(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

民用客機(jī)火警探測(cè)缺陷與應(yīng)用限制

胡 焱

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

大部分火災(zāi)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的煙霧、溫度、有毒氣體，針對(duì)民航飛機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的假火警，介紹了民用客機(jī)三種常見(jiàn)的火警探測(cè)系統(tǒng)，分析了當(dāng)前火警探測(cè)系統(tǒng)存在的缺陷與應(yīng)用限制。最后，就民用客機(jī)火警探測(cè)技術(shù)在應(yīng)用中的不足提出改進(jìn)方案，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展有著一定的指導(dǎo)意義。

火警探測(cè)器；民用飛機(jī)；假火警；應(yīng)用限制

0 引言

隨著民航技術(shù)的飛速發(fā)展，民用飛機(jī)已成為主要的交通與運(yùn)輸工具。目前，火災(zāi)是威脅飛機(jī)安全飛行的一大因素，飛機(jī)一旦發(fā)生火災(zāi)輕則返航或迫降重則機(jī)毀人亡。因此需要在火災(zāi)發(fā)生初期給出快速、準(zhǔn)確的報(bào)警，然而現(xiàn)民用客機(jī)火警探測(cè)系統(tǒng)普遍存在火災(zāi)響應(yīng)慢。美國(guó)聯(lián)邦航空條例25.858規(guī)定：要求火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生1分鐘內(nèi)給機(jī)組發(fā)出警告[1]。

誤警率高是當(dāng)前火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)急需解決的另一大問(wèn)題。據(jù)美國(guó)FAA技術(shù)中心統(tǒng)計(jì)1995～1999年間，平均200起火警報(bào)告中只有1起是真火警[2]。一旦飛機(jī)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警機(jī)組人員必須嚴(yán)格按照真火警迅速采取相應(yīng)措施。過(guò)多的假火警無(wú)疑給飛機(jī)帶來(lái)巨大的威脅，給航空公司帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以本文介紹了當(dāng)前民用客機(jī)上使用較多的感煙型、感溫型和氣敏型火災(zāi)探測(cè)器，著重分析了其存在的缺陷與應(yīng)用限制，對(duì)其發(fā)展具有重大的意義。

1 感煙型火警探測(cè)器

現(xiàn)民航客機(jī)中使用的感煙型火警探測(cè)器主要有兩種[3]：光電式感煙探測(cè)器和離子式感煙探測(cè)器，前者是利用光電效應(yīng)，而后者則是利用放射性元素對(duì)空氣分子的電離。

感煙型火警探測(cè)器主要用于飛機(jī)客艙、廁所、電子設(shè)備艙等。如圖1為空客A320上探測(cè)器安裝位置[4]，飛機(jī)客艙與廁所中的煙霧探測(cè)器通常安裝于頂板之上，采集客艙與廁所內(nèi)空氣進(jìn)行火警探測(cè)。電子設(shè)備艙煙霧探測(cè)主要安裝于通風(fēng)系統(tǒng)排氣管道中，進(jìn)行氣體采樣以完成煙霧探測(cè)。這種采用主動(dòng)采集空氣方式提高了火警探測(cè)的效率。

圖1 煙霧探測(cè)器在客機(jī)中的應(yīng)用

1.1 光電式煙霧探測(cè)器部件實(shí)際設(shè)計(jì)

光電式煙霧探測(cè)器以煙霧探測(cè)室為核心，如圖2所示[5]，探測(cè)器內(nèi)部主要由光電管、信號(hào)燈、測(cè)試燈等組成，光電管與信號(hào)燈光束之間存在90°的夾角。正常情況下信號(hào)燈發(fā)射的水平光線無(wú)法照射在光電管上，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧粒子進(jìn)入煙霧室，光線照射在粒子上發(fā)生散射，使光電管受到光照產(chǎn)生電流。煙霧濃度越大，進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)的煙霧粒子就越多，從而產(chǎn)生的電流就越大，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)在探測(cè)器中設(shè)置了測(cè)試燈，能夠產(chǎn)生光信號(hào)直接照射到光電管中，產(chǎn)生光電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)該探測(cè)的自檢。

