大型民用飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统研究

贺元骅 应炳松 陈现涛 孙 强 / HE Yuanhua YING Bingsong CHEN Xiantao SUN Qiang

(中国民用航空飞行学院,广汉 618307)

大型民用飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统研究

贺元骅 应炳松 陈现涛 孙 强 / HE Yuanhua YING Bingsong CHEN Xiantao SUN Qiang

(中国民用航空飞行学院,广汉 618307)

基于美国联邦航空局休斯研究中心环保型飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火的研究，阐释了飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统最低性能标准，总结了氮气、气溶胶、细水雾等三种机载灭火系统最新研究成果，剖析了大型民用飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统的最新发展趋势，分析了三种哈龙替代品抑制及灭火系统用于飞机货舱的可行性，旨在为我国大型民用飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统研究提供工程技术参考。

大型民用飞机；货舱；哈龙替代品抑制及灭火系统；最低性能标准

0 前言

由于哈龙灭火剂严重破坏大气臭氧，1989年联合国环境规划署通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》及其修正案，限制及禁止哈龙灭火剂的生产和使用。由此，世界民机研究科研院所开启了寻找环保、经济的哈龙替代灭火剂的征程。1993年，美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,简称FAA)携航空强国相关研究机构建立国际哈龙替代工作组(International Halon Replacement Working Group,IHRWG)，2000年更名为国际航空器火灾防护系统工作组(International Aircraft System Fire Protection Working Group, 简称IASFPWG)。该工作组旨在研发四大类机载火灾防护系统，参与成员有航空强国民航行政管理部门、国家科研部门、飞机制造商、航空公司、工业协会、灭火装备制造商及供应商[1]。自1993年始，国际航空器火灾防护系统工作组大力推进机载哈龙替代品灭火系统研制工程，在每年5月和11月举行两次国际会议，总结研究进展和确定未来研究工作。本世纪初以来，该组织先后研制出四部机载哈龙替代品抑制及灭火系统最低性能标准(Minimum Performance Standard, 简称MPS)和测试方法，以指引货舱、发动机短舱、客舱和盥洗室哈龙替代品灭火系统研发方向。在未来民机市场需求以及国际机载哈龙替代品抑制及灭火系统研发趋势下，该研究有益于提升民航绿色环保水平。

1 飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统最低性能标准

2003年，美国联邦航空局与国际航空器火灾防护系统工作组制定飞机货舱哈龙替代灭火系统最低性能标准(Minimum Performance Standard for Aircraft Cargo Compartment Halon Replacement Fire Suppression Systems，以下简称“货舱MPS”)，货舱MPS是飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统必须满足的技术标准，此标准为气体和非气体灭火系统规定了4类全尺寸火灾测试标准，以鉴定3种新型灭火系统是否满足飞机货舱火灾防护要求及碳氢化合物爆炸灭火浓度抑制要求。2005年和2012年美国联邦航空局又两次修正气溶胶罐爆炸模拟装置参数、可行标准和气溶胶罐爆炸测试程序。2012版的货舱MPS明确要求测试应在56.6±2.8m3的模拟货舱里进行，每种火灾环境至少重复5次，应将收集的新型灭火系统的数据与标准进行对比分析，以判断新型灭火系统是否满足货舱MPS测试标准。

