环境压力对飞机舱内典型乘客衣物燃烧特性的影响

刘全义， 孙中正， 贾旭宏， 智茂永， 朱新华

(中国民用航空飞行学院民航安全工程学院， 德阳 618307)

随着社会经济的发展，纺织产品在日常生活中被大量使用[1]。根据美国消防协会(NFPA)统计[2]，约有20%的乘客死于撞机后的火灾事故。织物材料具有厚度薄、比表面积大及易积聚的特点，因此低强度的热辐射就可以引燃，且织物火焰传播速度快，一旦在有限的空间内着火，几分钟内就会释放出大量的有毒烟雾和热量，使人中毒窒息，失去逃生能力[3-4]。飞机舱内行李集中堆积且多具有易燃性[5-6]，一旦着火将造成严重危害。根据美国联邦航空管理局(FAA)的规定飞机在高空飞行时客舱内处于低压环境。材料的极限氧指数(LOC)由传热机制和化学动力学机制共同决定[7]，所以不同压力环境下的材料燃烧特性会发生很大变化。因此研究乘客衣物的燃烧特性对于民航运输安全及人员防护具有重要意义。

目前，中外学者对典型可燃材料在不同压力环境下的燃烧特性进行了大量研究。贺元骅等[8]在多压力条件下对机舱内饰材料进行燃烧测试，研究表明低压下材料的燃烧速率降低，但烟气毒害性会增大[9]；叶琼等[10]对100批次装饰织物进行燃烧测试，研究表明国内装饰织物多为非阻燃材料，燃烧风险等级较高、易造成严重伤害；Dutta等[11]对羊毛和亚麻材料进行水平和垂直方向燃烧测试，发现样品的朝向和纤维的类型对于点燃时间、热释放速率和表面温度有显著影响；杨慎林[12]在飞机模拟舱内开展低压低氧下的正庚烷燃烧实验，研究表明火焰高度、顶棚温度随着压力降低而升高，且火焰燃烧效率增加[13]；冯瑞等[14]在低压舱中开展航空货运纸箱的燃烧实验，研究得出在低压下瓦楞纸箱为湍流火焰燃烧且其辐射热通量整体上呈先升高后下降的趋势；Mandal等[15]在室内模拟火灾的条件下对织物的热防护性能进行评价，研究得出织物的可燃性取决于其化学组成和几何结构；Zong等[16]在低压下对非炭化聚合物进行热解试验，研究发现材料的质量损失率、表面温度随着环境压力减小而增大；Li[17]等对木材进行燃烧实验，发现火焰高度随压力的降低而升高，且当辐射热流不变时，压力越低试样的质量损失率越大[18]；Thomsen等[19]在研究织物的火焰传播极限时发现当压力降低时，维持火焰传播所需的最低氧浓度增加；安翠等[20]在西藏和内地对古建筑中的装饰性织物进行了对比燃烧实验，研究表明在低压条件下相同尺寸织物的燃烧速率降低、残炭量增大，明火燃烧时间增长。

以上学者在研究典型可燃材料的燃烧特性时，大多针对装饰织物的阻燃性能验证或对纸箱、燃油等特定材料开展常规火灾研究，对低压条件下乘客行李衣物材料的燃烧防护特性研究较少。因此，为了验证环境压力对典型乘客衣物燃烧特性的影响，设计并搭建实验平台开展实验，测量并记录乘客衣物的质量损失、烟密度、烟气成分及火焰形态，揭示环境压力对乘客衣物材料燃烧性能的影响规律，为飞机舱内行李衣物火灾探测与消防救援等民航安全运行提供一定的理论支持。

1 实验设置

1.1 试样选择

乘客携带至飞机舱内的行李数目繁多[1]，在前期对乘客行李材料调研的基础上，选取乘客上衣(典型衬衫，63纯棉/27涤纶/10其他，厚度h=1 mm，面密度ρ=93 g/m2)和乘客下衣(保暖裤，67涤纶/23纯棉/10其他，厚度h=1 mm，面密度ρ=217 g/m2)作为实验试样。根据实验测试平台的要求裁剪试样，尺寸为25.4 mm×25.4 mm。

