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民機(jī)貨艙用抗燒穿雙向快速泄壓裝置的設(shè)計(jì)

Design of Resist Burnthrough Bidirectional Rapid Decompression Unit for Civil Aircraft Cargo Compartment

霍穎曹雄強(qiáng)孟慶功呂軍 / Huo YingCao XiongqiangMeng QinggongLü Jun

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

0引言

當(dāng)飛機(jī)發(fā)生快速泄壓時(shí)，快速泄壓裝置能夠防止飛機(jī)上相鄰密閉區(qū)域之間產(chǎn)生過(guò)大的壓差，避免飛機(jī)結(jié)構(gòu)損壞(如貨艙與客艙之間、客艙與駕駛艙之間、盥洗室與客艙之間等)。

案例：1974年3月3日，土耳其航空?qǐng)?zhí)行981號(hào)航班的麥道DC-10-10客機(jī)發(fā)生空難，機(jī)上346人無(wú)一幸存。經(jīng)查明，事故原因是貨艙門(mén)設(shè)計(jì)有問(wèn)題，在飛行中意外打開(kāi)，發(fā)生爆炸減壓，增壓的大量空氣被從貨艙吸出機(jī)外，再加上客艙和貨艙之間缺少氣流通道，兩艙間的瞬間巨大壓差使得客艙地板向下榻，壓毀了連接機(jī)尾的電線及液壓管，引起飛機(jī)失控，導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生，如圖1所示。

正是由于民航史上這起嚴(yán)重事故，適航當(dāng)局多次對(duì)有關(guān)飛機(jī)泄壓的條款提出了修正案。

1飛機(jī)泄壓相關(guān)適航條款

此條款的目的是保證機(jī)身壓力容器在所有營(yíng)運(yùn)條件下結(jié)構(gòu)的完整性，保證在壓力容器內(nèi)部或外部，經(jīng)歷任意艙室的壓力突然泄壓后，飛機(jī)依然能安全飛行。

貨艙門(mén)脫落(貨艙壓力突降)

客艙地板塌陷圖1　爆炸性泄壓導(dǎo)致的空難

1.1　條款內(nèi)容

§25.365 增壓艙載荷

(e) 增壓艙內(nèi)部和外部的任何結(jié)構(gòu)、組件或零件，如因其破壞而可能妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸時(shí)，則必須設(shè)計(jì)成能夠承受在任何使用高度由于以下每一情況使任何艙室出現(xiàn)孔洞而引起的壓力突降：

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)碎裂后發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分穿通了增壓艙；

(2) 在任何增壓艙有尺寸不超過(guò)HO的任何孔洞，但對(duì)無(wú)法合理預(yù)期會(huì)局限于小艙室的孔洞，可以將小艙室與其相鄰增壓艙合并起來(lái)作為一個(gè)艙室考慮。尺寸HO須按下式計(jì)算：HO=PAs。式中：HO為最大孔洞面積，m2(ft2)，不超過(guò)1.86m2(20ft2)；As為增壓殼體垂直于縱軸的最大橫截面積，m2(ft2)；

(3) 未經(jīng)表明是極不可能出現(xiàn)的由于飛機(jī)或設(shè)備損壞而造成的最大孔洞。

1.2　條款解析

§25.365(e)條款規(guī)定了對(duì)飛機(jī)增壓艙發(fā)生突然泄壓情況的安全要求。對(duì)那些增壓艙被隔板、隔框或地板分成兩個(gè)部分或更多部分的結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)計(jì)得能經(jīng)受住任一隔艙壓力突然下降的作用。如果在空中出現(xiàn)艙門(mén)脫落，離散源損傷或壁板局部疲勞破壞等，將引起所在隔艙突然泄壓，造成空氣迅速流動(dòng)，使得一些相鄰隔艙間產(chǎn)生壓差。這種壓差載荷可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞或操縱失效，影響飛行安全。

1.3　修正案

(1)25-54修正案：FAA 修正案

25-54 于1980 年10 月14 日發(fā)布，對(duì)基本條款進(jìn)行了擴(kuò)展，包括了考慮在旅客艙和貨艙內(nèi)由指定尺寸的孔引起的壓差載荷的要求。該修正案的發(fā)布源于麥道DC-10-10客機(jī)發(fā)生的空難事故。

(2)25-71修正案：FAA 修正案

25-71 于1990 年5 月10 日發(fā)布，對(duì)該條款進(jìn)一步修訂，要求考慮在任何艙室中由指定尺寸的孔引起的壓差載荷，要求壓力區(qū)域外的結(jié)構(gòu)也要設(shè)計(jì)得能夠承受泄壓載荷，如果它們失效會(huì)妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸。要求考慮某些支承飛機(jī)上重要系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如果經(jīng)受本條規(guī)定的情況，必須考慮破損所造成的系統(tǒng)功能喪失對(duì)飛行安全的影響。造成失壓的因素包括爆炸物、艙門(mén)意外打開(kāi)、轉(zhuǎn)子葉片飛出等多種因素。