货舱MPS规定了四种火灾测试环境包括散装货物火灾、集装货物火灾、表面火火灾和气溶胶罐爆炸火灾。(1)散装货物火灾环境应将切碎的纸松散地放在硬纸箱内模拟易燃火灾载荷，纸箱尺寸为45.7cm×45.7cm×45.7cm，碎纸总重量为1.1kg。测试模拟舱内分两层总共放置178个纸箱，占模拟货舱体积30%。实验测试共开展5次，取5次最高温度其算数平均不得超过377℃，且5次平均时间-温度曲线面积不得超过4 974℃-min，该平均时间-温度曲线面积是系统喷放30min，并取启动2min后的28min时间-温度曲线段面积；(2)集装货物火灾环境使用与散装货物火灾环境中相同的纸箱模拟易燃火灾载荷，纸箱放在一个1.95m×1.52m×1.63m的LD-3集装箱内，另外放置两个空的LD-3集装箱。取5次最高温度其算数平均不得超过343℃，且5次平均时间-温度曲线面积不得超过7 569℃-min，该平均时间-温度曲线面积是系统喷放30min，并取启动2min后的28min时间-温度曲线段面积；(3)表面火火灾环境应使用1.89L的jet-A燃油，放在61cm×61cm×10.2cm的油盘中，油盘底层为9.5L的水，用385ml汽油引燃，取5次最高温度其算数平均不得超过293℃，且5次平均时间-温度曲线面积不得超过608℃-min，该平均时间-温度曲线面积是系统喷放5min，并取启动2min后的3min时间-温度曲线段面积；(4)气溶胶罐爆炸火灾环境使用气溶胶罐模拟装置，模拟装置使用丙烷、酒精和水等可燃爆混合物以模拟气溶胶，测试中，如舱内无过压、燃爆等爆炸现象，则表示灭火系统通过气溶胶罐爆炸火灾测试，当灭火剂浓度低于惰化浓度时，爆炸强度和最高压力不能高于舱内无灭火剂时爆炸的强度和压力值[2]。

2 民用飞机货舱新型灭火系统

美国联邦航空局休斯研究中心开展了大量N2、气溶胶、细水雾等哈龙替代品灭火系统的研究和测试。

2.1 N2灭火系统

氮气灭火系统的原材料氮气取自大气层，既可从空气中随时获取，也可在灭火后直接排入大气。喷放之后无残余，对生态无害，因而系统具有明显稳定性。N2灭火系统中使用的氮气具有化学惰性。在灭火过程中，随着氮气淹没火焰区，火焰区的氧气浓度大幅度下降从而扑灭火焰。由于N2和空气的重量相近，喷放气体进行淹没式灭火时，可以与周围的空气很好地进行混合。在喷放后的较长时间可以保证火区的温度稳定，维持火区的温度变化率极低[3-4]。

2011年，美国休斯研究中心在货舱抑制及灭火试验中测试了不同速率、不同含氧量及含水量下的氮气灭火效果，测试矩阵见表1。

表1 氮气测试表

实验数据表明，温度和氧浓度的变化曲线是相似的。在氮气速率为424.8L/min，氧含量为6.1%时，灭火效果最差；在氮气灭火剂中加入水可以增强灭火系统的灭火性能。图1和图2所示为在氮气速率为424.8L/min、O2浓度分别为3.9%、6.1%和6.3%，水含量为3.86L灭火实验测试中的天花板温度和舱内氧浓度变化。图3和图4所示为在氮气速率为509.7L/min、O2浓度分别为5.5%、7.7%和7.7%，水含量为3.86L灭火实验测试中的天花板温度和舱内氧浓度变化。图5和图6为在氮气速率为566.3L/min、O2浓度分别为6.7%、8.8%和8.7%，水含量为3.86L灭火实验测试中的天花板温度和舱内氧浓度变化。实验表明加入水可以增强N2灭火系统的灭火效能[5]。

图1 424.8L/min氮气测试温度

图2 424.8L/min氮气测试氧浓度

图3 509.7L/min氮气测试温度

图4 509.7L/min氮气测试氧浓度

图5 566.3L/min氮气测试温度

图6 566.3L/min氮气测试氧浓度

2.2 气溶胶灭火系统

气溶胶灭火系统是近几十年来发展迅速的一种哈龙替代灭火剂，本身无灭火作用，启动之后所释放的产物即经过燃烧反应之后释放钾、锶氧化物固体颗粒和N2、CO2、水蒸气等物质的物理降温和化学反应抑制作用具有灭火作用。由于气溶胶微粒是微米级，使得气溶胶可以在空间内长时间悬浮，并且能够绕开障碍物。这种特性使其成为哈龙全淹没式灭火系统的热门候选替代品之一[6]。20世纪90年代中期北京理工大学研制开发出了EBM热气溶胶灭火剂[4]。EBM 灭火剂在点火燃烧时形成的气溶胶能迅速向四周扩散，该气溶胶微粒对燃烧过程有强烈的抑制作用，可以迅速终止燃烧反应。这些微粒的粒径小于1μm，成为具有灭火作用的活性质点，有很大的表面积，对燃烧过程的链式反应具有很强的负催化作用，能很快降低燃烧的反应速率[7]。当气溶胶喷口处的温度大于600℃，固体生成物占到90%以上时，灭火效率高；当喷口处温度在200℃～400℃时，灭火效率略有下降；当喷口温度低于100℃，固体生成物比例明显下降，灭火效率低[8]。