1.2 实验平台搭建

基于烟气分析仪(OPTIMA 7)和烟密度测试仪(JCY-3双控测试仪)搭建材料燃烧综合实验平台，如图1所示。烟密度测试仪所用燃料为纯度大于85%的丙烷气体。实验时将选取的试样放置在夹具的中心位置；将烟气分析探头布置在燃烧箱的上方使之与试样的中心位置对正，且相距0.5 m；将燃烧喷灯布置为45°倾角，保证火焰对试样持续充分加热的同时又不影响对燃烧剩余产物的收集。实验分别在康定机场高高原航空安全实验室(61 kPa低压环境、温度15 ℃、相对湿度50%)和四川广汉平原地区的航空消防实验室(96 kPa低压环境，温度15 ℃，相对湿度50%)进行。

由于织物含水率直接影响材料的燃烧性能[21]，所以在实验开始前，将试样放在40 ℃和相对湿度为45%～55%的干燥箱内处理24 h，以保证材料在常、低压下处于基本相同的条件。选取高精度分析天平称取试样燃烧实验前后的质量变化。利用烟密度测试仪测量烟箱中光通量的损失比来计量燃烧产物的烟密度；同时利用烟气分析仪实时检测箱内气体成分的变化。此外，利用摄像机在实验期间记录火焰形态变化。

图1 材料燃烧综合实验平台Fig.1 Experimental layout

计算质量损失比φ可利用式(1)计算：

(1)

式(1)中：m1为燃烧前总质量；m2为燃烧后的质量。在常压环境下重复上述操作，记录相应压力条件下试样的质量损失、烟密度、烟气成分等特征参数，并分析其变化率。

根据材料类型分为2组试验，为减小试验误差和偶然因素影响，每组试验重复3次，取3次试验的平均值进行对比分析。

2 实验结果与分析

2.1 质量损失率及火焰形态

图2给出了两种典型乘客衣物材料燃烧40 s时的火焰图像。由图2可知，在61 kPa下两种典型衣物材料燃烧时的火焰高度大于96 kPa下的火焰高度；实验现象与Li等[17]对木材进行燃烧实验时发现的结论相符，即火焰的高度随着压力的降低而升高。乘客上衣在61 kPa下燃烧时，底层火焰呈蓝色锥状，而在96 kPa下燃烧时火焰底部黄色部分增加。乘客下衣在61 kPa下燃烧时，火焰底部呈现蓝色球状；而在96 kPa下火焰整体呈现黄色圆锥状。

图3给出了两种典型乘客衣物材料在燃烧过程中质量损失比情况。由图3可知，乘客衣物在 61 kPa 下的质量损失比等于在96 kPa下的质量损失比；乘客上衣的质量损失比等于乘客下衣的质量损失比。

燃料中的碳元素转化为碳烟的百分比与压力之间的关系为[22]

ηs∝Pα

(2)

式(2)中：ηs为碳元素转化为碳烟的百分比，%；α为压力影响因子；P为环境压力，kPa。

由图2可知，实验中的火焰有两个显著的部分，一部分是蓝色的火焰，另一部分为黄色的明亮火焰。火焰的亮度和颜色是由于碳颗粒向外界环境释放黑体辐射而造成的[23]。由式(2)可知，随着压力的降低，燃料中碳元素转化为碳烟百分比降低，碳颗粒的生成较常压下减少，因此碳颗粒释放的黑体辐射也会相对减少；进而导致蓝色火焰占火焰总高度增加，而黄色火焰所占高度部分降低。低压环境下，由于空气密度降低导致浮力羽流减少[24]，使得乘客衣物在单位时间内与外界通过对流换热损失的热量较少；由图2可知，此时因为烟尘生成主要发生在火焰顶端[22]，所以火焰的上部呈现明黄色，而火焰底部的颜色以蓝色为主。在61 kPa低压环境下，由于自然对流减小而削弱了氧气的供应，因此火焰需要增加高度来卷吸更多的空气来维持燃烧反应的进行；而在96 kPa常压环境中因为浮力系数增大，有利于热量向外界的散发，所以火焰底部中黄色火焰增加。

