飛機(jī)結(jié)構(gòu)防火設(shè)計與失火修理研究

王 哲

（航空工業(yè)一飛院，西安 710089）

0 引言

火災(zāi)是影響飛機(jī)安全飛行的重要原因，嚴(yán)重威脅飛機(jī)和乘客的安全。僅2019 年上半年，旅客機(jī)就發(fā)生近10 起飛機(jī)失火事件。2019 年4 月17 日，俄羅斯烏塔航空公司一架波音737 飛機(jī)右側(cè)發(fā)動機(jī)失火，機(jī)艙乘客恐慌，著火降落。2019 年5 月5 日，俄羅斯一架載有78 人的客機(jī)在莫斯科謝列梅捷沃機(jī)場迫降時起火，飛機(jī)被大火和濃煙迅速吞噬，猛烈燃燒的畫面震驚全球，這起事故造成41 人罹難。2018 年1 月12 日，尼日利亞一架ATR72 飛機(jī)在機(jī)庫維修時著火，如圖1 所示。

圖1 ATR72 飛機(jī)地面失火

飛機(jī)上的各種管路系統(tǒng)，液壓管路、燃油管路等，盛裝油液，在飛機(jī)顛簸、撞擊的時候，沖擊力有可能造成管路磨損破壞，油液外泄，若遇到金屬片摩擦高溫、火化，有可能點燃泄漏油液，引起著火燃燒或爆炸。另外，飛機(jī)上各種電氣系統(tǒng)、受撞擊變形也很可能造成電線短路，引發(fā)火情。某飛機(jī)燃油管路異常磨損密封失效、漏油，異常磨損產(chǎn)生的高溫引燃漏出的燃油，造成失火，艙內(nèi)燒傷情況如圖2 所示。

圖2 艙內(nèi)燒熔及燒傷

尤其飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部起火，密閉狹小的空間內(nèi)溫度會迅速升高，里面的氣體也會迅速膨脹，極易造成爆炸。另外，高溫對發(fā)動機(jī)艙也是極大的威脅，一旦發(fā)動機(jī)艙遇火燃燒，爆炸就難以避免[1]。

火災(zāi)造成的煙霧毒性大，易使人窒息[2]，飛機(jī)機(jī)艙密閉，很難散發(fā)，空氣不易流通，內(nèi)部可燃物大多為有機(jī)物質(zhì)，在燃燒過程中會形成有毒氣體和煙霧。

因此，預(yù)防飛機(jī)火災(zāi)并積極開展防火研究十分重要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上做到材料選取、布置不易著火，出現(xiàn)火警能夠及時探測，并能有效熄火。在飛機(jī)客艙、貨艙、駕駛艙、發(fā)動機(jī)短艙等艙段總體布局設(shè)計、隔離設(shè)計、通風(fēng)冷卻設(shè)計及排漏設(shè)計上，還應(yīng)重視防火設(shè)施配置、火警線、滅火器、貨艙煙霧或火警探測系統(tǒng)、材料等要求。防火性是指設(shè)備、附件和結(jié)構(gòu)件能承受標(biāo)準(zhǔn)火焰(1 100 ℃)熱作用5 min 的能力。耐火性是指設(shè)備、附件和結(jié)構(gòu)件能承受標(biāo)準(zhǔn)火焰(1 100 ℃)熱作用15 min 的能力。

失火燃油泄漏，摩擦打火或短路引起明火，遭受閃電著火、貨物自燃或助燃材料燃燒等引起飛機(jī)結(jié)構(gòu)著火，失火后需要對飛機(jī)著火點、著火區(qū)、著火原因進(jìn)行分析界定，檢查過火區(qū)范圍及程度，確定修理方案以及防止著火的措施，按照流程去開展修理工作，盡快恢復(fù)，減低事故等級，保證飛機(jī)安全。

1 防火設(shè)計

發(fā)動機(jī)區(qū)、貨艙區(qū)、駕駛艙區(qū)等應(yīng)從選材、布局上進(jìn)行防火設(shè)計，常用措施有隔離、排放、通風(fēng)、報警、滅火等。探測系統(tǒng)是用來探測著火、過熱及煙霧，提供視覺和音響報警信號，向空勤人員發(fā)出警告的設(shè)施，以便及時采取滅火措施。滅火系統(tǒng)的功能是貯存滅火劑并向火區(qū)提供滅火的設(shè)施，其目的是達(dá)到消除火情而不致造成嚴(yán)重的后果[3]。

