周曉猛 教授 黃 鑫 副研究員 白薈琳

(中國(guó)民航大學(xué) 民航熱災(zāi)害防控與應(yīng)急重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300300)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)民航事業(yè)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在2016-2020年的5年間,我國(guó)民用航空新增運(yùn)輸飛機(jī)1 253架[1];根據(jù)我國(guó)《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》,到2025年,我國(guó)民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)將增加到270個(gè),可保障飛機(jī)起降1 700萬(wàn)架次,旅客運(yùn)輸量達(dá)到9.3億人次[2]。此外,《新時(shí)代民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)行動(dòng)綱要》指出[3],在“十四五”期間,我國(guó)將加快民航產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型,實(shí)現(xiàn)從單一航空運(yùn)輸強(qiáng)國(guó)向多領(lǐng)域民航強(qiáng)國(guó)的跨越,全面建成安全、高效、綠色的現(xiàn)代化民用航空系統(tǒng)。

我國(guó)民航事業(yè)的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型,為民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)和航空產(chǎn)業(yè)帶來(lái)重大機(jī)遇,同時(shí)也為民航安全帶來(lái)了一系列新的挑戰(zhàn)。民航安全事關(guān)國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)家安全,是民航需要確保的底線。飛機(jī)火災(zāi)是影響民航安全的重要因素之一,根據(jù)國(guó)際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4],2005-2019年平均每年發(fā)生的飛機(jī)火災(zāi)事故約占當(dāng)年民航事故總數(shù)的8.9%。由于飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境多變復(fù)雜,結(jié)構(gòu)和材料日趨豐富多樣,導(dǎo)致飛機(jī)火災(zāi)機(jī)理復(fù)雜、火災(zāi)荷載大且蔓延迅速,防治難度極大,稍有不慎便會(huì)帶來(lái)慘重的人員傷亡、嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。例如, 2016年6月11日德國(guó)漢莎航空在法蘭克福機(jī)場(chǎng)發(fā)生火災(zāi),飛機(jī)嚴(yán)重受損并造成10人受傷;2019年8月27日首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)CA183次航班前貨艙起火造成飛機(jī)機(jī)身燒穿,經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)億元;2020年7月22日的埃塞俄比亞航空公司777F貨機(jī)起火造成機(jī)身燒穿,同樣付出了巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。因此,高效的防滅火技術(shù)對(duì)飛機(jī)的安全運(yùn)行意義重大,現(xiàn)行美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aeronautics Administration,FAA)和中國(guó)民航局(Civil Aviation Administration of China,CAAC)適航標(biāo)準(zhǔn)均要求民用飛機(jī)內(nèi)必須配置滅火系統(tǒng)。

飛機(jī)火災(zāi)事故防治不僅難度大,而且嚴(yán)苛的飛行安全要求對(duì)防火系統(tǒng)的有效性和可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)。由于受資金、時(shí)間、測(cè)試條件等各方面因素影響,我國(guó)民用飛機(jī)防火系統(tǒng)的研發(fā)起步晚、技術(shù)積累薄弱,技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。目前,國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)滅火系統(tǒng)均為國(guó)外整機(jī)進(jìn)口,國(guó)內(nèi)尚無(wú)滿足飛機(jī)防火要求的產(chǎn)品。例如,國(guó)產(chǎn)ARJ-21支線飛機(jī)和C919干線窄體飛機(jī)固定滅火系統(tǒng)主要由美國(guó)凱得公司(KIDDE Company)、德國(guó)美捷特公司(MEGGITT PLC.)等國(guó)外公司提供。此外,由于哈龍滅火劑具有滅火效率高、釋放后無(wú)殘留、毒性低、成本低、無(wú)腐蝕、不導(dǎo)電及存儲(chǔ)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),目前仍廣泛應(yīng)用在飛機(jī)滅火系統(tǒng)中,其中哈龍1301滅火劑(CF3Br)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、輔助動(dòng)力裝置(Auxiliary Power Units,APU)艙和貨艙的固定滅火系統(tǒng)[5],然而哈龍1301滅火劑對(duì)臭氧層具有強(qiáng)烈的破壞作用,ICAO和歐盟明確提出:對(duì)于新設(shè)計(jì)的飛機(jī),固定滅火系統(tǒng)將于2024年停止使用哈龍1301滅火劑;對(duì)于現(xiàn)服役飛機(jī),固定滅火系統(tǒng)將在2040年停止使用哈龍 1301滅火劑。由于飛機(jī)防火的嚴(yán)苛要求,迄今為止世界范圍內(nèi)尚未開(kāi)發(fā)出可替代哈龍 1301的理想產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)外均面臨舊產(chǎn)品即將退出而合適替代產(chǎn)品缺失的局面。