圖2 光電型煙霧探測(cè)器

1.2 離子式煙霧探測(cè)器部件實(shí)際設(shè)計(jì)

離子型煙霧探測(cè)器主要應(yīng)用于早期的客機(jī)中[6]。如圖3所示，離子型煙霧探測(cè)器利用了放射性材料镅-241放射源使得電離室空氣電離[7]，形成離子束射擊到靶上形成電流。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧粒子進(jìn)入電離室后，正負(fù)離子依附到煙霧粒子上，從而減少了移向正負(fù)板極的離子數(shù)量，導(dǎo)致電流減小。空氣中的煙霧粒子濃度越大，其離子式煙霧探測(cè)器輸出電流就越小，當(dāng)其輸出電流大小低于探測(cè)閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警。

圖3 離子型煙霧探測(cè)原理圖

1.3 感煙型火警探測(cè)器應(yīng)用限制

現(xiàn)代民用飛機(jī)感煙型火警探測(cè)器普遍存在著火災(zāi)響應(yīng)慢、誤報(bào)率高，這在一定程度上限制了它的發(fā)展。基于對(duì)感煙型火警探測(cè)器所處環(huán)境以及自身設(shè)計(jì)的分析，得出以下可能導(dǎo)致這一缺陷的原因：

(1)貨艙中的灰塵、絨毛、小水滴等與煙霧顆粒大小相仿[8]，飛機(jī)在起飛、降落或空中發(fā)生顛簸時(shí)這些雜質(zhì)容易被吸到探測(cè)器中，從而產(chǎn)生假火警。

(2)空氣中煙霧粒子通常為0.01um～10um，這將導(dǎo)致只有一部分煙霧粒子能夠?qū)猱a(chǎn)生反射和散射，降低煙霧探測(cè)的靈敏度。

(3)光電式感煙探測(cè)器是利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電流[9]，經(jīng)放大器放大后分析，這造成了其易受電子噪聲的影響，尤其是電子艙中的煙霧探測(cè)器。

(4)燃燒中產(chǎn)生的黑色煙霧具有吸收光線的能力[10]，對(duì)于照射在其上的光輻射以吸收為主，散射光很弱，從而使探測(cè)靈敏性較差。

(5)離子式感煙探測(cè)器采用的是放射性元素，這在一定程度上勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致在生產(chǎn)、使用以及報(bào)廢過(guò)程中對(duì)環(huán)境和人造成傷害。

2 感溫型火警探測(cè)器

發(fā)動(dòng)機(jī)艙和APU艙著火通常是由于燃油或滑油系統(tǒng)部件和管路的滲漏造成的[11]，此類火災(zāi)早期時(shí)間段很短，火災(zāi)表象也很復(fù)雜，所以對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙和APU艙的火警探測(cè)通常采用的是感溫型火警探測(cè)。如圖4所示，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扇區(qū)、發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)、吊艙以及APU艙的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控[12]?，F(xiàn)常使用的感溫型火警探測(cè)器有兩種：熱敏電阻式和氣壓式。

圖4 感溫型線式火警探測(cè)器分布圖

2.1 熱敏電阻式感溫探測(cè)器部件實(shí)際設(shè)計(jì)

熱敏電阻式感溫探測(cè)器，其感溫部分是以合金管為外殼，在合金管中有兩條陶瓷內(nèi)芯，其中一根與合金管相連，另一根與繼電器地端相連。在導(dǎo)線和合金管中充滿了大量共晶鹽，如圖5所示。常溫情況下，共晶鹽為晶體狀。當(dāng)合金管外部溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，共晶鹽將迅速熔化，使1，2號(hào)金屬導(dǎo)線間的電阻值減小，從而導(dǎo)致1號(hào)金屬導(dǎo)線上的電流增大[13]。當(dāng)電流達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，1號(hào)金屬導(dǎo)線所連接的繼電器由于電流磁效應(yīng)而接通，輸出火警或過(guò)熱信號(hào)。

圖5 熱敏電阻式感溫探測(cè)器原理圖

2.2 氣壓式感溫探測(cè)器部件實(shí)際設(shè)計(jì)