1.1 防火設(shè)計原則

1)從飛機(jī)結(jié)構(gòu)布置上，對燃料、火源和助燃劑三個基本要素進(jìn)行隔離或分離；

2)飛機(jī)結(jié)構(gòu)所選用的材料如高溫區(qū)域附近的結(jié)構(gòu)材料，分別或同時滿足阻燃、耐火或防火要求；

3)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行潛在的著火危險區(qū)域進(jìn)行安全性分析，確定危險源。對該區(qū)域進(jìn)行防火設(shè)計，以避免潛在著火危險，降低著火造成的災(zāi)難。同時即使著火發(fā)生，應(yīng)有措施降低著火造成的災(zāi)難。

1.2 防火設(shè)計要求

1)按照飛機(jī)各個區(qū)域的環(huán)境溫度要求，布置飛機(jī)上各個系統(tǒng)及設(shè)備，以減少潛在故障下發(fā)生過熱、煙霧或著火的可能性。

2)在駕駛艙及貨艙內(nèi)布置的手提式滅火器與機(jī)身艙的容量應(yīng)該相匹配。

3)在貨艙、盥洗室內(nèi)應(yīng)該布置煙霧探測系統(tǒng)，在駕駛艙設(shè)置相應(yīng)的煙霧警告燈。對于設(shè)置火警、過熱及煙霧探測系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的火情，應(yīng)提供相應(yīng)的告警信息[4]。

4)應(yīng)該在有易燃材料、易燃油液及油汽、火源的區(qū)域采用隔離設(shè)計，火區(qū)與非火區(qū)應(yīng)隔離和封嚴(yán)，使可燃液體和點火源分離在不同區(qū)域。

5)雷電防護(hù)，可燃液體滲漏排放口不應(yīng)布置在雷擊區(qū)內(nèi)。

6)在可能出現(xiàn)易燃油液和油汽泄露的所有艙內(nèi)，應(yīng)該設(shè)計有通風(fēng)措施，利用氣流來阻止易燃物、腐蝕性氣體及易爆氣體空氣混合物在飛機(jī)艙內(nèi)的聚積[5]。

7)在飛機(jī)內(nèi)可能存在熱源和火源的所有艙和其他區(qū)域，應(yīng)該設(shè)計有冷卻措施，確保在任何使用條件下都不會超過飛機(jī)內(nèi)已確立的所有溫度極限。包括所安裝設(shè)備的溫度、任何附屬設(shè)備的溫度、支撐結(jié)構(gòu)溫度及艙體溫度。最典型的區(qū)域包括發(fā)動機(jī)艙、APU艙及電子電氣設(shè)備艙等。

8)在飛機(jī)內(nèi)可能出現(xiàn)危險的油液泄露的所有艙內(nèi)，應(yīng)設(shè)有排漏措施，消除易燃物或腐蝕性油液的泄露物堆積，并且阻止易燃物、腐蝕性油液聚積在飛機(jī)艙內(nèi)。

1.3 防火材料

防火材料選取按結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)所處的區(qū)域、以及防火和耐火的要求，分別或同時滿足阻燃、耐火或防火要求選取。金屬材料選用鈦合金、不銹鋼、高溫合金；非金屬材料選用防火綺綢布、防火涂料、硅橡膠、XG-5 隔熱(隔熱氈)預(yù)制型微孔彈性隔熱材料，JC170 無堿玻璃纖維布，F(xiàn)XY-6 室溫固化高溫粘結(jié)劑等。非金屬材料選取還應(yīng)滿足無毒環(huán)保要求。

1.4 飛機(jī)結(jié)構(gòu)防火設(shè)計

飛機(jī)結(jié)構(gòu)包括機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、短艙、起落架結(jié)構(gòu)等。機(jī)翼里燃油箱，短艙里發(fā)動機(jī)等都有著火的危險區(qū)，起落架艙一般含有液壓管路和部件，因而存在出現(xiàn)易燃液體或蒸氣的可能性，且存在由剎車片制動而產(chǎn)生的點火源，但通常采取措施將點火源與易燃液體或蒸氣隔離，從而視為易燃液體泄漏區(qū)。非危險區(qū)是指與易燃液體或其蒸氣隔絕的區(qū)域。通常為機(jī)身的增壓區(qū)域，包括駕駛艙、客艙、電子電氣設(shè)備艙、貨艙等。