国外对气溶胶灭火剂的使用和气溶胶灭火剂在飞机上使用的研究相对国内要成熟。在2012年5月美国休斯研究中心已经在E类货舱抑制及灭火研究中在13.3m3镀锌测试箱内做气溶胶灭火实验。实验表明气溶胶的初始灭火很有效，并且在灭火之后的4h内，能维持箱内的温度在94℃以下。又在10月的试验中规定了测试程序：点火箱放在测试箱的左前角(模拟最坏的火灾环境)；当顶棚温度达到94℃时，启动气溶胶灭火剂；持续检测顶棚温度和箱内氧浓度4个小时。并且在镀锌测试箱和一种复合材料箱中做对比试验。实验结果显示气溶胶灭火系统工作之后，能在1min之内使顶棚温度从540℃降低到121℃，并且顶棚温度维持在121℃以下4h。氧浓度的数据表明，在气溶胶灭火系统工作之后，氧浓度在1min之内降低到9%以下。在镀锌测试箱中，4h之后，氧浓度才缓慢回升到14.5%；在复合材料箱中，氧浓度在4h之后，氧浓度才接近10%。在进一步的探索研究中，镀锌测试箱和复合材料箱在气溶胶灭火之后一直保持惰性环境，在实验结束后，出现复燃的次数大大降低[9-10]。

2.3 细水雾灭火系统

细水雾灭火技术在消防方面的应用始于1940年，在哈龙灭火剂的应用被联合国限制和禁止生产之后，细水雾由于其清洁、高效、稳定、对环境友好等优点成为最有前途的哈龙替代物，也是唯一完全符合FAA货舱MPS的哈龙替代灭火剂，并且在全球范围内得到广泛关注和研究[1]。细水雾灭火系统能否完全替代哈龙灭火系统的难点在于对障碍物遮挡的火焰的扑灭效果。美国NIST 等研究机构进行了细水雾扑灭计算机箱深位火焰的实验研究，发现在细水雾工作压力低于1MPa 的情况下，很难扑灭机箱内部的深位火灾。在进行有遮挡的细水雾灭火实验中，以0.85m×0.75m×0.75m的铁皮桌子作为遮挡物，使用直径为0.16m的圆形油盘，深度0.01m，细水雾喷头距离地面为4.5m。实验发现对于有障碍物火焰，在完全遮挡的情况下，普通细水雾很难快速有效扑灭火焰；在火焰被局部遮挡的情况下，会有较多的细水雾进入到火焰区域，增大细水雾工作压力可以缩短灭火时间，降低细水雾喷头的高度也会缩短细水雾灭火所需的时间[11]。

2002年美国主导的机载细水雾灭火系统通过初步测试，并针对货舱细水雾抑制及灭火系统制定了评估报告。目前空客公司等主导的机载细水雾灭火系统已全部通过MPS测试[12]。2010年，FAA休斯研究中心构建了13.3m3的测试箱对1.83mm、1.1mm孔径细水雾喷头进行测试，测试结果可以初步得出细水雾的降温效果很好[13]。2012年，休斯研究中心用DC-10喷气式客机货舱模拟真实的货舱实验环境[9]。2013年，FAA休斯研究中心测定舱内空气置换率，规定在区域细水雾系统试验中，当天花板温度达到200℉(93.3℃)时，启动细水雾灭火系统。用水量的多少判定灭火的有效性[14]。2014年，FAA休斯研究中心测试AOA细水雾灭火系统在E类舱中灭全/半载荷A类火和油盘火的性能[15]。实验设置如图7、8、9。数据表明细水雾系统能扑灭E类货舱环境的火灾。图10所示为2014年8月的细水雾灭油盘火试验中舱内天花板温度变化趋势。图11所示为舱内氧浓度的变化趋势。2015年，休斯研究中心测试无添加剂和含盐细水雾系统灭全/半载荷A类火和B类火的灭火性能。细水雾灭A类火的测试标准：烟雾探测器启动细水雾系统，细水雾系统喷射10min，天花板温度维持在94℃，有无添加剂作对比试验。具体数据如图12和图13所示。可以看出天花板温度基本维持在25℃以下。实验表明加入盐可以增加AOA细水雾灭火系统的灭火性能[16-17]。B类火的测试标准为：烟雾探测器启动细水雾系统，细水雾系统喷射5min，5cm×5cm油盘，使用jet-8航空煤油，油盘垫水，使用庚烷引燃[8]。实验设置如图9所示。具体数据如图14和图15。从数据可以看出AOA细水雾灭火系统完全能够扑灭油盘火灾。而且加盐可以增加细水雾系统的灭火性能。

