗確定了油盤位置的參數(shù)。試驗中測量了試驗段內(nèi)部的溫度、煙密度和氣體(CO/CO2/O2)濃度。利用該平臺研究了隔絕材料對于推遲機身燒穿時間的作用,發(fā)現(xiàn)隔絕材料的安裝方法對于其所起到的抗燒穿作用具有關(guān)鍵影響,并通過大量試驗對隔絕材料進行了改進。

除了發(fā)展大型試驗平臺,英國CAA發(fā)展了中等尺寸的試驗平臺[25],用來快速、低成本的復(fù)現(xiàn)全尺寸試驗的火焰條件,可以對改進的材料和系統(tǒng)進行試驗,同時也可以作為評估新型材料的審查設(shè)備。另外,F(xiàn)AA與法國CEAT合作發(fā)展了小尺寸的箱式試驗平臺[29],使用了煤油燃燒器,可產(chǎn)生1 093 ℃、199 kW/m2的火焰。以該平臺為基礎(chǔ)發(fā)展了測量材料燃燒分解產(chǎn)物的實驗室方法,并進一步研究與全尺寸試驗結(jié)果的相關(guān)性[30]。同時,還發(fā)展建造一個面積更大的曲壁板試驗平臺,可更加逼真地模擬飛機結(jié)構(gòu)。但是該平臺制造成本較高,制造難度相對較大,故未繼續(xù)發(fā)展為通用的標(biāo)準(zhǔn)試驗平臺。

基于以上試驗方法的發(fā)展與探索,最終發(fā)展出可用作適航規(guī)章、并可依此表明抗燒穿性符合性的實驗室試驗方法[31]。該平臺的發(fā)展過程如圖3所示。圖3(a)中的臺架具有上下兩部分,下部分用于安裝鋁板、用來表明其抗燒穿性,上部分采用鋼板、用來表明火焰蔓延特性的符合性。圖3(b)中的臺架下部分中間被挖空,以表征燒穿的鋁板。而試驗發(fā)現(xiàn),挖空的鋼板對試驗無影響,故去掉了下部分鋼板,形成了如圖3(c)所示臺架。而上部分期望用于表明火焰蔓延特性,但試驗發(fā)現(xiàn)效果并不理想,故去掉了上部分,只保留下部分的桁架,用于安裝隔絕材料,如圖3(d)所示。最終獲得了該標(biāo)準(zhǔn)試驗方法,即14 CFR F25.7。其中,通過大量不同材料的試驗,以全尺寸試驗結(jié)果為目標(biāo),確定了火焰的設(shè)定參數(shù)。

(a) 臺架完整 (b) 臺架下部分中間被挖空 (c) 去掉下部分鋼板 (d) 只保留下部分的桁架

圖3 抗燒穿性試驗臺架的演變

Fig.3 Evolution of burnthrough test apparatus specimen holder

5 我國未來運輸類飛機抗燒穿展望

為了更加全面、客觀地研究飛機抗燒穿問題、提高我國運輸類飛機防火試驗?zāi)芰?,?yīng)開展以下三方面的研究:

(1) 建立全尺寸客艙防火試驗平臺,可用于進行全尺寸機身抗燒穿性試驗,以應(yīng)對航空新材料、新構(gòu)型的出現(xiàn),同時可用于客艙內(nèi)飾、報警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等多個方面的試驗與驗證,支持我國運輸類飛機的研制與適航審定工作。

(2) 發(fā)展機身結(jié)構(gòu)(金屬或復(fù)合材料)、客艙內(nèi)飾材料的燒穿分析技術(shù)與方法,重點突破材料的熱響應(yīng)過程模擬、燒穿失效定義等關(guān)鍵問題,可用于工程型號的設(shè)計與驗證,節(jié)約試驗成本,提高經(jīng)濟性。

(3) 發(fā)展用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗燒穿性的實驗室試驗方法,可收集試驗過程中產(chǎn)生的熱分解產(chǎn)物。在研究驗證抗燒穿性的同時,應(yīng)考慮氣體毒性可能造成的危害。

6 結(jié)束語

目前的抗燒穿性試驗方法是基于傳統(tǒng)鋁制機身,即鋁合金材料,發(fā)展出隔熱/隔音材料抗燒穿性要求及其符合性試驗方法。而隨著復(fù)合材料在運輸類飛機主要結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用日趨成熟,應(yīng)發(fā)展適用于復(fù)合材料抗燒穿性的符合性試驗方法,包括全尺寸試驗平臺和實驗室試驗方法。適航審定中的抗燒穿判據(jù)也因此有可能發(fā)生變化,同時可能出現(xiàn)諸如氣體毒性評估等新問題[32]。另一方面,為了提高效率節(jié)約成本,可發(fā)展相應(yīng)結(jié)構(gòu)/材料抗燒穿性的數(shù)值分析方法。

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(編輯:趙毓梅)

Investigation on Fuselage Burn-through Resistance of TransportCategory Airplanes

Ma Baiping, Li Han, Zou Tianchun, Xie Jiang

(Tianjin Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

For transport category airplanes, post-crash fire is one of the important problems to be considered for cabin safety. The time for evacuation that delaying fire or flame into cabin, namely fuselage burn-through resistance should be ensured. In this paper, the characteristics of post-crash fire, including the range of temperature, heat flux and influence factors are introduced, the process of fuselage burn-through, accounting for the criterion of airworthiness regulation on fuselage burn-through resistance are analyzed, the development of method of compliance to determine the burn-through resistance is stated, and development tendency of fuselage burn-through resistance in future is expected.

burn-through resistance; transport category airplanes; cabin safety; airworthiness ; pool fire

2017-03-09;

2017-04-14

李翰,cauc_lihan@126.com

1674-8190(2017)03-308-07

V223.2

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.03.010

馬百平(1992-),男,碩士研究生。主要研究方向:航空器適航審定。

李 翰(1986-),男,碩士,助理研究員。主要研究方向:航空器適航審定。

鄒田春(1976-),男,博士,副教授。主要研究方向:航空器適航審定。

解 江(1982-),男,博士,助理研究員。主要研究方向:航空器適航審定。

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