劉澳 郭文杰

摘要：在航空運輸中，飛機貨艙一旦著火，很容易造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。飛機高空飛行過程具有低壓、密閉的特點，其火災(zāi)時的煙氣、溫度分布主要受壓力、火源位置及堆疊方式等因素的影響。為了使飛機貨艙火災(zāi)得到有效的控制，本文對一個能夠完成飛機巡航狀態(tài)下，貨艙低壓環(huán)境的模擬裝置進行研究設(shè)計。設(shè)計尺寸及結(jié)構(gòu)與真實飛機貨艙成一定比例關(guān)系，能夠有效模擬低壓環(huán)境下的火災(zāi)發(fā)展機理。

關(guān)鍵詞：飛機貨艙;低壓環(huán)境;模擬裝置

近兩年來波音飛機不斷出現(xiàn)空中事故，且有兩次重大事故，機上所有乘客和飛行人員無一生還，這導(dǎo)致了波音飛機在全球范圍內(nèi)大面積停飛，事實上在自動控制系統(tǒng)存在著重大隱患的波音737MAX之前，波音737客機一直擁有著不錯的口碑，所以波音737系列飛機是世界航空領(lǐng)域的典型。因此，本次設(shè)計以波音737-700客機前貨艙尺寸為依據(jù)，設(shè)計一個飛機貨艙低壓環(huán)境模擬裝置，貨艙由主體腔室、壓力控制系統(tǒng)、模擬火源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。壓力控制系統(tǒng)用于進氣和排氣的壓力控制。采用模擬火源對實際飛機火災(zāi)進行模擬。

1 功能要求

根據(jù)前人對飛機貨艙火災(zāi)煙氣特征及溫度分布規(guī)律的研究，得出火源位置和氣壓環(huán)境的變化是影響火災(zāi)特征參數(shù)的重要因素，而火源位置又包括水平位置與抬升高度。為了便于對飛機貨艙低壓環(huán)境火災(zāi)溫度分布與煙氣特征的研究，該飛機貨艙低壓環(huán)境模擬裝置主要能實現(xiàn)以下研究：

（1）研究不同壓力下貨艙火災(zāi)煙氣分布及衰減規(guī)律

將火源放置模擬貨艙底部中央，改變腔室內(nèi)環(huán)境壓力，模擬飛機巡航狀態(tài)下壓力從100kPa到70kPa的變化，記錄燃燒過程中腔室內(nèi)溫度的變化，以及CO、CO2、O2的濃度。

（2）低壓環(huán)境下飛機貨艙火災(zāi)時煙氣運動特征規(guī)律研究

固定貨艙中壓力為80kPa，分別研究水平起火點位置和火源高度對煙氣分布及衰減影響。

（3）低壓環(huán)境下飛機貨艙內(nèi)物體自燃規(guī)律的研究

改變貨艙模擬裝置內(nèi)部壓力，模擬飛機飛行過程中的壓力變化，選擇典型可燃物，記錄溫度變化以及物體自燃情況。

2 設(shè)計要求

2.1 外形尺寸與材料

（1）外形尺寸

以波音737-700客機前貨艙腔室內(nèi)部尺寸為依據(jù)進行等比例縮小，貨艙原尺寸長4670mm、高1120mm，貨艙上下墻面寬度分別為3000mm和1220mm。在國內(nèi)飛機貨艙模擬研究大都在全尺寸模擬裝置內(nèi)進行，而在飛機貨艙小尺寸模擬裝置中開展的火災(zāi)實驗研究還處于起步階段，結(jié)合前人通過數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)等多種方式，證明實際尺寸和小尺寸煙氣及溫度變化參數(shù)結(jié)果相近，以及全比例能更好的還原飛機貨艙的火場環(huán)境等理論，本設(shè)計裝置尺寸按照實際尺寸10：1等比例縮小，即長467mm、高112mm、底部寬122mm、頂部寬300mm，如圖1。