(3)25-72修正案：FAA 修正案

25-72 于1990 年8 月20 日發(fā)布，對(duì)條款進(jìn)行了文字上的更改，明確規(guī)章的要求不但適用于有乘員的艙，而且適用于沒(méi)有乘員的行李艙和貨艙。

(4)25-87修正案：FAA 修正案

25-87 于1996 年7 月5 日發(fā)布，對(duì)高度運(yùn)行的飛機(jī)要求一個(gè)更高的壓力座艙設(shè)計(jì)載荷系數(shù)，將之前的1.33 倍系數(shù)增大到1.67 以考慮由于飛機(jī)在高度上的快速飛行所產(chǎn)生的熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響。

2貨艙快速泄壓裝置三種常用結(jié)構(gòu)

根據(jù)適航條款的要求，現(xiàn)有民用飛機(jī)一般在貨艙設(shè)置快速泄壓裝置，避免采用足夠強(qiáng)的機(jī)身結(jié)構(gòu)而影響經(jīng)濟(jì)性，以解決飛機(jī)突然泄壓時(shí)貨艙與相鄰增壓艙間的氣流通路問(wèn)題?？焖傩箟貉b置一般包括兩部分：泄壓結(jié)構(gòu)和防護(hù)結(jié)構(gòu)。泄壓結(jié)構(gòu)可在預(yù)定壓力下打開(kāi)，提供氣流通道；防護(hù)結(jié)構(gòu)主要是為了保護(hù)泄壓結(jié)構(gòu)不受外力的損壞。

2.1　柔性抽出泄壓裝置

柔性抽出泄壓裝置的泄壓結(jié)構(gòu)一般靠壓條的壓緊力將泄壓板固定在框架上，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后，泄壓板從框架中抽出，完成泄壓功能。防護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用格柵形狀。如圖2所示。

柔性抽出泄壓裝置典型應(yīng)用在波音飛機(jī)的貨艙設(shè)計(jì)中。波音飛機(jī)一般將快速泄壓裝置布置在貨艙天花板、貨艙側(cè)壁板和貨艙端板上，如圖3所示。

圖2　柔性抽出泄壓裝置

(a)貨艙天花板

(b)貨艙側(cè)壁板

(c)貨艙端板圖3　波音飛機(jī)泄壓裝置布置

2.2　機(jī)械鎖泄壓裝置

機(jī)械鎖泄壓裝置的泄壓結(jié)構(gòu)一般采用機(jī)械鎖將泄壓板固定在貨艙內(nèi)飾板上，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后，機(jī)械鎖開(kāi)啟、泄壓板脫落，完成泄壓功能。防護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用支架支撐，為泄壓板脫落提供空間，如圖4所示。

機(jī)械鎖泄壓裝置典型應(yīng)用在空客飛機(jī)的貨艙設(shè)計(jì)中?？湛惋w機(jī)一般將快速泄壓裝置布置在貨艙天花板和貨艙端板上，如圖5所示。

(a)泄壓結(jié)構(gòu)

(b)防護(hù)結(jié)構(gòu)圖4　機(jī)械鎖泄壓裝置

圖5　空客飛機(jī)泄壓裝置布置

2.3　局部斷裂泄壓裝置

局部斷裂泄壓裝置的泄壓結(jié)構(gòu)一般采用預(yù)浸布鋪層結(jié)構(gòu)。鋪層設(shè)計(jì)時(shí)在四周邊緣留有局部較弱部位。當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后，局部較弱部位受力斷裂，泄壓板脫落，完成泄壓功能。防護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用格柵形式，如圖6所示。

局部斷裂泄壓裝置近年來(lái)才應(yīng)用在民機(jī)貨艙的研制中，如SSJ飛機(jī)。

2.4　三種常用泄壓裝置比較

柔性抽出泄壓裝置、機(jī)械鎖泄壓裝置和局部斷裂泄壓裝置在安裝結(jié)構(gòu)、泄壓功能等方面的比較如表1所示。

(a)泄壓結(jié)構(gòu)

(b)防護(hù)結(jié)構(gòu)圖6　局部斷裂泄壓裝置

柔性抽出泄壓裝置機(jī)械鎖泄壓裝置局部斷裂泄壓裝置安裝結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn);泄壓后安裝相對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜;泄壓后易于拆裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,安裝方便;泄壓后需要換新泄壓功能單向泄壓雙向泄壓?jiǎn)蜗蛐箟簠?shù)調(diào)節(jié)泄壓值可微調(diào)泄壓值不可調(diào)泄壓值不可調(diào)燒穿性能燒穿試驗(yàn)不易通過(guò)燒穿試驗(yàn)易通過(guò)燒穿試驗(yàn)易通過(guò)重量特性較輕較重最輕