隨著我國(guó)民用飛機(jī)制造“兩干兩支”(“兩干”是指C919和C929兩型干線飛機(jī);“兩支”則是ARJ21和新舟700兩型支線飛機(jī))戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn),國(guó)產(chǎn)支線飛機(jī)ARJ21已投入運(yùn)營(yíng)、新舟700已完成全機(jī)工況試驗(yàn);首架國(guó)產(chǎn)干線飛機(jī)C919已于2022年交付,正在進(jìn)行驗(yàn)證飛行;CR929寬體飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng),計(jì)劃于2028-2029年交付使用。哈龍滅火劑禁止使用和滅火裝備“卡脖子”問(wèn)題共存,所面臨的形勢(shì)和局面更為緊迫。本文調(diào)查民用飛機(jī)中哈龍滅火劑的使用狀況,并在此基礎(chǔ)上介紹哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑?大篩選原則,分析哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑难邪l(fā)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題,提出未來(lái)民用飛機(jī)中哈龍?zhí)娲鷾缁饎┖Y選和研發(fā)的發(fā)展趨勢(shì),為推進(jìn)民用飛機(jī)新型滅火劑及其滅火產(chǎn)品的自主可控提供參考。

1 民用飛機(jī)中哈龍滅火劑的使用狀況

為掌握民用飛機(jī)上哈龍滅火劑的替代需求,作者團(tuán)隊(duì)通過(guò)走訪、問(wèn)卷調(diào)研、座談等方式,對(duì)市場(chǎng)上的主要機(jī)型飛機(jī)的哈龍滅火劑的使用和配置情況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)不同航空公司相同機(jī)型飛機(jī)的哈龍滅火劑配置量略有不同,求其平均值可得到不同機(jī)型哈龍滅火劑的平均配置量,如圖1。由圖1可見(jiàn)飛機(jī)體量與其配置的哈龍滅火劑質(zhì)量呈正比,其中波音747寬體客機(jī)的哈龍1301單機(jī)配置量最大,可達(dá)286.96kg;哈龍1301在民用飛機(jī)的使用量占到哈龍配置總量的92%,哈龍1211于2016年已停止在新生產(chǎn)飛機(jī)上使用,使用比例較小,且近幾年也呈現(xiàn)出逐年下降趨勢(shì)。各航空公司哈龍滅火劑的備件量主要與擁有的飛機(jī)數(shù)量相關(guān),單架飛機(jī)哈龍1301平均備件量為2.76kg,哈龍1211平均備件量為0.81kg,哈龍1301的使用量和備件量比值約為11∶1。

圖1 不同機(jī)型機(jī)載哈龍滅火劑的平均配置量Fig.1 The average allocation of airborne halon extinguishing agents for different types of aircrafts

除航空公司外,飛機(jī)維修單位也配備有少量的哈龍滅火劑,具體用量與所服務(wù)飛機(jī)數(shù)量相關(guān),但總體來(lái)看維修單位哈龍1301使用量?jī)H占哈龍1301使用總量的7%。由此可見(jiàn),目前民用飛機(jī)上主要使用的是哈龍1301滅火劑,且由于哈龍1301尚無(wú)可替代產(chǎn)品,而世界范圍內(nèi)客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模逐年擴(kuò)大,未來(lái)哈龍1301需求量還將逐年上升。因此,民航對(duì)于哈龍滅火劑替代產(chǎn)品具有巨大的市場(chǎng)需求,研發(fā)自主可控的高效潔凈哈龍?zhí)娲鷾缁饎┚哂兄卮蟮慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

2 哈龍?zhí)娲鷾缁饎┭芯楷F(xiàn)狀

結(jié)合飛機(jī)火災(zāi)特點(diǎn)及撲救要求,界內(nèi)一致認(rèn)為與哈龍性能相近的環(huán)境友好化學(xué)滅火氣體是最可行的替代選擇[6]?？赡芴娲埖幕瘜W(xué)氣體(通常認(rèn)為是以C、F、Cl、Br、I、H、O、N、P等元素構(gòu)成的與哈龍結(jié)構(gòu)相似的氣體分子)以數(shù)十萬(wàn)計(jì),需要從中篩選出具有較大應(yīng)用潛力的對(duì)象。自20世紀(jì)90年代起,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)和美國(guó)國(guó)防部(Department of Defense,DOD)開(kāi)展了“新一代滅火技術(shù)研究計(jì)劃”[6],并在報(bào)告中提出理想的哈龍?zhí)娲鷾缁饎?yīng)滿足12方面要求,其中包括滅火濃度低、滅火速度快、能有效抑制復(fù)燃、大氣臭氧耗損為零、溫室效應(yīng)低、大氣存留時(shí)間短、滅火劑及其分解和燃燒產(chǎn)物的毒性低、長(zhǎng)期貯存穩(wěn)定性好、對(duì)金屬腐蝕性低或者不腐蝕、與彈性材料及聚合物的兼容性好、不導(dǎo)電或基本不導(dǎo)電、滅火時(shí)產(chǎn)生的殘?jiān)可俚萚7-8]。本文基于前人的研究成果[6-8],從5個(gè)主要方面分析哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑男阅芤笈c研究現(xiàn)狀。

