飛機貨艙低壓環(huán)境模擬裝置設(shè)計

劉澳 郭文杰

摘要：在航空運輸中，飛機貨艙一旦著火，很容易造成嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。飛機高空飛行過程具有低壓、密閉的特點，其火災時的煙氣、溫度分布主要受壓力、火源位置及堆疊方式等因素的影響。為了使飛機貨艙火災得到有效的控制，本文對一個能夠完成飛機巡航狀態(tài)下，貨艙低壓環(huán)境的模擬裝置進行研究設(shè)計。設(shè)計尺寸及結(jié)構(gòu)與真實飛機貨艙成一定比例關(guān)系，能夠有效模擬低壓環(huán)境下的火災發(fā)展機理。

關(guān)鍵詞：飛機貨艙;低壓環(huán)境;模擬裝置

近兩年來波音飛機不斷出現(xiàn)空中事故，且有兩次重大事故，機上所有乘客和飛行人員無一生還，這導致了波音飛機在全球范圍內(nèi)大面積停飛，事實上在自動控制系統(tǒng)存在著重大隱患的波音737MAX之前，波音737客機一直擁有著不錯的口碑，所以波音737系列飛機是世界航空領(lǐng)域的典型。因此，本次設(shè)計以波音737-700客機前貨艙尺寸為依據(jù)，設(shè)計一個飛機貨艙低壓環(huán)境模擬裝置，貨艙由主體腔室、壓力控制系統(tǒng)、模擬火源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。壓力控制系統(tǒng)用于進氣和排氣的壓力控制。采用模擬火源對實際飛機火災進行模擬。

1 功能要求

根據(jù)前人對飛機貨艙火災煙氣特征及溫度分布規(guī)律的研究，得出火源位置和氣壓環(huán)境的變化是影響火災特征參數(shù)的重要因素，而火源位置又包括水平位置與抬升高度。為了便于對飛機貨艙低壓環(huán)境火災溫度分布與煙氣特征的研究，該飛機貨艙低壓環(huán)境模擬裝置主要能實現(xiàn)以下研究：

（1）研究不同壓力下貨艙火災煙氣分布及衰減規(guī)律

將火源放置模擬貨艙底部中央，改變腔室內(nèi)環(huán)境壓力，模擬飛機巡航狀態(tài)下壓力從100kPa到70kPa的變化，記錄燃燒過程中腔室內(nèi)溫度的變化，以及CO、CO2、O2的濃度。

（2）低壓環(huán)境下飛機貨艙火災時煙氣運動特征規(guī)律研究

固定貨艙中壓力為80kPa，分別研究水平起火點位置和火源高度對煙氣分布及衰減影響。

（3）低壓環(huán)境下飛機貨艙內(nèi)物體自燃規(guī)律的研究

改變貨艙模擬裝置內(nèi)部壓力，模擬飛機飛行過程中的壓力變化，選擇典型可燃物，記錄溫度變化以及物體自燃情況。

2 設(shè)計要求

2.1 外形尺寸與材料

（1）外形尺寸

以波音737-700客機前貨艙腔室內(nèi)部尺寸為依據(jù)進行等比例縮小，貨艙原尺寸長4670mm、高1120mm，貨艙上下墻面寬度分別為3000mm和1220mm。在國內(nèi)飛機貨艙模擬研究大都在全尺寸模擬裝置內(nèi)進行，而在飛機貨艙小尺寸模擬裝置中開展的火災實驗研究還處于起步階段，結(jié)合前人通過數(shù)值模擬、理論推導等多種方式，證明實際尺寸和小尺寸煙氣及溫度變化參數(shù)結(jié)果相近，以及全比例能更好的還原飛機貨艙的火場環(huán)境等理論，本設(shè)計裝置尺寸按照實際尺寸10：1等比例縮小，即長467mm、高112mm、底部寬122mm、頂部寬300mm，如圖1。