氣壓式感溫探測(cè)器的感溫部分采用的是氣壓感應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)了將溫度感應(yīng)轉(zhuǎn)化為氣壓量。該氣壓感應(yīng)管處于密封狀態(tài)的不銹鋼細(xì)管內(nèi)，管內(nèi)充滿了氦氣和具有釋放和吸收氫氣材料制作的內(nèi)芯金屬絲。細(xì)管中的氦氣通過(guò)氣體受熱膨脹來(lái)進(jìn)行平均過(guò)熱探測(cè)，而內(nèi)芯金屬絲的釋放氫氣主要用于局部著火型探測(cè)。如下圖6所示[14]，在正常溫度下，氣體室中的壓力，不足以使報(bào)警電門(mén)的活動(dòng)觸點(diǎn)和固定觸點(diǎn)閉合，報(bào)警電門(mén)斷開(kāi)，信號(hào)線和電源之間通過(guò)一電阻連通。當(dāng)外界探測(cè)溫度升高到一定值時(shí)，氣體室內(nèi)密閉氣體的壓力增加，推動(dòng)報(bào)警電門(mén)的活動(dòng)觸點(diǎn)也向左彎曲和固定觸點(diǎn)接通電流，將使得電源和信號(hào)線直接接通輸出火警信號(hào)。

圖6 氣壓式感溫探測(cè)器工作原理圖

2.3 感溫型火警探測(cè)器應(yīng)用限制

環(huán)境適應(yīng)性、誤警率、反應(yīng)時(shí)間、可靠性等是決定感溫型火警探測(cè)器能否被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)探測(cè)器自身材料、設(shè)計(jì)以及所處環(huán)境的分析，發(fā)現(xiàn)主要存在以下限制因素：

(1)溫度在傳播過(guò)程中速度慢、靈敏度低從而導(dǎo)致感溫火警探測(cè)器對(duì)火災(zāi)響應(yīng)慢，無(wú)法滿足火災(zāi)早期報(bào)警。

(2)探測(cè)器的合金管上容易附著塵埃和油脂降低探測(cè)靈敏度，需要定期進(jìn)行檢查和清理，這給探測(cè)器的日常維護(hù)與保養(yǎng)帶來(lái)不便。

(3)熱敏電阻式感溫探測(cè)器使用的晶體鹽泄漏不易檢查，需要定期進(jìn)行檢測(cè)。

(4)火災(zāi)初期往往是陰燃火，煙氣溫度無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到探測(cè)器的響應(yīng)閾值，容易導(dǎo)致報(bào)警不及時(shí)。

(5)發(fā)動(dòng)機(jī)等艙內(nèi)溫度高，因此要求探測(cè)器采用耐高溫材料，提高了應(yīng)用成本，就氣壓式探測(cè)器而言溫度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致氣壓感應(yīng)管壓力過(guò)大易產(chǎn)生微小泄漏，降低靈敏性。

(6)電阻式感溫探測(cè)器使用原理是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這在一定程度上決定了其易受到電子噪聲的影響。

(7)探測(cè)過(guò)程是以閾值方式進(jìn)行報(bào)警，此邏輯分析過(guò)于簡(jiǎn)單，很難滿足復(fù)雜多變的艙內(nèi)環(huán)境。

3 氣敏型火警探測(cè)器

火災(zāi)初期往往會(huì)伴隨著大量的氣體產(chǎn)生，其中最典型的就是CO。正常情況下CO氣體在空氣中含量極低，一旦發(fā)生火災(zāi)空氣中CO濃度發(fā)生急劇變化，使用CO氣體探測(cè)器能夠有效的探測(cè)出濃度變化情況，從而判別出是否發(fā)生火災(zāi)。目前CO氣體探測(cè)器主要用于客艙和駕駛艙。

3.1 氣敏型火警探測(cè)器部件實(shí)際設(shè)計(jì)

民用客機(jī)上氣敏型火警探測(cè)器主要采用金屬氧化物傳感器[15]，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)主要包括氧化鋁基板、加熱器、敏感材料層等，敏感材料通常采用SnO2。探測(cè)器工作時(shí)，多晶結(jié)構(gòu)的SnO2膜在高溫條件下晶格表面氧被吸收產(chǎn)生負(fù)電荷，進(jìn)而晶格表面的電子進(jìn)入氧分子中，使其形成正電荷，從而產(chǎn)生電勢(shì)壘。當(dāng)CO氣體進(jìn)入探測(cè)器中氧離子數(shù)量減少，電勢(shì)壘降低，阻抗減小，通過(guò)測(cè)量探測(cè)器的阻抗來(lái)探測(cè)CO氣體濃度，當(dāng)所測(cè)濃度高于所設(shè)定的閾值時(shí)發(fā)出火警信號(hào)。