2.1 滅火性能

FAA根據(jù)研究結(jié)果在咨詢通告 AC120-80A[9]中做出說(shuō)明:不受控制的火災(zāi)可以在 20min內(nèi)摧毀一架飛機(jī),充滿煙霧的機(jī)艙會(huì)在 6～10min內(nèi)被大火吞噬。因此,滅火效率是篩選哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑闹匾笜?biāo),包括滅火濃度、滅火速度與抗復(fù)燃能力[10-11]。 對(duì)于滅火劑在民用飛機(jī)上滅火性能的評(píng)估,目前的適航審定方法主要依托哈龍滅火劑制定,其中要求飛機(jī)貨艙滅火系統(tǒng)噴射哈龍1301后整個(gè)貨艙內(nèi)滅火濃度應(yīng)迅速達(dá)到至少5%以熄滅火焰,并維持最小3%體積濃度直至飛機(jī)安全著陸[12];對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)艙,要求哈龍1301在噴射后體積濃度達(dá)到6%,并至少持續(xù)0.5s。NIST[13]測(cè)量并統(tǒng)計(jì)了不同類型的常見(jiàn)氣體滅火劑熄滅正庚烷杯式燃燒器火焰的最低滅火濃度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹵素原子的滅火能力由弱至強(qiáng)依次為 F

作者團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究大量環(huán)境友好化學(xué)滅火氣體的滅火性能。例如,以量子化學(xué)第一性原理為基礎(chǔ),研究可降解含溴烯烴化學(xué)氣體的滅火機(jī)理,建立可降解溴烴的滅火濃度預(yù)測(cè)模型[14];基于原位光譜診斷方法實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,結(jié)合量子化學(xué)從頭算方法數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)三氟甲烷(CF3H)及2-溴-3,3,3-三氟丙烯(CF3CBr=CF2,2-BTP)與火焰相互作用過(guò)程進(jìn)行研究,建立 CF3H 與2-BTP 滅火過(guò)程中 HF 生成量定量預(yù)測(cè)模型[15];通過(guò)Cup-burner方法,結(jié)合 ab initio 計(jì)算方法,研究2,3,3,3-四氟丙烯(CF3CF=CH2,HFO-1234yf)、2-氯-3,3,3-三氟丙烯(CF3CCl=CH2,HCFO-1233xf)、反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯(CF3CH=CHCl,HCFO-1233zd)、1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(CF3CH=CHCF3,HFO-1336mzz(E))、2-BTP等10余種鹵烴滅火劑的滅火濃度及滅火機(jī)理[16-25]。在上述研究的基礎(chǔ)上,提出多種滅火性能的快速預(yù)測(cè)方法。

2.2 環(huán)保性能

國(guó)內(nèi)外關(guān)于哈龍?zhí)娲穼?duì)大氣環(huán)境影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)集中在以下方面[26]:大氣壽命(Atmospheric Lifetime, ALT),反映其在大氣中的留存時(shí)間;臭氧消耗潛能值(Ozone Depletion Potential,ODP),反映其對(duì)平流層臭氧分子的消耗能力;全球變暖潛能值(Global Warming Potential, GWP),反映其溫室效應(yīng)能力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)破壞大氣臭氧層的主要元兇是氯、溴原子,于是研究者們?cè)诜韧闊N物質(zhì)的基礎(chǔ)上尋找不含或含少量氯的氫氟烷烴類物質(zhì)和氫氟氯烷烴類物質(zhì),現(xiàn)已發(fā)展出多種氫氟碳類(HFCs)滅火劑在過(guò)渡期作為哈龍?zhí)娲鷾缁饎┦褂?如五氟乙烷(HFC-125)、七氟丙烷(HFC-227ea)等[7,27-29]。然而,由于HFCs滅火劑GWP值高,根據(jù)《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》,我國(guó)將于2024年開(kāi)始限制使用,在2046年左右將全面停止其使用,且與哈龍滅火劑相比,其滅火濃度高、用量大,無(wú)法滿足飛機(jī)固定滅火裝置的使用要求。

