民用客机火警探测缺陷与应用限制

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

民用客机火警探测缺陷与应用限制

胡 焱

(中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

大部分火灾都会产生相应的烟雾、温度、有毒气体，针对民航飞机经常出现的假火警，介绍了民用客机三种常见的火警探测系统，分析了当前火警探测系统存在的缺陷与应用限制。最后，就民用客机火警探测技术在应用中的不足提出改进方案，对该技术的发展有着一定的指导意义。

火警探测器；民用飞机；假火警；应用限制

0 引言

随着民航技术的飞速发展，民用飞机已成为主要的交通与运输工具。目前，火灾是威胁飞机安全飞行的一大因素，飞机一旦发生火灾轻则返航或迫降重则机毁人亡。因此需要在火灾发生初期给出快速、准确的报警，然而现民用客机火警探测系统普遍存在火灾响应慢。美国联邦航空条例25.858规定：要求火灾探测系统在火灾发生1分钟内给机组发出警告[1]。

误警率高是当前火灾探测系统急需解决的另一大问题。据美国FAA技术中心统计1995～1999年间，平均200起火警报告中只有1起是真火警[2]。一旦飞机发出火灾报警机组人员必须严格按照真火警迅速采取相应措施。过多的假火警无疑给飞机带来巨大的威胁，给航空公司带来巨大的经济损失，所以本文介绍了当前民用客机上使用较多的感烟型、感温型和气敏型火灾探测器，着重分析了其存在的缺陷与应用限制，对其发展具有重大的意义。

1 感烟型火警探测器

现民航客机中使用的感烟型火警探测器主要有两种[3]：光电式感烟探测器和离子式感烟探测器，前者是利用光电效应，而后者则是利用放射性元素对空气分子的电离。

感烟型火警探测器主要用于飞机客舱、厕所、电子设备舱等。如图1为空客A320上探测器安装位置[4]，飞机客舱与厕所中的烟雾探测器通常安装于顶板之上，采集客舱与厕所内空气进行火警探测。电子设备舱烟雾探测主要安装于通风系统排气管道中，进行气体采样以完成烟雾探测。这种采用主动采集空气方式提高了火警探测的效率。

图1 烟雾探测器在客机中的应用

1.1 光电式烟雾探测器部件实际设计

光电式烟雾探测器以烟雾探测室为核心，如图2所示[5]，探测器内部主要由光电管、信号灯、测试灯等组成，光电管与信号灯光束之间存在90°的夹角。正常情况下信号灯发射的水平光线无法照射在光电管上，当发生火灾时烟雾粒子进入烟雾室，光线照射在粒子上发生散射，使光电管受到光照产生电流。烟雾浓度越大，进入探测器内的烟雾粒子就越多，从而产生的电流就越大，当电流超过设定的阈值时探测器发出报警信号。同时在探测器中设置了测试灯，能够产生光信号直接照射到光电管中，产生光电效应，实现该探测的自检。

图2 光电型烟雾探测器

1.2 离子式烟雾探测器部件实际设计

离子型烟雾探测器主要应用于早期的客机中[6]。如图3所示，离子型烟雾探测器利用了放射性材料镅-241放射源使得电离室空气电离[7]，形成离子束射击到靶上形成电流。当发生火灾时，烟雾粒子进入电离室后，正负离子依附到烟雾粒子上，从而减少了移向正负板极的离子数量，导致电流减小。空气中的烟雾粒子浓度越大，其离子式烟雾探测器输出电流就越小，当其输出电流大小低于探测阈值时发出报警。

图3 离子型烟雾探测原理图

1.3 感烟型火警探测器应用限制

现代民用飞机感烟型火警探测器普遍存在着火灾响应慢、误报率高，这在一定程度上限制了它的发展。基于对感烟型火警探测器所处环境以及自身设计的分析，得出以下可能导致这一缺陷的原因：

(1)货舱中的灰尘、绒毛、小水滴等与烟雾颗粒大小相仿[8]，飞机在起飞、降落或空中发生颠簸时这些杂质容易被吸到探测器中，从而产生假火警。

(2)空气中烟雾粒子通常为0.01um～10um，这将导致只有一部分烟雾粒子能够对光产生反射和散射，降低烟雾探测的灵敏度。

(3)光电式感烟探测器是利用光电效应产生电流[9]，经放大器放大后分析，这造成了其易受电子噪声的影响，尤其是电子舱中的烟雾探测器。

(4)燃烧中产生的黑色烟雾具有吸收光线的能力[10]，对于照射在其上的光辐射以吸收为主，散射光很弱，从而使探测灵敏性较差。

(5)离子式感烟探测器采用的是放射性元素，这在一定程度上势必会导致在生产、使用以及报废过程中对环境和人造成伤害。

2 感温型火警探测器

发动机舱和APU舱着火通常是由于燃油或滑油系统部件和管路的渗漏造成的[11]，此类火灾早期时间段很短，火灾表象也很复杂，所以对于发动机舱和APU舱的火警探测通常采用的是感温型火警探测。如图4所示，其实现了对发动机扇区、发动机核心区、吊舱以及APU舱的温度实时监控[12]。现常使用的感温型火警探测器有两种：热敏电阻式和气压式。

图4 感温型线式火警探测器分布图

2.1 热敏电阻式感温探测器部件实际设计

热敏电阻式感温探测器，其感温部分是以合金管为外壳，在合金管中有两条陶瓷内芯，其中一根与合金管相连，另一根与继电器地端相连。在导线和合金管中充满了大量共晶盐，如图5所示。常温情况下，共晶盐为晶体状。当合金管外部温度达到设定温度时，共晶盐将迅速熔化，使1，2号金属导线间的电阻值减小，从而导致1号金属导线上的电流增大[13]。当电流达到报警阈值时，1号金属导线所连接的继电器由于电流磁效应而接通，输出火警或过热信号。

