民用飞机货舱烟雾探测系统性能验证

程书山　安凤林　王渊明

【摘 要】本文对飞机货舱烟雾探测系统的性能进行了货舱地面试验，并利用FDS软件进行了数值模拟研究；结果显示飞机货舱烟雾探测系统设计能够满足适航要求；货舱地面试验和数值模拟方法得到的烟雾探测系统响应时间偏差在±2秒以内；数值模拟结果可以作为试验人员选择较严苛的着火位置的重要参考。

【关键词】货舱；烟雾；探测；适航

Aircraft Cargo Compartment Smoke Detection System Performance Validation

CHENG Shu-shan AN Feng-lin WANG Yuan-ming

（Shanghai Aircraft Design And Research Institute， Shanghai 201210， China）

【Abstract】Aircraft Cargo compartment smoke detection performance is assessed by Cargo compartment ground experiment and numerical simulation by FDS software；The result show the Cargo smoke detection system meet the requirement of Airworthiness Regulation；The deference of response time derived from Cargo compartment ground experiment and numerical simulation <±2 second；Numerical simulation can be an important reference for experiment to choose the worse location.

【Key words】Cargo Compartment； Smoke； Detection； Airworthiness

货舱烟雾探测系统是民用飞机的一个重要安全应急系统，适航审查方对货舱烟雾探测系统对烟雾的响应时间关注度很高，飞机制造商一般通过试验表明货舱烟雾探测系统对烟雾的响应满足适航要求。通过试验验证需要耗费大量人力和物力，而数值模拟方法在节省人力和物力方面具有显著的优势。陈曦等利用FDS软件对建筑物室内的点型感烟探测器的响应时间进行了预测；Ezgi Oztekin等利用FDS软件对波音707飞机货舱内烟雾的传播进行了数值模拟研究。由于货舱构型的差异，以上结果无法应用于其他机型的适航评估过程。本文针对某民用飞机烟雾探测系统的性能进行了货舱地面烟雾探测响应试验和数模模拟试验，探索通过数值模拟方法评估货舱烟雾探测系统性能的可行性。

1 货舱烟雾探测系统设计需求

货舱防火是民用飞机防火设计的重要内容，客机货舱一般都位于客舱的下面，为C级货舱，飞行中当货舱着火时，机组成员无法直接观察到。对于C级货舱，FAA适航规章要求布置烟雾探测或火警探测器系统，货舱着火时提出警告。FAA联邦适航规章条款FAR25.858对货舱烟雾和火警探测系统的要求如下：如果申请带有货舱或行李舱烟雾探测或火警探测装置的合格审定，则对于每个装有此种装置的货舱或行李舱，必须满足下列要求：

1）该探测系统必须在起火后一分钟内，向飞行机组给出目视指示；

2）必须表明，探测系统在所有经批准的运行形态和条件下均为有效。

2 飞机货舱烟雾探测器布置

飞机货舱是由天花板、侧壁板、地板、及前、后端板围成的密闭空间，本文研究的货舱长8.17米，体积约15立方米，货舱无通风；在货舱天花板中心线附近布置有6个烟雾探测器，由于飞机货舱天花板空间限制，烟雾探测器未完全对称布置，如图1所示：

货舱烟雾探测系统由烟雾探测器、控制器、飞机电源和飞机电缆组成。烟雾探测器采用符合TSO-C1c 的基于光散射原理的光电型烟雾探测器，当烟雾探测器感受到烟雾浓度超过设定值时，控制器通过航电系统向机组人员发出EICAS 告警指示、灯光和语音告警。为降低烟雾探测系统的虚假概率，正常情况下控制器采用“与”逻辑，即当两个以上（包括两个）烟雾探测器报警时，控制器判断货舱有烟雾状况；若控制器检测到有烟雾探测器故障时，则自动转换为“或”逻辑，即只要有单个烟雾探测器报警，控制器即判断为该区域有烟雾。

3 货舱烟雾探测系统性能验证

为表明货舱烟雾探测系统设计符合适航条款要求，本文采用飞机货舱地面试验和数值模拟两种方法对货舱烟雾探测系统的性能进行了评估。

3.1 货舱地面试验

为了得到飞机真实货舱烟雾探测系统的性能，设计人员进行了机上地面试验 。试验采用符合AC 25-9 要求的烟雾发生器产生烟雾。烟雾发生器的安装位置如下图所示。综合考虑货舱尺寸和烟雾探测器分布，本文选取两处较严苛的着火位置进行试验，分别记为位置1和位置2，如图2所示：