為縮減化學(xué)滅火氣體的大氣壽命,可通過(guò)增加分子中的氫原子數(shù)量,或引入羰基、雙鍵、醚鍵,或?qū)⑻兼湱h(huán)化的方式實(shí)現(xiàn),但這些分子結(jié)構(gòu)變化會(huì)降低滅火效果,或?qū)е路悬c(diǎn)升高。表1中列舉了部分NIST建議有必要進(jìn)行研究的化學(xué)滅火氣體類型。然而,目前已知的含氟烯烴、含氟烷烴、含氟酮類等化學(xué)滅火氣體均無(wú)法滿足民用飛機(jī)哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑囊蟆?/p>

表1 NIST建議有必要進(jìn)行研究的化合物類型Tab.1 The type of compounds recommended by NIST as necessary research

作者團(tuán)隊(duì)利用自主搭建的大氣降解模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(如圖2),開(kāi)展2,2-二氯-1,1,1-三氟乙烷(HCFC-123)、1,1,2,2,3,3,4-七氟環(huán)戊烷(F7A)、HFC-125及2-BTP等多種化學(xué)滅火氣體的環(huán)境降解實(shí)驗(yàn),對(duì)新型滅火劑的環(huán)境友好性進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)降解產(chǎn)物的二次污染進(jìn)行研究,其中2-BTP的大氣降解歷程,如圖3[30-31]。同時(shí),應(yīng)用

圖2 大氣降解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 The platform for the atmospheric degradation experiment

圖3 2-BTP 大氣降解歷程Fig.3 The atmospheric degradation processes of 2-BTP

高精度水平從頭算方法及密度泛函理論,研究HFO-1234yf、HCFO-1233xf、2-BTP、全氟戊酮(C5F10O)、全氟己酮(C6F12O)等多種化學(xué)滅火氣體的降解機(jī)理[32],對(duì)各類化學(xué)滅火氣體的環(huán)境友好性進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果見(jiàn)表2。此外,明確了環(huán)境友好性與分子構(gòu)效關(guān)系,構(gòu)建了預(yù)測(cè)化學(xué)滅火氣體環(huán)境降解動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型。

表2 各類化學(xué)滅火氣體的環(huán)境友好性評(píng)估結(jié)果Tab.2 Assessment results of the environment-friendliness for all kinds of chemical fire extinguishing gases

2.3 腐蝕性能

需要滅火系統(tǒng)保護(hù)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙、貨艙等場(chǎng)所,大量關(guān)鍵的飛機(jī)元器件由金屬制成,比如,作為飛機(jī)“心臟”的發(fā)動(dòng)機(jī)艙,其內(nèi)部燃油管路復(fù)雜,電氣線路密布;在滅火劑噴放過(guò)程中,滅火劑遇發(fā)動(dòng)機(jī)高溫工作表面迅速熱解,產(chǎn)物通常包括大量的酸性氣體[33],極易對(duì)金屬造成腐蝕,一旦導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部件失效將可能造成嚴(yán)重后果。滅火后,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也可能因滅火劑殘留物而腐蝕,故滅火劑及其分解產(chǎn)物的腐蝕性將影響滅火系統(tǒng)平時(shí)的保養(yǎng)和維護(hù)、滅火時(shí)的效能及安全、滅火后現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的破壞及損害等。對(duì)于化學(xué)滅火氣體的腐蝕性,國(guó)外部分研究學(xué)者開(kāi)展了滅火過(guò)程中HF生成量的測(cè)量,但是對(duì)于腐蝕機(jī)理的研究很少。作者團(tuán)隊(duì)在自主搭建的滅火劑腐蝕性研究平臺(tái)上開(kāi)展HFO-1234yf、HCFO-1233xf、2-BTP、三氟碘甲烷(CF3I)、HCFO-1233zd、C6F12O等多種新型滅火劑對(duì)飛機(jī)典型合金腐蝕行為的研究,研究發(fā)現(xiàn)在高溫條件下,化學(xué)滅火氣體的穩(wěn)定性是影響其腐蝕性的重要因素,且鹵素的種類及數(shù)量直接影響到其對(duì)金屬材料的腐蝕行為,其中HFO-1234yf對(duì)于鎂合金(AZ80A)的腐蝕形貌及產(chǎn)物如圖4所示,可以看到在合金表面形成致密的腐蝕層,其主要成分為Mg與HF反應(yīng)生成的MgF2,同時(shí)在腐蝕層內(nèi)包含有滅火劑分解生成的C元素。在以實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)的前提下,結(jié)合基于原子尺度材料模擬的計(jì)算機(jī)程序包(Vienna Ab-initio Simulation Package,VASP)軟件的數(shù)值模擬計(jì)算,作者團(tuán)隊(duì)建立多種化學(xué)滅火氣體在各種金屬表面的吸附—裂解—腐蝕模型,并研究其反應(yīng)機(jī)理。