图5 热敏电阻式感温探测器原理图

2.2 气压式感温探测器部件实际设计

气压式感温探测器的感温部分采用的是气压感应管，实现了将温度感应转化为气压量。该气压感应管处于密封状态的不锈钢细管内，管内充满了氦气和具有释放和吸收氢气材料制作的内芯金属丝。细管中的氦气通过气体受热膨胀来进行平均过热探测，而内芯金属丝的释放氢气主要用于局部着火型探测。如下图6所示[14]，在正常温度下，气体室中的压力，不足以使报警电门的活动触点和固定触点闭合，报警电门断开，信号线和电源之间通过一电阻连通。当外界探测温度升高到一定值时，气体室内密闭气体的压力增加，推动报警电门的活动触点也向左弯曲和固定触点接通电流，将使得电源和信号线直接接通输出火警信号。

图6 气压式感温探测器工作原理图

2.3 感温型火警探测器应用限制

环境适应性、误警率、反应时间、可靠性等是决定感温型火警探测器能否被广泛应用的关键。通过对探测器自身材料、设计以及所处环境的分析，发现主要存在以下限制因素：

(1)温度在传播过程中速度慢、灵敏度低从而导致感温火警探测器对火灾响应慢，无法满足火灾早期报警。

(2)探测器的合金管上容易附着尘埃和油脂降低探测灵敏度，需要定期进行检查和清理，这给探测器的日常维护与保养带来不便。

(3)热敏电阻式感温探测器使用的晶体盐泄漏不易检查，需要定期进行检测。

(4)火灾初期往往是阴燃火，烟气温度无法在短时间内达到探测器的响应阈值，容易导致报警不及时。

(5)发动机等舱内温度高，因此要求探测器采用耐高温材料，提高了应用成本，就气压式探测器而言温度过高还会导致气压感应管压力过大易产生微小泄漏，降低灵敏性。

(6)电阻式感温探测器使用原理是将温度信号转换成电信号，这在一定程度上决定了其易受到电子噪声的影响。

(7)探测过程是以阈值方式进行报警，此逻辑分析过于简单，很难满足复杂多变的舱内环境。

3 气敏型火警探测器

火灾初期往往会伴随着大量的气体产生，其中最典型的就是CO。正常情况下CO气体在空气中含量极低，一旦发生火灾空气中CO浓度发生急剧变化，使用CO气体探测器能够有效的探测出浓度变化情况，从而判别出是否发生火灾。目前CO气体探测器主要用于客舱和驾驶舱。

3.1 气敏型火警探测器部件实际设计

民用客机上气敏型火警探测器主要采用金属氧化物传感器[15]，如图7所示。该结构主要包括氧化铝基板、加热器、敏感材料层等，敏感材料通常采用SnO2。探测器工作时，多晶结构的SnO2膜在高温条件下晶格表面氧被吸收产生负电荷，进而晶格表面的电子进入氧分子中，使其形成正电荷，从而产生电势垒。当CO气体进入探测器中氧离子数量减少，电势垒降低，阻抗减小，通过测量探测器的阻抗来探测CO气体浓度，当所测浓度高于所设定的阈值时发出火警信号。

图7 CO探测器外形与整体结构

3.2CO火警探测器应用限制

CO火警探测器相对感烟型、感温型火警探测器灵敏度高、响应快、使用寿命长，但同时也存在着以下的不足：

(1)CO火警探测器工作温度高、功耗大，使用过程需要加热，从而给使用带来不便增加成本；

(2)通常探测器安装区域分布大量电线，一旦导线老化容易造成火灾；

(3)容易受潮失效，且易受可燃性气体腐蚀长时间使用会降低探测器的灵敏度，需要定期检查，给设备的维修与保养带来不便；

(4)选择性差，易受H2、NO、挥发性有机物等干扰。

4 改进方法

目前民用飞机火警探测器在使用过程中由于受到自身材料、设计、以及所处环境的影响，严重威胁到正常的飞行安全。提高火警探测器的响应速度、降低误警率是当前急需解决的重大问题。结合火灾探测器的发展趋势笔者提出以下改进方案：

(1)设计复合火警探测器[16]，改变以往通过单一火警判决条件为通过判断两个及两个以上的条件来决定是否发出火警信号。

(2)以往在处理火灾信号时使用的是简单的“与”、“或”逻辑，其无法满足复杂多变的环境要求，可考虑使用更加“智能”的算法如：模糊神经网络[17]等。

(3)根据探测器使用区域的不同在设计时使用特定性能的材料，例如：在发动机舱等温度较高的区域使用耐高温材料，在电子设备舱使用防电子噪声的材料。

(4)为特定的货舱(尤其是装有服装、水果、蔬菜、家禽等)提供相应的空调和控制气体的环境，可有效的降低火警探测器的误报率。

5 结语

以上介绍了现民用客机中常用的感烟型、感温型以及气敏型火警探测器，对其在客机中的实际设计和工作原理做了介绍。并结合探测器自身性能与所处环境，分析了在使用过程中的应用限制，指出了探测器的不足，并就民用客机火警探测器在应用中存在的不足提出改进方案，为火警探测器的发展提供参考。

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[责任编辑、校对：张朋毅]

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，从事航空电子设备研究。

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1008-9233(2015)03-0020-04