飞机发动机舱灭火剂用量试验验证与优化研究

景宏令，陈 龙，匡 勇

(中航工业天津航空机电有限公司,天津,300300)

飞机发动机舱灭火剂用量试验验证与优化研究

景宏令，陈 龙*，匡 勇

(中航工业天津航空机电有限公司,天津,300300)

为提升飞机的安全性，飞机防火系统越来越受到重视。航空防火系统中常用灭火剂Halon 1301会破坏臭氧层、造成环境污染，但至今仍未找到理想的替代品。从优化灭火剂的用量着手，以达到降低污染、减轻飞机重量的目的。目前灭火剂的用量没有结合实际仅依靠理论公式进行计算，为优化灭火剂用量，以某型飞机发动机舱防火系统为例，通过模拟真实环境试验验证不同灭火剂用量下的灭火效果。结果表明优化灭火剂用量后依然能充分地保证灭火效果。

航空防火；灭火剂用量；发动机舱

0 引言

随着国内航空产业的快速发展，飞机的安全性越来越受到重视，其中火灾是影响飞机安全飞行的重要因素之一。一旦发生火灾，很容易造成机毁人亡的重大损失。因此，预防飞机火灾并开展快速有效灭火研究显得十分必要。

飞机发动机舱及周围空间狭小，空间内存在各种可燃液体和空气，一旦可燃液体泄露遇到高温后极易发生火灾，且此类火灾的强度大，发生位置复杂，灭火后有潜在复燃的危险，会造成舱室内现有的防火系统失效，引起严重的后果。但是火灾无法完全避免，因此，需要高效的防火系统及时将其扑灭，以避免重大事故发生。

防火系统中灭火剂的用量直接影响防火系统的可靠性以及飞机的安全性。如灭火剂用量过少，一旦火灾发生，无法及时将火灾扑灭；然而，如使用的灭火剂过多，不仅会增加飞机不必要的重量以及飞

机的耗油率，造成资源的极大浪费，而且目前常用灭火剂Halon 1301会破坏臭氧层、造成环境污染。在尚未找到理想的新型灭火剂前，如何科学确定飞机上防火系统灭火剂的用量是极为重要的。

通常情况下，飞机防火系统灭火剂的用量是通过理论公式计算得出。根据灭火区域的容积、通风等因素，运用相关理论公式得出设计所需的灭火剂用量。但是理论公式具有理想化和普遍适用性的特点，实际中不同飞机情况有很大差别，所以计算结果缺乏严谨性[1]。

因此准确确定飞机上防火系统灭火剂的用量就有着十分重要的意义。本文以某型飞机发动机舱防火系统为例，进行飞机防火系统灭火剂用量计算并进行试验验证。根据试验结果，在留有足够裕量的情况下对灭火剂进行了优化设计，减轻了灭火剂重量并再次进行试验验证。试验结果证明，灭火剂用量减少后依然能充分地保证灭火效果。

1 灭火剂用量计算

根据国军标GJB 3275-98飞机灭火系统安装和试验要求[2]，灭火剂用量的计算公式为：

W=2.56V+0.56Wa

式中：W—灭火剂重量，单位为kg；

V—该区的净容积，单位为m3(该区的总容积减去重要设备项目占去的容积)；

Wa—在正常巡航状态下通过该区的空气流量，单位为kg/s；

某型发动机舱内净容积约为2.2 m3，空气流量为1.25 kg/s，将数据代入上式可得到理论上需要充填的灭火剂重量：

W=2.56×2.2+0.56×1.25=6.33kg

2 灭火有效性验证

2.1 基本原理

根据GJB 3275-98中要求“当使用Halon 1301灭火剂时，喷射后灭火剂在其作用区的所有部分中形成的灭火剂体积浓度至少为6%，且在正常巡航状态下，该灭火剂的浓度在其作用区的所有部分中持续的时间应不少于0.5 s”，以此来判断灭火剂用量的有效性。

图1 12测试点分布图Fig.1 Sampling probe positioning

所用的灭火剂浓度测试系统是基于压差检测原理的灭火剂浓度测试系统，其核心部件为压差式灭火剂浓度传感模块。在模拟发动机舱内布置12个浓度测量点，分别分布在4个垂直于发动机轴线的测试面上，每个测试面上3个测试点呈120°均布，下一测试面上测试点相对于上一测试面旋转60°分布(如图1所示)。测试系统能同时对12个测点的多种气体灭火剂浓度进行实时测试。

2.2 试验准备

根据某型飞机发动机舱构型，设计制作了试验模拟舱和气流模拟系统(见图2和图3)。

图2 试验舱外观图Fig.2 Outside view of testing nacelle

图3 气流模拟系统Fig.3 Airflow simulating system

根据灭火剂用量公式计算的结果，选用气瓶容积为8 L的灭火器，充填Halon 1301灭火剂重量6.4 kg，充填比为0.8 kg/L，充填压力4.2 MPa±0.1 MPa。