圖4 經(jīng)HFO-1234yf腐蝕后 AZ80A界面的腐蝕產(chǎn)物形貌及元素分析Fig.4 The morphology and element analysis of the corrosion product in the AZ80A interface after the HFO-1234yf corrosion

滅火劑與彈性密封材料的相容性是指 2 種物質(zhì)在接觸過(guò)程中互不影響彼此性能的能力[34]。滅火劑在儲(chǔ)瓶中的存儲(chǔ)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)5年,在飛行中儲(chǔ)瓶常處于高低溫交替的環(huán)境,在滅火劑存儲(chǔ)過(guò)程中,存儲(chǔ)容器、閥門等器件中的彈性密封材料(包括O形圈、彈性體等)將和化學(xué)氣體及其分解產(chǎn)物接觸,若造成彈性密封材料的老化或失效,將導(dǎo)致滅火劑非正常泄漏,在火災(zāi)發(fā)生時(shí)將不能發(fā)揮應(yīng)有的作用[35]。作者團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)展多種新型滅火劑(HFO-1234yf、1,3,3,3-四氟丙烯(CF3CH=CFH, HFO-1234ze)、HCFO-1233xf、2-BTP、C6F12O、HFO-1336mzz(E)、CF3I)與飛機(jī)固定式滅火系統(tǒng)中6種常用密封橡膠的全浸泡與反復(fù)浸泡實(shí)驗(yàn)[35-36],解釋了橡膠材料在滅火劑中的溶解、溶脹及失效過(guò)程,初步篩選出在靜態(tài)密封及動(dòng)態(tài)密封過(guò)程中較為適宜的材料。此外,研究發(fā)現(xiàn)滅火劑及其所接觸橡膠的極性相似程度是影響彼此相容性的重要條件,極性越相似,橡膠材料的破壞程度越嚴(yán)重;含溴滅火劑可使部分橡膠老化,改變交聯(lián)密度及聚合物鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[37]。3種橡膠材料在2-BTP中浸泡后,橡膠逐漸收縮,滅火劑進(jìn)入橡膠內(nèi)破壞內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致橡膠開(kāi)裂、硬化、變形,如圖5。

注:SI材料:橡膠材料;FKM材料:氟橡膠;FVQM材料:氟硅橡膠圖5 化學(xué)滅火氣體對(duì)彈性密封材料的破壞行為Fig.5 The destructive behavior of chemical fire extinguishing gases to elastic sealing materials

2.4 輸放性能

滅火劑的釋放擴(kuò)散性能包括輸送性能、擴(kuò)散性能及汽化速率,是影響被保護(hù)空間達(dá)到滅火濃度所需時(shí)間的關(guān)鍵因素。在民航飛機(jī)滅火系統(tǒng)中,為加快滅火介質(zhì)的釋放速率和提高其釋放時(shí)的穿透能力,需要在儲(chǔ)罐中填充一定的氮?dú)庖栽黾悠溽尫艍毫38]。由于滅火劑的飽和蒸汽壓、氮?dú)夥謮杭暗獨(dú)庠跍缁饎┮后w中的溶解度受溫度的影響顯著,故儲(chǔ)罐壓力隨環(huán)境溫度變化而劇烈波動(dòng)[39]。在飛行過(guò)程中,民用飛機(jī)外界環(huán)境溫差較大,滅火系統(tǒng)的工作溫度范圍為-55～85℃,既要在高溫下保證釋放安全又要在低溫下保證釋放效率。另外,不同于低沸點(diǎn)氣體,多數(shù)化學(xué)滅火氣體在釋放過(guò)程中是以氣液兩相混合狀態(tài)存在,釋放到保護(hù)空間后迅速汽化,且溶解于滅火劑的氮?dú)庖矊?duì)其汽化過(guò)程及擴(kuò)散過(guò)程有一定影響,滅火劑釋放后的動(dòng)量和汽化速率也對(duì)擴(kuò)散過(guò)程影響顯著,故滅火劑釋放和擴(kuò)散過(guò)程非常復(fù)雜。因此,哈龍?zhí)娲鷾缁饎┰诓煌瑴囟认碌拇鎯?chǔ)壓力變化、滅火過(guò)程中的釋放特性、汽化特性及擴(kuò)散特性,對(duì)確保其滅火能力的最大發(fā)揮和拓寬其應(yīng)用范圍發(fā)揮著重要的作用。

