飞机货舱低压环境模拟装置设计

刘澳 郭文杰

摘要：在航空运输中，飞机货舱一旦着火，很容易造成严重的人员伤亡和财产损失。飞机高空飞行过程具有低压、密闭的特点，其火灾时的烟气、温度分布主要受压力、火源位置及堆叠方式等因素的影响。为了使飞机货舱火灾得到有效的控制，本文对一个能够完成飞机巡航状态下，货舱低压环境的模拟装置进行研究设计。设计尺寸及结构与真实飞机货舱成一定比例关系，能够有效模拟低压环境下的火灾发展机理。

关键词：飞机货舱;低压环境;模拟装置

近两年来波音飞机不断出现空中事故，且有两次重大事故，机上所有乘客和飞行人员无一生还，这导致了波音飞机在全球范围内大面积停飞，事实上在自动控制系统存在着重大隐患的波音737MAX之前，波音737客机一直拥有着不错的口碑，所以波音737系列飞机是世界航空领域的典型。因此，本次设计以波音737-700客机前货舱尺寸为依据，设计一个飞机货舱低压环境模拟装置，货舱由主体腔室、压力控制系统、模拟火源和数据采集系统组成。压力控制系统用于进气和排气的压力控制。采用模拟火源对实际飞机火灾进行模拟。

1 功能要求

根据前人对飞机货舱火灾烟气特征及温度分布规律的研究，得出火源位置和气压环境的变化是影响火灾特征参数的重要因素，而火源位置又包括水平位置与抬升高度。为了便于对飞机货舱低压环境火灾温度分布与烟气特征的研究，该飞机货舱低压环境模拟装置主要能实现以下研究：

（1）研究不同压力下货舱火灾烟气分布及衰减规律

将火源放置模拟货舱底部中央，改变腔室内环境压力，模拟飞机巡航状态下压力从100kPa到70kPa的变化，记录燃烧过程中腔室内温度的变化，以及CO、CO2、O2的浓度。

（2）低压环境下飞机货舱火灾时烟气运动特征规律研究

固定货舱中压力为80kPa，分别研究水平起火点位置和火源高度对烟气分布及衰减影响。

（3）低压环境下飞机货舱内物体自燃规律的研究

改变货舱模拟装置内部压力，模拟飞机飞行过程中的压力变化，选择典型可燃物，记录温度变化以及物体自燃情况。

2 设计要求

2.1 外形尺寸与材料

（1）外形尺寸

以波音737-700客机前货舱腔室内部尺寸为依据进行等比例缩小，货舱原尺寸长4670mm、高1120mm，货舱上下墙面宽度分别为3000mm和1220mm。在国内飞机货舱模拟研究大都在全尺寸模拟装置内进行，而在飞机货舱小尺寸模拟装置中开展的火灾实验研究还处于起步阶段，结合前人通过数值模拟、理论推导等多种方式，证明实际尺寸和小尺寸烟气及温度变化参数结果相近，以及全比例能更好的还原飞机货舱的火场环境等理论，本设计装置尺寸按照实际尺寸10：1等比例缩小，即长467mm、高112mm、底部宽122mm、顶部宽300mm，如图1。

（2）材料选取

材料选用需要满足设计性能上的要求，包括力学性能、腐蚀性能、工艺性能（化学性能、物理性能和力学性能的综合）。

现代飞机选材现状研究分析表明，当前飞机较多使用的金属材料为结构钢和不锈钢，虽作为结构材料的用量比例在减少，但对自重和承载力都极大的飞机来说，一些重要的成立构件都需要超高强度和高强度钢。主要材料有：①铝及其合金。铝合金可用于制作承载力极大的机器零件或者构件，在当前航空航天结构材料的应用方面有着极其重要的作用。铝合金密度小、综合性能优良且成本较低，是当前飞机可选用的一种理想的结构材料;②钛合金。钛合金是一种很重要的新型结构材料，因具有强度高、耐蚀性好、耐热性强等特点应用于航空航天事业中。

由于铝的熔点比较低，铝和铝合金的使用温度不能超过200℃，因此其高温的使用受到限制，考虑到设计成本，钛合金价格昂贵，不适合于制作，所以本设计货舱内壳采用岩棉板，外壳选用优质不锈钢板。岩棉板因其优质的保温、防火等性能而成为保温材料界的耀眼明星，备受建筑业的重视。

2.2 通风设置

民機飞行过程中通风主要依靠顶板空调系统，气流由上部的通风口向下流动，通过侧壁的空调格栅进入货舱，使得火灾时产生的烟、热不易排出，而热量的积累使受限空间内的热系统失衡，易导致空间内温度骤升，较其他受限空间更早发生轰燃。飞机飞行过程中舱门必须保持关闭，此时一旦发生火灾，通风系统几乎对烟气运动没有影响;而一旦飞机停止飞行舱门打开乘客进行疏散，此时客舱内部通过舱  门与外界进行气流交换，这种情况下火灾烟气运动受舱门通风的影响变化较大。

前人对飞机货舱内烟气运动规律的研究大多都是在无风环境下进行的，装置本身不设置通风系统。但是，在强制通风下，货舱内气流会出现强制对流，改变烟气流动场，进而改变顶棚下方烟气特征，最终影响火灾探测器採测到的火灾信号。

因此，本设计设置了通风系统整流装置，依据舱门大小、内部机构、主承力结构的位置，确定通风口的位置。通风系统由通风管和整流网构成，整流网由蜂窝状的金属网构成，顶棚下方设置整流网，它利用密集的微小网孔的阻尼作用，降低气流紊流度，提高流场速度分布的均匀性，保证进入货舱空气的流场均匀，减少压力分布不均导致的容器内参量的变化，进而提高火灾分布规律研究的准确性。主体腔室设置一层整流网，厚度为5mm，距顶板20mm，整流网通过螺栓固定在舱体内部。

3 结语

火灾烟气释放情况随着火灾场景的改变而发生变化，环境温度、压力、氧浓度、通风情况等的变化对于材料的点火过程、火焰的蔓延传播、以及火灾烟气的种类和浓度等都将产生重要影响。随着航空航天技术的高速发展，高空低压、低氧等特殊环境下的火灾安全防治问题逐步凸显，本文的设计为高空低压环境下飞机火灾预防具有重要意义。