图2 两种典型衣物材料40 s燃烧时火焰图像Fig.2 Flame images of two typical passenger clothes materials during burning at 40 s

图3 乘客衣物燃烧质量损失比Fig.3 Mass loss rate of burning mass in passenger clothes

固体织物材料燃烧是一个包括固相热解和气相燃烧的物理化学过程[25]，通常将其分为以下3个环节：①受热熔融、裂解，形成不可燃气体、可燃性气体及碳化残渣；②当环境温度达到着火点时，可燃性气体燃烧释放热量；③产生的热量促进继续材料裂解和燃烧。可炭化固体材料在热解后，会形成以炭为主要成分的残留物覆盖在固体可燃物表面，并阻碍固体材料的内部热解形成的可燃气体从炭化层析出[25]。在观察乘客衣物材料燃烧时发现，其在热分解时会产生一种高温且易流动的黑色物质；此种物质促进了热量的传递，增大试样与火焰的接触面积，促进了燃烧反应的进行。

2.2 烟密度等级

图4给出了两种典型乘客衣物在燃烧过程中的烟密度变化率。从图4(a)可以看出，在96 kPa下乘客上衣烟密度变化率在前40 s内持续增加，并在40 s时达到最大值2.29，然后烟密度呈逐渐减小的趋势，并在90 s后维持稳定的变化速率；而在61 kPa 下，烟密度变化率在前30 s内先快速增加，然后在达到最大3.22。从图4(b)可以看出，在96 kPa下，乘客上衣烟密度在前50 s内持续增加直至最大值3.03，然后烟密度快速下降直至90 s后以稳定值变化；在61 kPa下，烟密度在前40 s内先增加，达到最大值3.60，然后烟密度快速下降直至90 s 后以稳定速率变化。根据图4可知，烟密度变化率在两种压力环境下均表现出先上升后下降然后稳定变化的趋势，但61 kPa下的烟密度变化率在上升阶段大于96 kPa，在达到峰值后变化率小于96 kPa直至在稳定阶段两者变化趋于一致。

图4 乘客衣物燃烧烟密度变化率Fig.4 Change rate of flu density in passenger clothes combustion

在相同的热流条件下，衣物中棉纤维含量越高，组织结构强度越小，材料越易燃烧[19,26]；而由乘客衣物的材料构成可知，乘客上衣要先于下衣燃烧。在燃烧反应开始时，试样材料下层的绒头首先接受外部辐射热而分解，且当可燃气体浓度达到一定值时燃烧并产生黑烟释放出大量的烟气颗粒。

而碳烟体积分数作为碳颗粒的重要参数，其与压力成二次方关系[23]：

fv∝P2

(3)

式(3)中：fv为碳烟体积分数，%。

由式(2)、式(3)可知，燃料中转化为碳烟的碳体积分数与压力成正指数关系，随着压力的增加，烟尘的成核速率也会加速。而在自然环境条件下，氧气主要通过自然对流和扩散机制供应。低压环境下火焰对空气卷吸作用减弱，空气密度降低使得雷诺数也相对变小，导致火焰向外部分辐射热流减少；而氧扩散速率的降低使得燃烧产生的碳颗粒表面的氧化反应速率减少[23]。因此在低压环境下，反应初期时的烟密度变化率更大，在达到峰值后变化率小于常压直至在稳定阶段两者变化率趋于一致。由图4可知，在0～90 s烟密度变化率大于0，表明烟密度会持续增大直至峰值；90～240 s时的烟密度变化率接近0，表明燃烧产物中的烟颗粒以稳定的速率进行氧化而损耗。