作者團(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)滅火氣體的存儲(chǔ)壓力測(cè)試平臺(tái),研究了氮?dú)庠谄渲械娜芙舛纫约安煌瑴囟认碌臏缁饎┐鎯?chǔ)壓力的變化規(guī)律,并基于熱力學(xué)性質(zhì)的理論計(jì)算結(jié)果,構(gòu)建化學(xué)滅火氣體的存儲(chǔ)性能理論預(yù)測(cè)模型。同時(shí),開(kāi)展了滅火劑管網(wǎng)系統(tǒng)的輸運(yùn)特性實(shí)驗(yàn),研究了滅火劑在發(fā)動(dòng)機(jī)、貨艙典型管路布局中的輸運(yùn)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了化學(xué)滅火氣體噴射擴(kuò)散全過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù),研究了管網(wǎng)內(nèi)滅火劑的流動(dòng)特性、壓降及兩相流轉(zhuǎn)變等,分析了滅火劑噴射后的艙內(nèi)擴(kuò)散及其時(shí)空分布,并基于化學(xué)滅火氣體釋放和擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)合熱力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論,建立了化學(xué)滅火氣體釋放和擴(kuò)散理論模擬方法,以評(píng)估不同化學(xué)滅火氣體在各種條件下的釋放特征、擴(kuò)散特征及滅火特性,確保化學(xué)滅火氣體滅火系統(tǒng)效能的最大發(fā)揮,并且通過(guò)模擬化學(xué)滅火氣體釋放、擴(kuò)散和滅火條件,為優(yōu)化滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),加快化學(xué)滅火氣體應(yīng)用的研發(fā)進(jìn)程[40]。

2.5 安全性能

哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑陌踩园ㄈ梭w毒性、安全余量、兼顧人體和設(shè)備安全的系統(tǒng)安全性3個(gè)要素[41]。在民用飛機(jī)中,滅火劑的毒性與貨艙通風(fēng)、客艙內(nèi)人員生命安全以及滅火系統(tǒng)對(duì)人體健康的影響有關(guān),人體毒性是篩選哈龍?zhí)娲返年P(guān)鍵要素。對(duì)于物質(zhì)毒性評(píng)估方法,最可靠的方式是通過(guò)生物實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)對(duì)其毒性效應(yīng)進(jìn)行全面測(cè)試[42],但該方法完成全部評(píng)估所需測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)且成本極高,因此建立毒性預(yù)測(cè)模型對(duì)于滅火劑的快速篩選具有重要意義。然而,現(xiàn)有研究主要集中于對(duì)部分化學(xué)滅火氣體毒性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)其人體毒性效應(yīng)與毒性機(jī)理的認(rèn)識(shí)有待深入;對(duì)化學(xué)滅火氣體的毒性預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了一些前期探索,但準(zhǔn)確性和可靠性不高[43-44]。

安全余量設(shè)計(jì)需考慮多方面因素,不僅需要考慮滅火劑本身的毒性,同時(shí)還要考慮應(yīng)用場(chǎng)所滅火劑的濃度分布、人員撤離時(shí)間、暴露期間人體內(nèi)的滅火劑累積量、滅火劑熱解產(chǎn)物的毒性等[45]。目前研究仍停留在簡(jiǎn)單的對(duì)比滅火劑滅火濃度與達(dá)到人員急性中毒濃度的層面上,尚缺乏綜合考慮多因素協(xié)同作用的化學(xué)滅火氣體安全余量計(jì)算方法。

系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)除考慮對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員的毒性外,還需考慮保護(hù)場(chǎng)所和設(shè)備的安全性,包括滅火氣體及高壓驅(qū)動(dòng)氣體在存儲(chǔ)時(shí)的安全性、滅火劑的快速釋放及其熱解生成的腐蝕性氣體對(duì)被保護(hù)場(chǎng)所結(jié)構(gòu)或設(shè)備的破壞作用等。對(duì)于化學(xué)滅火氣體的系統(tǒng)安全性,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)使用安全性提出一系列要求,如美國(guó)消防協(xié)會(huì)的NFPA 2001—2018《潔凈氣體滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 14520-1—2015《氣體滅火系統(tǒng)—物理特性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及多部民航飛機(jī)適航規(guī)章等[46-48]。至今為止,系統(tǒng)安全性的研究多以工程經(jīng)驗(yàn)估算為主,缺乏可靠的且同時(shí)兼顧滅火效率、人體安全和設(shè)備安全的滅火劑系統(tǒng)安全性評(píng)估方法。