（2）材料選取

材料選用需要滿足設(shè)計性能上的要求，包括力學(xué)性能、腐蝕性能、工藝性能（化學(xué)性能、物理性能和力學(xué)性能的綜合）。

現(xiàn)代飛機選材現(xiàn)狀研究分析表明，當(dāng)前飛機較多使用的金屬材料為結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼，雖作為結(jié)構(gòu)材料的用量比例在減少，但對自重和承載力都極大的飛機來說，一些重要的成立構(gòu)件都需要超高強度和高強度鋼。主要材料有：①鋁及其合金。鋁合金可用于制作承載力極大的機器零件或者構(gòu)件，在當(dāng)前航空航天結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用方面有著極其重要的作用。鋁合金密度小、綜合性能優(yōu)良且成本較低，是當(dāng)前飛機可選用的一種理想的結(jié)構(gòu)材料;②鈦合金。鈦合金是一種很重要的新型結(jié)構(gòu)材料，因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性強等特點應(yīng)用于航空航天事業(yè)中。

由于鋁的熔點比較低，鋁和鋁合金的使用溫度不能超過200℃，因此其高溫的使用受到限制，考慮到設(shè)計成本，鈦合金價格昂貴，不適合于制作，所以本設(shè)計貨艙內(nèi)殼采用巖棉板，外殼選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板。巖棉板因其優(yōu)質(zhì)的保溫、防火等性能而成為保溫材料界的耀眼明星，備受建筑業(yè)的重視。

2.2 通風(fēng)設(shè)置

民機飛行過程中通風(fēng)主要依靠頂板空調(diào)系統(tǒng)，氣流由上部的通風(fēng)口向下流動，通過側(cè)壁的空調(diào)格柵進入貨艙，使得火災(zāi)時產(chǎn)生的煙、熱不易排出，而熱量的積累使受限空間內(nèi)的熱系統(tǒng)失衡，易導(dǎo)致空間內(nèi)溫度驟升，較其他受限空間更早發(fā)生轟燃。飛機飛行過程中艙門必須保持關(guān)閉，此時一旦發(fā)生火災(zāi)，通風(fēng)系統(tǒng)幾乎對煙氣運動沒有影響;而一旦飛機停止飛行艙門打開乘客進行疏散，此時客艙內(nèi)部通過艙? 門與外界進行氣流交換，這種情況下火災(zāi)煙氣運動受艙門通風(fēng)的影響變化較大。

前人對飛機貨艙內(nèi)煙氣運動規(guī)律的研究大多都是在無風(fēng)環(huán)境下進行的，裝置本身不設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)。但是，在強制通風(fēng)下，貨艙內(nèi)氣流會出現(xiàn)強制對流，改變煙氣流動場，進而改變頂棚下方煙氣特征，最終影響火災(zāi)探測器採測到的火災(zāi)信號。

因此，本設(shè)計設(shè)置了通風(fēng)系統(tǒng)整流裝置，依據(jù)艙門大小、內(nèi)部機構(gòu)、主承力結(jié)構(gòu)的位置，確定通風(fēng)口的位置。通風(fēng)系統(tǒng)由通風(fēng)管和整流網(wǎng)構(gòu)成，整流網(wǎng)由蜂窩狀的金屬網(wǎng)構(gòu)成，頂棚下方設(shè)置整流網(wǎng)，它利用密集的微小網(wǎng)孔的阻尼作用，降低氣流紊流度，提高流場速度分布的均勻性，保證進入貨艙空氣的流場均勻，減少壓力分布不均導(dǎo)致的容器內(nèi)參量的變化，進而提高火災(zāi)分布規(guī)律研究的準(zhǔn)確性。主體腔室設(shè)置一層整流網(wǎng)，厚度為5mm，距頂板20mm，整流網(wǎng)通過螺栓固定在艙體內(nèi)部。

3 結(jié)語

火災(zāi)煙氣釋放情況隨著火災(zāi)場景的改變而發(fā)生變化，環(huán)境溫度、壓力、氧濃度、通風(fēng)情況等的變化對于材料的點火過程、火焰的蔓延傳播、以及火災(zāi)煙氣的種類和濃度等都將產(chǎn)生重要影響。隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，高空低壓、低氧等特殊環(huán)境下的火災(zāi)安全防治問題逐步凸顯，本文的設(shè)計為高空低壓環(huán)境下飛機火災(zāi)預(yù)防具有重要意義。