3貨艙快速泄壓裝置的設(shè)計(jì)方法

3.1　設(shè)計(jì)流程

貨艙快速泄壓裝置的設(shè)計(jì)涉及飛機(jī)總體、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、環(huán)控和防火等專(zhuān)業(yè)，一般設(shè)計(jì)流程如表2所示。

3.2　設(shè)計(jì)原理圖

在貨艙相鄰增壓艙發(fā)生破孔減壓情況下，當(dāng)貨艙隔板兩側(cè)的壓差達(dá)到泄壓裝置的開(kāi)啟壓差時(shí)，泄壓板朝相鄰增壓艙方向迅速打開(kāi)，氣流通過(guò)泄壓板開(kāi)口由貨艙流向相鄰增壓艙，使隔板兩側(cè)的壓差快速平衡，實(shí)現(xiàn)泄壓功能。反之，泄壓板反向開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)泄壓功能。如圖7所示。

表2　泄壓裝置設(shè)計(jì)流程

圖7　設(shè)計(jì)原理圖

3.3　設(shè)計(jì)要點(diǎn)

貨艙快速泄壓裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)泄壓結(jié)構(gòu)能夠在要求的開(kāi)啟壓力范圍內(nèi)(下限~上限)打開(kāi)，完成泄壓功能；

(2)防護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要滿(mǎn)足貨艙內(nèi)的載荷要求，對(duì)泄壓結(jié)構(gòu)起到防護(hù)作用，還要為泄壓結(jié)構(gòu)提供足夠的泄壓空間，以滿(mǎn)足飛機(jī)泄壓要求；

(3)整體安裝結(jié)構(gòu)要滿(mǎn)足CCAR25.855(c)條款的抗火焰燒穿要求(火焰溫度927°C，試驗(yàn)進(jìn)行5min)。

4實(shí)際型號(hào)應(yīng)用

在參考現(xiàn)有民機(jī)貨艙快速泄壓裝置相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)本文的設(shè)計(jì)流程，滿(mǎn)足抗火焰燒穿要求且具備雙向泄壓功能的快速泄壓裝置已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)民機(jī)型號(hào)的研制中。如圖8所示。

(a)功能試驗(yàn)

(b)抗火焰燒穿試驗(yàn)圖8　泄壓裝置的相關(guān)試驗(yàn)

5結(jié)論

在飛機(jī)增壓區(qū)各獨(dú)立艙體間設(shè)置壓差快速泄壓裝置是為了保證飛機(jī)因?yàn)楦鞣N意外引起的快速泄壓時(shí)，能夠快速平衡各艙室間的壓力差，防止過(guò)大壓差損傷結(jié)構(gòu)部件，進(jìn)一步造成電路、管路損壞，引發(fā)飛機(jī)災(zāi)難性事故。通過(guò)貨艙快速泄壓裝置設(shè)計(jì)方法在實(shí)際型號(hào)中的應(yīng)用可知，快速泄壓裝置的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及多專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)工程，不僅需要考慮泄壓裝置自身結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，還需要考慮其他系統(tǒng)設(shè)備的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)民用航空局.CCAR-25-R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空局，2011.

[2]鄭作棣.運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)咨詢(xún)手冊(cè)[S].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[3]Federal Aviation Administration. Transport Airplane Cabin Interiors Crashworthiness Handbook[Z]. No: 25-17A. 2009.05.18.

摘要：

民航史上一起由于“貨艙泄壓”引發(fā)300多人喪生的空難對(duì)貨艙快速泄壓裝置提出了技術(shù)需求。描述了現(xiàn)有國(guó)外民機(jī)貨艙快速泄壓裝置的三種典型結(jié)構(gòu)，并對(duì)比分析這三種結(jié)構(gòu)的快速泄壓裝置的優(yōu)缺點(diǎn)?；趪?guó)內(nèi)某型號(hào)民機(jī)貨艙快速泄壓裝置的研制和試驗(yàn)經(jīng)歷，提出了一套全新的貨艙快速泄壓裝置的設(shè)計(jì)流程，并總結(jié)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供國(guó)內(nèi)民機(jī)貨艙快速泄壓裝置設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：貨艙；抗燒穿；雙向快速泄壓

[Abstract]The 300 more lives’ air disaster caused by the “cargo compartment decompression” among the civil aviation history put forward the technical requirement for the rapid decompression unit used in the cargo compartment. The paper describes three typical structures of rapid decompression unit used in the abroad civil aircraft cargo compartment, and analyses the advantage and disadvantage of three rapid decompression units by comparison. Based on the developing and testing experience of cargo compartment rapid decompression unit for some domestic civil aircraft model, a new design procedure for the cargo compartment rapid decompression unit is developed, and the seesential design is summarized, which can provide reference to the design of the domestic civil aircraft cargo compartment rapid decompression unit.

[Key words]cargo compartment; resist burnthrough; bidirectional rapid decompression

中圖分類(lèi)號(hào)：V223+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A