我國(guó)目前在化學(xué)滅火氣體安全性方面開(kāi)展的研究很少,作者團(tuán)隊(duì)在前期對(duì)化學(xué)滅火氣體熱解機(jī)理、擴(kuò)散性能、腐蝕性能等研究的基礎(chǔ)上,搭建化學(xué)滅火劑生物毒理實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)大鼠體內(nèi)毒性實(shí)驗(yàn)、細(xì)胞毒理實(shí)驗(yàn)以及滅火劑與細(xì)胞特征分子作用機(jī)制的計(jì)算,正在研究滅火劑分子結(jié)構(gòu)特性和物化特性與致毒機(jī)理之間的關(guān)系,以期建立化學(xué)滅火氣體毒性的定量構(gòu)效關(guān)系(Quantitative Structure Activity Relationship, QSARs)模型;通過(guò)綜合考慮化學(xué)氣體滅火設(shè)計(jì)濃度、滅火劑現(xiàn)場(chǎng)濃度分布、滅火劑急性毒性效應(yīng)、滅火劑及其分解產(chǎn)物協(xié)同毒性效應(yīng)、毒性隨時(shí)間的累積效應(yīng)等,建立化學(xué)滅火氣體人體安全余量綜合評(píng)估方法;通過(guò)已搭建的化學(xué)滅火氣體釋放過(guò)程空間壓力分布測(cè)量平臺(tái)開(kāi)展滅火劑噴放實(shí)驗(yàn),結(jié)合高斯程序軟件包對(duì)滅火劑熱力學(xué)性質(zhì)和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件對(duì)空間滅火劑流場(chǎng)分布的計(jì)算,分析化學(xué)滅火氣體釋放時(shí)的火場(chǎng)壓力變化和滅火過(guò)程中對(duì)設(shè)備的腐蝕性破壞,建立化學(xué)滅火氣體的系統(tǒng)安全性評(píng)價(jià)模型,指導(dǎo)化學(xué)氣體滅火系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 未來(lái)展望

迄今為止,世界范圍內(nèi)對(duì)于哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑膶ふ遗c研發(fā)已進(jìn)行30余年。然而已知的含氟烯烴、含氟烷烴、含氟酮類等化學(xué)滅火氣體均無(wú)法滿足民用飛機(jī)固定滅火系統(tǒng)對(duì)哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑囊?如全氟烷烴類和氫氟烷烴類化學(xué)滅火氣體滅火能力低于哈龍且具有較強(qiáng)的溫室效應(yīng);可降解化學(xué)滅火氣體,如全氟己酮、2-BTP等,由于環(huán)境破壞作用較小且滅火高效,被世界各國(guó)科學(xué)家認(rèn)為是比較有發(fā)展?jié)摿Φ墓執(zhí)娲夹g(shù),然而,該類化學(xué)滅火氣體沸點(diǎn)較高,氣化速度慢,且環(huán)境的破壞問(wèn)題仍然存在,故屬于過(guò)渡產(chǎn)品且應(yīng)用范圍也受到一定限制。此外,潛在的各種類型化學(xué)滅火氣體在追求部分性能指標(biāo)時(shí)導(dǎo)致其他性能無(wú)法達(dá)到要求。例如,為縮減化學(xué)滅火氣體的大氣壽命值,可增加分子中的氫原子數(shù)量,或引入羰基、雙鍵、醚鍵,或?qū)⑻兼湱h(huán)化,但這些分子結(jié)構(gòu)變化會(huì)降低滅火效果,或?qū)е路悬c(diǎn)升高;若是增加溴、碘原子的數(shù)量,則可提高化學(xué)滅火氣體的滅火性能,但可能導(dǎo)致毒性升高、沸點(diǎn)升高;若是增加-CF3 基團(tuán)的數(shù)量,分子本身的穩(wěn)定性可能下降,極易分解,在合成工藝上也難以實(shí)現(xiàn);將碳骨架替換為硫骨架或氮骨架,這樣能夠更容易地釋放出滅火基團(tuán),但可能會(huì)產(chǎn)生污染氣體或增加毒性。因此,如何平衡各項(xiàng)性能要求,尋找綜合性能優(yōu)異、相對(duì)經(jīng)濟(jì)的化學(xué)滅火氣體是必須考慮的問(wèn)題。綜上,急需開(kāi)發(fā)并構(gòu)建科學(xué)合理的潔凈高效氣體滅火劑性能指標(biāo)體系,分析滅火、環(huán)保、擴(kuò)散、腐蝕、毒性等特性的影響因素和內(nèi)在機(jī)理,研究理想化學(xué)滅火氣體的分子設(shè)計(jì)技術(shù),并建立各項(xiàng)指標(biāo)的快速評(píng)測(cè)方法,建立基于分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)滅火氣體性能預(yù)測(cè)方法,以完善我國(guó)哈龍?zhí)娲鷾缁鸺夹g(shù)開(kāi)發(fā)體系,提升潔凈化學(xué)滅火氣體的優(yōu)選水平和能力,最終研發(fā)出各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求的新型化學(xué)滅火氣體。