按規(guī)定，飛機(jī)上有幾個區(qū)域為火區(qū)，一般為發(fā)動機(jī)短艙，APU輔助動力裝置短艙和油箱區(qū)。火區(qū)與飛機(jī)的其他區(qū)域都有防火墻隔離。防火墻把整個火區(qū)都包圍起來。在火區(qū)內(nèi)，有滅火瓶和煙霧探測器。一旦煙霧探測器發(fā)現(xiàn)有煙霧積聚，就會報警，同時飛機(jī)會自動啟動滅火瓶，對封閉的火區(qū)進(jìn)行滅火。

位于火區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)應(yīng)至少滿足阻燃要求并能承受正常運(yùn)行條件下艙內(nèi)最高環(huán)境溫度。盡量不使用吸液材料，位于可能滲漏的易燃液體系統(tǒng)組件附近的吸液材料應(yīng)加以包覆或處理，以防止吸收危險量的液體。火區(qū)必須采用防火墻與飛機(jī)其他區(qū)域隔離任何穿透防火墻的管路、電纜接頭應(yīng)采用防火密封封嚴(yán)，防火墻、穿越防火墻的所有接頭均應(yīng)滿足防火要求。

飛機(jī)防火，總體布置上，應(yīng)避免油氣混合，注重易燃區(qū)設(shè)備布置，劃分好火區(qū)；設(shè)計過程和裝配完成后應(yīng)開展區(qū)域性安全分析、檢查；防火材料的選擇上，金屬材料鈦合金或不銹鋼重量重，可以選用鋁合金，表面涂防火涂料；設(shè)計好防火墻、隔熱墊等，用來隔離火區(qū)[3-5]。

隔熱墊設(shè)計：按照溫度場，沒有火焰區(qū)域，鋪設(shè)隔熱墊，隔熱墊可選用XG-5 隔熱氈與無堿布用FXY-6 膠粘接而成。因結(jié)構(gòu)需要在隔熱墊上開孔、開縫或開缺口的位置不允許有毛邊，必須用無堿布包覆封口，封口處的無堿布搭接寬度為20 mm。隔熱墊與金屬結(jié)構(gòu)表面的粘貼及隔熱墊端頭與結(jié)構(gòu)對縫處的粘貼均用FXY-6 膠，F(xiàn)XY-6 膠在隔熱墊和金屬結(jié)構(gòu)件上分別涂，且要涂均勻，不允許漏涂而出現(xiàn)未粘貼上的部位。

隔熱層敷設(shè)方式：將隔熱層通過膠黏劑直接膠結(jié)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。其典型型式如圖3 所示。

圖3 隔熱層膠結(jié)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)

隔熱層也可以用錦絲搭扣帶代替粘結(jié)，如圖4所示。隔熱層通過連接釘固定在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，其典型型式如圖5 所示。

圖4 隔熱層錦絲搭扣帶粘結(jié)

圖5 隔熱層通過連接釘固定在飛機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)艙設(shè)計：當(dāng)兩臺發(fā)動機(jī)裝在一起時，應(yīng)在發(fā)動機(jī)艙設(shè)置防火隔墻，將相鄰的兩臺發(fā)動機(jī)隔開，以阻止意外事故中火焰及可燃液體或熾熱氣體從一個隔艙進(jìn)入另一個隔艙及整個機(jī)體的其他部位。飛機(jī)與發(fā)動機(jī)間的管接頭及電纜接頭應(yīng)采用快卸式，所有穿過防火墻的油液管路和電器導(dǎo)線應(yīng)有隔板連接件。安裝在發(fā)動機(jī)艙中任何可能失火區(qū)域所有易燃液體管路，軟管組件及發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的放氣管，可采用不銹鋼或其他耐火材料制造。所有管路和軟管組件應(yīng)能經(jīng)受住1 100 ℃的火焰不少于5 min 而不泄露。接頭和支架也應(yīng)具有同等的耐火能力。