（2）材料選取

材料選用需要滿足設(shè)計性能上的要求，包括力學性能、腐蝕性能、工藝性能（化學性能、物理性能和力學性能的綜合）。

現(xiàn)代飛機選材現(xiàn)狀研究分析表明，當前飛機較多使用的金屬材料為結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼，雖作為結(jié)構(gòu)材料的用量比例在減少，但對自重和承載力都極大的飛機來說，一些重要的成立構(gòu)件都需要超高強度和高強度鋼。主要材料有：①鋁及其合金。鋁合金可用于制作承載力極大的機器零件或者構(gòu)件，在當前航空航天結(jié)構(gòu)材料的應用方面有著極其重要的作用。鋁合金密度小、綜合性能優(yōu)良且成本較低，是當前飛機可選用的一種理想的結(jié)構(gòu)材料;②鈦合金。鈦合金是一種很重要的新型結(jié)構(gòu)材料，因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性強等特點應用于航空航天事業(yè)中。

由于鋁的熔點比較低，鋁和鋁合金的使用溫度不能超過200℃，因此其高溫的使用受到限制，考慮到設(shè)計成本，鈦合金價格昂貴，不適合于制作，所以本設(shè)計貨艙內(nèi)殼采用巖棉板，外殼選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板。巖棉板因其優(yōu)質(zhì)的保溫、防火等性能而成為保溫材料界的耀眼明星，備受建筑業(yè)的重視。

2.2 通風設(shè)置

民機飛行過程中通風主要依靠頂板空調(diào)系統(tǒng)，氣流由上部的通風口向下流動，通過側(cè)壁的空調(diào)格柵進入貨艙，使得火災時產(chǎn)生的煙、熱不易排出，而熱量的積累使受限空間內(nèi)的熱系統(tǒng)失衡，易導致空間內(nèi)溫度驟升，較其他受限空間更早發(fā)生轟燃。飛機飛行過程中艙門必須保持關(guān)閉，此時一旦發(fā)生火災，通風系統(tǒng)幾乎對煙氣運動沒有影響;而一旦飛機停止飛行艙門打開乘客進行疏散，此時客艙內(nèi)部通過艙? 門與外界進行氣流交換，這種情況下火災煙氣運動受艙門通風的影響變化較大。

前人對飛機貨艙內(nèi)煙氣運動規(guī)律的研究大多都是在無風環(huán)境下進行的，裝置本身不設(shè)置通風系統(tǒng)。但是，在強制通風下，貨艙內(nèi)氣流會出現(xiàn)強制對流，改變煙氣流動場，進而改變頂棚下方煙氣特征，最終影響火災探測器採測到的火災信號。

因此，本設(shè)計設(shè)置了通風系統(tǒng)整流裝置，依據(jù)艙門大小、內(nèi)部機構(gòu)、主承力結(jié)構(gòu)的位置，確定通風口的位置。通風系統(tǒng)由通風管和整流網(wǎng)構(gòu)成，整流網(wǎng)由蜂窩狀的金屬網(wǎng)構(gòu)成，頂棚下方設(shè)置整流網(wǎng)，它利用密集的微小網(wǎng)孔的阻尼作用，降低氣流紊流度，提高流場速度分布的均勻性，保證進入貨艙空氣的流場均勻，減少壓力分布不均導致的容器內(nèi)參量的變化，進而提高火災分布規(guī)律研究的準確性。主體腔室設(shè)置一層整流網(wǎng)，厚度為5mm，距頂板20mm，整流網(wǎng)通過螺栓固定在艙體內(nèi)部。

3 結(jié)語

火災煙氣釋放情況隨著火災場景的改變而發(fā)生變化，環(huán)境溫度、壓力、氧濃度、通風情況等的變化對于材料的點火過程、火焰的蔓延傳播、以及火災煙氣的種類和濃度等都將產(chǎn)生重要影響。隨著航空航天技術(shù)的高速發(fā)展，高空低壓、低氧等特殊環(huán)境下的火災安全防治問題逐步凸顯，本文的設(shè)計為高空低壓環(huán)境下飛機火災預防具有重要意義。