圖7 CO探測(cè)器外形與整體結(jié)構(gòu)

3.2CO火警探測(cè)器應(yīng)用限制

CO火警探測(cè)器相對(duì)感煙型、感溫型火警探測(cè)器靈敏度高、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)，但同時(shí)也存在著以下的不足：

(1)CO火警探測(cè)器工作溫度高、功耗大，使用過(guò)程需要加熱，從而給使用帶來(lái)不便增加成本；

(2)通常探測(cè)器安裝區(qū)域分布大量電線，一旦導(dǎo)線老化容易造成火災(zāi)；

(3)容易受潮失效，且易受可燃性氣體腐蝕長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)降低探測(cè)器的靈敏度，需要定期檢查，給設(shè)備的維修與保養(yǎng)帶來(lái)不便；

(4)選擇性差，易受H2、NO、揮發(fā)性有機(jī)物等干擾。

4 改進(jìn)方法

目前民用飛機(jī)火警探測(cè)器在使用過(guò)程中由于受到自身材料、設(shè)計(jì)、以及所處環(huán)境的影響，嚴(yán)重威脅到正常的飛行安全。提高火警探測(cè)器的響應(yīng)速度、降低誤警率是當(dāng)前急需解決的重大問(wèn)題。結(jié)合火災(zāi)探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)筆者提出以下改進(jìn)方案：

(1)設(shè)計(jì)復(fù)合火警探測(cè)器[16]，改變以往通過(guò)單一火警判決條件為通過(guò)判斷兩個(gè)及兩個(gè)以上的條件來(lái)決定是否發(fā)出火警信號(hào)。

(2)以往在處理火災(zāi)信號(hào)時(shí)使用的是簡(jiǎn)單的“與”、“或”邏輯，其無(wú)法滿足復(fù)雜多變的環(huán)境要求，可考慮使用更加“智能”的算法如：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[17]等。

(3)根據(jù)探測(cè)器使用區(qū)域的不同在設(shè)計(jì)時(shí)使用特定性能的材料，例如：在發(fā)動(dòng)機(jī)艙等溫度較高的區(qū)域使用耐高溫材料，在電子設(shè)備艙使用防電子噪聲的材料。

(4)為特定的貨艙(尤其是裝有服裝、水果、蔬菜、家禽等)提供相應(yīng)的空調(diào)和控制氣體的環(huán)境，可有效的降低火警探測(cè)器的誤報(bào)率。

5 結(jié)語(yǔ)

以上介紹了現(xiàn)民用客機(jī)中常用的感煙型、感溫型以及氣敏型火警探測(cè)器，對(duì)其在客機(jī)中的實(shí)際設(shè)計(jì)和工作原理做了介紹。并結(jié)合探測(cè)器自身性能與所處環(huán)境，分析了在使用過(guò)程中的應(yīng)用限制，指出了探測(cè)器的不足，并就民用客機(jī)火警探測(cè)器在應(yīng)用中存在的不足提出改進(jìn)方案，為火警探測(cè)器的發(fā)展提供參考。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：張朋毅]

Defects and Application Limitations of Civilian Aircraft Fire Detection

HUYan

(Aviation Engineering Institute, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

Most fires will produce smoke, temperature and toxic gas accordingly.This paper presents three common fire detection systems of civilian aircraft on the basis of false fire in civil aircraft.It also analyzes the shortcomings and limitations of the current application of fire detection systems.Lastly, it brings forward the program to enhance civilian aircraft fire detection technology's application, which is of instructive significance for the development of the technology.

fire detector; civilian aircraft; false fire; application limitations

2015-03-10

胡焱 (1973-)，男，四川大英人，副教授，從事航空電子設(shè)備研究。

V

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1008-9233(2015)03-0020-04