试验过程如下：

1）试验前在货舱内特定位置安装烟雾发生器；

2）机务人员打开货舱灯，关上货舱门；

3）接通烟雾发生器的同时开始用秒表计时，试验人员在驾驶舱内检查货舱内烟雾探测系统的告警响应，并用秒表计时；

4）驾驶舱内收到烟雾探测系统告警后，计时结束。

3.2 数值模拟

本文利用美国国家标准和技术研究院（NationalInstitute of Standards and Technology，NIST）的火灾动力学模拟器FDS（Fire Dynamics Simulator），对货舱烟雾探测系统的性能进行了评估。FDS软件数值方法求解受浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程（Navier-Stokes Equations），重点计算火灾中的烟气和热传递过程[2]。

火灾场景设置为塑料着火，根据FAA的William J. Hughes技术中心利用锥形量热仪对燃烧的塑料块的测试数据，火源的热释放率（heat release rate，HRR）设置为随时间变化：从0秒到60秒，火源热释放率从0kW逐渐升高到5kW[3-4]。火源位置与货舱地面试验中烟雾发生器位置一致。

数值模拟得到的烟雾传播过程如下：

火源位于位置1处，T=3秒，9秒，15秒的烟雾传播，图中显示了火源所在截面的流场、烟雾分布和温度。右侧颜色带为流场的温度，单位℃：

4 结果分析

数值模拟和货舱地面试验得到的烟雾探测器响应时间如表1所示：

数值模拟和地面货舱试验结果都显示，无论模拟火源/烟雾发生器位于位置1还是位置2，烟雾探测系统都可以在17秒以内发出告警，满足适航条款要求的60秒告警的要求。

当火源位于位置1时：

数值模拟得到的火源附近烟雾探测器5和6所在位置昏暗度与时间关系见图10：

烟雾探测器6在着火后10.4秒首先触发告警，随后烟雾探测器5在16.3秒触发。根据烟雾探测系统的“与逻辑”设计，此时系统发出烟雾告警。

当火源位于位置2时：

数值模拟得到的火源附近烟雾探测器2和3所在位置昏暗度与时间关系见图11：

数值模拟结果表明，烟雾探测器3在着火后10.6秒首先触发告警，随后烟雾探测器2在12.4秒触发。根据烟雾探测系统的“与逻辑”设计，此时系统发出烟雾告警。

数值模拟结果和地面货舱试验结果都显示，当火源/烟雾发生器在位置1时，烟雾探测系统的响应时间要大于火源/烟雾发生器在位置2时。对于数值模拟结果，火源在位置1的响应时间比火源在位置2的响应时间大3.9秒；对于货舱地面试验结果，烟雾发生器在位置1时，烟雾探测系统的响应时间比烟雾发生器在位置2的响应时间大1.26秒；以上结果表明，地面货舱试验和数值模拟方法在较严苛着火位置的预测上结果是一致的。

通过分析烟雾传播过程可以发现，当火源位于位置1时，烟雾在热浮力的驱动下上升，当烟雾上升到天火板后受天花板的阻挡四散传播，传播过程中由于受到到天火板、货舱前壁板和侧壁板的阻挡，烟雾在货舱的角落集聚，传播速度变慢；而火源位于位置2时，烟雾上升到天花板后仅在侧面有货舱侧壁板阻挡，烟雾向货舱前、后的传播未受影响。同时，由于烟雾探测器5距离位置1较远，因此火源位于位置1时货舱烟雾探测系统的响应时间比位置2着火时时间长。

飞机货舱地面试验和数值模拟方法得到的烟雾探测系统响应时间偏差在±2秒以内，差异主要是因为数值模拟过程中烟雾的传播是受火源的热浮力驱动的，而货舱地面试验过程中，烟雾由烟雾发生器产生，烟雾的产生通过加压的氮气吹出，并非通过真实火源驱动，造成烟雾的传播时间有差异。

5 结论

本文通过飞机货舱地面试验和数值模拟方法对飞机货舱烟雾探测系统的性能进行了评估，结果显示货舱烟雾探测系统的设计满足适航要求；飞机货舱地面试验和数值模拟得到的较严苛的着火位置是一致的；本文中飞机货舱地面试验和数值模拟方法得到的烟雾探测系统响应时间偏差在±2秒以内；表明数值模拟方法对货舱烟雾探测系统性能的评估具有重要的参考意义。

【参考文献】

[1]陈曦，钱稼茹，潘鹏.点型感烟火灾探测器响应信号时程数值预测方法[J].清华大学学报：自然科学版，2009，49（3）：337-340，345.

[2]Kevin McGrattan， Randall McDermott， Fire Dynamics Simulator （Version5） Users Guide[Z]. Baltimore， Maryland， USA， National Institute of Standards andTechnology， 2010.

[3]Ezgi Oztekin. Smoke transportin a cargo compartment[Z]. Koeln， Germany： International Aircraft SystemsFire Protection Working Group， 2011.

[4]程书山.大型客机货舱烟雾探测模拟研究[J].航空科学技术，2013（3）：56-58.

[责任编辑：杨玉洁]