對(duì)于民用飛機(jī)目前面臨的極為迫切的哈龍 1301替代需求,未來(lái)需要進(jìn)一步深入研究民用飛機(jī)火災(zāi)特性,掌握飛機(jī)不同部位的火災(zāi)蔓延機(jī)理和動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律,確定不同可燃物和起火原因?qū)е碌幕馂?zāi)對(duì)飛機(jī)安全運(yùn)行可能造成的影響,明晰飛機(jī)不同部位對(duì)滅火劑的性能要求。基于這些性能要求,以及建立相應(yīng)的滅火劑性能預(yù)測(cè)模型和快速評(píng)測(cè)方法,有針對(duì)性的研發(fā)具有在民用飛機(jī)上有應(yīng)用潛力的哈龍?zhí)娲?。此?針對(duì)單一滅火劑的缺陷,可以研發(fā)高適配性的滅火助劑,提升氣體滅火劑的滅火性能;研發(fā)高效性的熱分解抑制劑,降低氣體滅火劑毒害熱分解產(chǎn)物的種類及生成量,提升氣體滅火劑的安全性與腐蝕性等。除滅火劑外,對(duì)于與新型滅火劑相匹配的機(jī)載固定滅火裝備也是我國(guó)未來(lái)需要大力研究的領(lǐng)域,發(fā)展相應(yīng)氣體滅火系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)計(jì)算模型,根據(jù)適配性能確定儲(chǔ)瓶、管網(wǎng)、噴嘴等關(guān)鍵部件性能與設(shè)計(jì)要求,以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)民用飛機(jī)滅火裝備自主可控;同時(shí),針對(duì)目前民用飛機(jī)上廣泛應(yīng)用的哈龍 1301滅火裝置,研究新型滅火劑與飛機(jī)現(xiàn)有滅火系統(tǒng)的適配性也是非常重要的研究課題,以盡量節(jié)約現(xiàn)有民航飛機(jī)滅火劑更換的成本。此外,還應(yīng)同步研究新型滅火劑在民用飛機(jī)上應(yīng)用的相關(guān)適航審定技術(shù),研發(fā)功能完備的新型機(jī)載滅火裝備性能評(píng)測(cè)平臺(tái),建立符合我國(guó)工業(yè)體系特點(diǎn)的新型機(jī)載滅火裝備適用性審定方法,制定相應(yīng)適航標(biāo)準(zhǔn),以打破西方國(guó)家的圍追堵截和技術(shù)壟斷,促進(jìn)新型國(guó)產(chǎn)滅火劑和滅火裝備的研發(fā)及應(yīng)用,滿足國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“民航強(qiáng)國(guó)”和“制造強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略目標(biāo)添磚加瓦。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)民用飛機(jī)滅火系統(tǒng)中哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑难邪l(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析,總結(jié)如下:

(1)由于民用航空領(lǐng)域的特殊性,哈龍滅火劑仍在民用飛機(jī)上使用,但因其對(duì)大氣臭氧層的破壞,國(guó)際民航組織已頒布禁用時(shí)間表,尋找合適的機(jī)載固定滅火系統(tǒng)哈龍?zhí)娲鷾缁饎┢仍诿冀?我國(guó)因大飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展面臨的局勢(shì)更為緊迫。

(2)通過(guò)對(duì)不同機(jī)型哈龍滅火劑的使用和需求進(jìn)行抽樣調(diào)查,世界范圍內(nèi)民航飛機(jī)對(duì)于哈龍滅火劑替代產(chǎn)品具有巨大的市場(chǎng)需求,研發(fā)自主可控的高效潔凈哈龍?zhí)娲鷾缁饎┚哂兄卮蟮慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

(3)理想的哈龍?zhí)娲鷾缁饎┬铦M足滅火性能、環(huán)保性能、安全性能、輸放性能、腐蝕性能5個(gè)方面(12項(xiàng)指標(biāo))的要求,而民用飛機(jī)因其火災(zāi)特點(diǎn)及應(yīng)用環(huán)境與傳統(tǒng)的建筑和工業(yè)場(chǎng)所有很大不同,對(duì)哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑男阅芤蟾鼮榭量?亟需建立飛機(jī)不同部位哈龍?zhí)娲鷾缁饎┬柽_(dá)到的完善性能指標(biāo)體系,建立精準(zhǔn)的性能預(yù)測(cè)模型和快速評(píng)測(cè)方法,加快哈龍?zhí)娲鷾缁饎?、相?yīng)滅火設(shè)備及對(duì)應(yīng)適航審定方法的研發(fā),滿足民航強(qiáng)國(guó)建設(shè)需要。