2.3 烟气成分分析

图5 乘客衣物燃烧CO含量变化率Fig.5 Change rate of CO in passenger clothes combustion

图6 乘客衣物燃烧CO2含量变化率Fig.6 Change rate of CO2in passenger clothes combustion

图5、图6分别给出了乘客衣物燃烧产生的CO和CO2含量变化。从图5(a)中可知，0～3.5 min 乘客上衣在两种压力环境下产生CO的速率趋于一致；在3.5～4.6 min，乘客上衣在 61 kPa 低压下产生的CO速率迅速上升，在4.6 min时达到最大值20.5×10-6s-1。而在96 kPa常压下，CO在 4.1 min 达到峰值后快速下降至4.5 min后以稳定的速率变化。由图5(b)知，在0～2.5 min内乘客下衣在低压下产生CO的变化率与常压相近；在2.5～4.3 min，乘客下衣在低压下产生的CO出现两个峰值；而常压下CO在4.3 min达到峰值后快速下降，直至4.6 min后以稳定的速率变化。由图5可知，CO的峰值变化率随压力降低而增加。

从图6可知，乘客衣物燃烧产生CO2增长速率随着压力降低而略有减小；CO2的变化曲线都呈现了先上升后下降，然后维持稳定速率变化，最后在 4 min 燃烧结束后又开始出现负增长的趋势。乘客上衣和乘客下衣在0.6 min附近达到各自的峰值；在0.7～4.1 min时，61 kPa低压环境与96 kPa常压环境下CO2的变化曲线接近一致；但在4.1 min后CO2的变化率出现先降低后增大的变化。

高原环境下，燃烧主要是在低氧状态下进行，由以下3个反应主导[26]。

(4)

(5)

(6)

常压环境下，因为可燃物热解到燃烧的时间要短、裂解气释放的量更多，且此时氧含量充分支持式(4)燃烧反应的进行，所以CO变化率在反应初期变化平缓。当压力降低时，可燃物裂解的时间变长，空气环境中的绝对氧浓度减小，烟羽流中卷吸的空气质量流量减少[24]，此时反应以式(5)、式(6)为主导，使得不完全燃烧产物CO生成量增多。由于低压环境下烟气沉降速度减慢，因此使得大量烟气积聚在顶棚下，减缓了不完全燃烧产物的氧化，导致CO的变化率急剧上升并远远超过常压。此外，因为烟气在箱体内充分扩散均匀需要一定的时间，所以在4 min燃烧结束时CO和CO2变化率并未趋于稳定。此时箱体内部由于燃烧升温而与外界环境产生压差，促使箱体与外界进行气体交换；且当顶棚积聚的烟气开始下沉与外部少量空气接触后进行不充分的氧化反应，因此CO的变化率会出现两个峰值，而CO2含量出现负增长的变化。

3 结论

通过实验研究及理论分析，得到如下结论。

(1)在4 min燃烧结束后，61 kPa环境下乘客衣物的质量损失比与96 kPa环境下乘客衣物的质量损失比相等。

(2) 61 kPa环境下蓝色火焰占火焰总高度部分增加，而黄色火焰部分减少；且61 kPa下火焰总高度大于96 kPa。

(3) 烟密度变化率在两种压力环境下均表现出先上升后下降然后稳定变化的趋势；但61 kPa下的烟密度变化率在上升阶段大于96 kPa，达到峰值后变化率小于96 kPa，直至在稳定阶段两者变化率趋于一致。且当衣物中棉纤维含量越高时，材料越易燃烧，烟密度达到峰值的时间越短。

(4) 61 kPa环境下乘客衣物燃烧产生的CO2变化率小于96 kPa环境；而CO的产生速率在0～3.5 min内与61 kPa环境变化基本一致，在3.5～4.6 min内CO变化率迅速上升且大于96 kPa，且出现两个峰值。