图7 AOA细水雾灭火系统

图8 A灭火测试平台

图9 B灭火测试平台

图10 2014年细水雾灭油盘火温度

图11 2014年细水雾灭油盘火氧浓度

图12 2015年细水雾灭半荷载A类火温度

图13 2015年含盐细水雾灭半荷载A类火温度

图14 2015年细水雾灭油盘火温度

图15 2015年细水雾灭油盘火温度

3 结论

综上所述，美国联邦航空局制定的飞机货舱哈龙替代品抑制及灭火系统最低性能标准对民机新型灭火系统研发具有一定的参考价值，欧美国家研发的环保型双流体灭火系统已通过了该标准规定的测试。美国休斯研究中心完成的实验表明，拟定的氮气、气溶胶、细水雾三种哈龙替代品灭火系统灭火效果优良。随着大型机载制氮系统性能的改进，氮气灭火系统可更好地与机载制氮系统兼容，从而较好地解决飞机空重增大问题，因此具有良好的发展前景；气溶胶灭火系统灭火效能优良，使用后能持续维持舱内低于94℃。但是，其本身含能材料会产生高达600℃的高温且严重降低能见度，因而需要对气溶胶的低温生成、增强可见度进行优化；现在低压细水雾系统利用机载供水、供氮系统，因而可避免增加飞机空重，该系统具有极优的灭火效果且无任何环保问题，是最具潜力的哈龙替代品。但是，其强化抑灭火效果的添加剂会腐蚀飞机结构，因此需要进一步寻找无损害飞机机载系统的细水雾添加剂。此外，美国联邦航空局的标准以及依据此标准开展的研究测试，都是在平原地区常压工况条件下开展的，至于低压、变压环境下的测试则有待进一步展开，故不能完全通过灭火系统在民机飞行中验证灭火效能的测试。因此，未来机载货舱哈龙替代品研究工作，需开展在高海拔条件及机舱变压条件下替代品灭火系统灭火效能的测试和研究。

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Research on the Replacements of Halon Fire Suppression and Extinguishing System in Large Scale Civil Aircraft Cargo Compartment

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

The Federal Aviation Administration William J. Hughes Technical Center has researched the environment friendly fire suppression system in aircraft cargo compartment for decades. This paper is based on the research and unscrambles the minimum performance standard for aircraft cargo compartment halon replacement fire suppression and extinguishing systems,which is developed by international aircraft system fire protection working group. This paper also summaries the latest research results of three fire extinguishing systems in aircraft that are nitrogen extinguishing system, aerosol fire extinguishing system and water mist fire extinguishing system. With an analysis on the current trend of the replacements of halon fire suppression and extinguishing system in large scale civil aircraft cargo compartment, it analyzes the feasibilities that if the three fire extinguishing systems are suitable for aircraft cargo compartment. This paper is aimed at providing reference for engineering technology of the replacements of halon fire suppression and extinguishing system in large scale civil aircraft cargo compartment.

large scale civil aircraft; cargo compartment; replacements of halon fire suppression and extinguishing system; minimum performance standard

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.020

中国民用航空局科技创新重大专项：高高原航空燃油火灾机理及灭火有效性研究，项目编号：MHRD20130103。

V228

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