灭火剂浓度测试仪器采用中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室研制的灭火剂浓度测量设备，测量精度优于±0.5%,分辨率为0.01%(见图4)，测量通道数为12通道，测量范围为0%～20% v/v，响应时间≤100 ms，采样频率20 Hz。

图4 灭火剂浓度测试系统Fig.4 Agent concentration test system

当灭火器收到起爆信号后，引爆电爆管，灭火器迅速释放瓶内的灭火剂，灭火剂进入灭火管路后通过管路末端的灭火喷嘴喷射到试验舱内，由灭火剂浓度测试系统采集舱内浓度数据。试验环境温度约为20±3℃。

2.3 试验结果

启动信号发出后，电爆管起爆，灭火剂被迅速释放出来，分布在发动机试验舱内。试验舱内12个测试点监测到的灭火剂浓度如图5所示，其中纵坐标为Halon 1301体积百分浓度，横坐标为采样次数，系统采样频率为20 Hz。

通过试验数据可知(如图5)，灭火剂浓度最高可达到18%，全部12个测试点灭火剂浓度均达到6%以上持续时间达到5.75 s。试验结果表明，目前灭火剂的用量，满足GJB3275-98中“灭火剂体积浓度至少为6%，且持续的时间应不少于0.5 s”的要求，且有较大的优化空间。

图5 优化前的灭火剂浓度曲线Fig.5 Agent concentration curves before optimization

3 减重设计及验证

由于试验结果裕度较大，因此对灭火剂重量进行了优化。改用容积7 L的气瓶，充填Halon 1301灭火剂重量5.55 kg，灭火器充填比0.8 kg/L保持不变，充填压力仍为4.2 MPa±0.1 MPa。再次进行了试验，验证结果见图6。通过数据分析，灭火剂浓度最高可达到15.5%，12个测试点灭火剂浓度全部达到6%以上的持续时间为4.5 s，浓度符合GJB 3275-98的要求。

图6 优化后的灭火剂浓度曲线图Fig.6 Agent concentration curves after optimization

图7 优化前后的灭火剂浓度曲线对比Fig.7 The comparison of agent concentration curves before and after optimization

为了更好的比较两次试验的结果，将两次试验数据进行处理，取每个采样时刻12个测试点数据的平均值为该时刻的参考值，将两次实验的参考值放在同一坐标系中进行对比(见图7)。通过分析数据可知，减少灭火剂用量确实会降低灭火剂浓度，也会减小浓度6%以上的持续时间，但是优化后的浓度指标依然满足GJB 3275-98的要求，且仍有较大裕度。

通过分析优化后的数据可知，灭火剂用量还有进一步优化的空间。但是本套试验装置仅能进行地面常温下的测量，而实际飞行状态下环境温度、气体压力等参数对灭火剂浓度都有影响[3],如想进一步优化，还需要更先进的实验条件支撑。所以目前为保证达到灭火效果，产品设计时一般不会进行大幅度优化。

4 结论

本文以某型飞机发动机舱灭火系统为研究对象，在国军标设计要求的基础上，通过试验验证的方法分析规范要求灭火剂用量下的灭火效果，并根据灭火剂浓度测试结果进行灭火剂用量的优化。试验结果表明优化灭火剂用量后依然能充分地保证灭火效果，灭火剂用量从6.4 kg降低至5.55 kg，有效减轻了机载灭火系统的重量。

[1] 陈战斌，等. 运输类飞机防火系统灭火剂用量的试验研究[J].工程与试验, 2011, 51(4): 38-41.

[2] GJB 3275-98飞机灭火系统安装和试验要求[S].

[3] 李丽.飞机发动机舱灭火剂浓度测量[J].测控技术,2008,27(Z):151-154.

Testing verification and optimization study on consumption of fire extinguishing agent for aircraft engine nacelle

JING Hongling, CHEN Long, KUANG Yong

(AVIC Tianjin Aviation Electro-Mechanical Co., LTD, Tianjin 300300, China)

For aviation fire protection,the common-used Halon 1301 fire extinguishing agent may destroy the ozone layer and cause pollution to the environment, however ideal substitute ofHalonhas not been developed. This paper intends to reduce environment pollution and the weight of aircraft by optimizing agent amount.A certain aircraft engine nacelle is used as an example, and tests under different agent amounts are conducted by simulating actual engine environment and agent release scenario. The optimization results show that fire extinguishing performance can be ensured after reducing the agent amount from 6.4 kg to 5.55 kg.

Aviation fire protection; Agent consumption; Engine nacelle

2016-01-04；修改日期：2016-07-04

景宏令(1988-),女，硕士研究生，主要从事防火产品设计。

陈龙，E-mail: elimsevol@sina.com

1004-5309(2016)-00204-04

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.06

X936;X932

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