硅橡膠的工作溫度大約為-65 ℃～230 ℃。由于火區(qū)的工作溫度較高，因此一般選用硅橡膠材料，并添加織物包覆層增強(qiáng)其抗磨損性能。

2 失火修理

結(jié)構(gòu)燒傷，會出現(xiàn)燒熔、起泡、發(fā)黑、變形等顯著的外部現(xiàn)象，并且還會因受熱而造成強(qiáng)度、硬度、剛度、塑性等機(jī)械性能變化。全面準(zhǔn)確的定位燒傷情況，制定好檢查方案、修復(fù)實施方案，是修復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的前提，消除修復(fù)后隱患。

2.1 失火修理原則

1)檢查應(yīng)遵循為結(jié)構(gòu)修復(fù)服務(wù)目的，不留死角。以便保證修復(fù)部位與整個飛機(jī)結(jié)構(gòu)同壽命，使用上不應(yīng)有任何附加限制條件；

2)應(yīng)保證所有受損零件或零件受損部位全部被分解更換；

3)為便于工藝實施，分解更換時可適當(dāng)擴(kuò)大分解更換的范圍。

2.2 失火修理要求

1)分解檢查時應(yīng)考慮后續(xù)的結(jié)構(gòu)修復(fù)，不得造成二次損傷；

2)檢查應(yīng)記錄清楚燒熔、燒傷變形、過火情況，燒傷部位的顏色、硬度、漆層情況等；

3)檢查應(yīng)全面、細(xì)致，形成清單；

4)若檢查沒有問題的復(fù)合材料制件嚴(yán)禁碰撞沖擊。

2.3 失火修理流程

飛機(jī)在燒傷過程中，在著火區(qū)形成有規(guī)律的溫度場，金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)受不同溫度、不同時間的加熱過程，燒傷的程度各不相同。一般來說，在著火點附近，加熱溫度較高，熱積累嚴(yán)重，金屬結(jié)構(gòu)往往燒熔、起泡甚至燒毀，材料性能嚴(yán)重下降，為嚴(yán)重?zé)齻麉^(qū)，離火區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域只是煙霧熏過為輕微燒傷區(qū)，火焰未經(jīng)過區(qū)域為未燒傷區(qū)。界定好區(qū)域，以便更科學(xué)的修理，不同區(qū)域不同檢測方法，檢查強(qiáng)度、硬度、電導(dǎo)率、色澤等有無變化，結(jié)構(gòu)有無損傷，確定合理的修理方案，保證等強(qiáng)度設(shè)計。失火修理流程如圖6 所示。

圖6 失火修理流程

嚴(yán)重區(qū)，顏色變化，燃燒未到金屬熔點，只過火，測量硬度的變化、或者強(qiáng)度的變化。顏色變化，黑色-燒過，黃色-過火，黑粉-燒損。

嚴(yán)重?zé)齻麉^(qū)、輕微燒傷區(qū)和未燒傷區(qū)，燒熔、起泡、變形等顯著的外部損傷。

檢查確定損傷范圍，修理檢查方案、修理方案、修理、檢查、放飛。

2.4 修理檢查

檢查方式可分為常規(guī)目視檢查和無損檢測，目視檢查是飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷檢查的最常用方法；有些情況下，如打開檢修口蓋、整流罩、隔熱墊等以檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還須借助其他光學(xué)工具進(jìn)行，如手電筒、反光鏡、放大鏡和內(nèi)窺鏡等；當(dāng)采用目視檢查方法不能判斷飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷時，如過火、顏色異常、裂紋等，可采用諸如色澤檢測法、硬度檢測法、渦流電導(dǎo)率檢測法、拉伸試驗等[2]。

色澤檢測法，鋁合金罩光漆層的顏色，在溫度升高時將發(fā)生變化。當(dāng)溫度200 ℃以下，顏色基本不變。當(dāng)溫度200 ℃以下，顏色基本不變。當(dāng)溫度200 ℃以后，顏色為檸檬色。當(dāng)溫度250 ℃以后轉(zhuǎn)為金黃色，繼而焦黃。400 ℃開始漆層燒毀。

鈦合金目前使用最高溫度為600 ℃左右，在300 ℃以上表面顏色稍稍變黃，隨著溫度升高，漸變黃色。400 ℃金黃色，500 ℃灰黃色，600 ℃為藍(lán)色，900 ℃～1000 ℃黑灰色，出現(xiàn)剝落。

硬度檢測法，金屬材料硬度與強(qiáng)度有一定的對應(yīng)關(guān)系，通過測量硬度可確定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而判定燒傷的程度[6-8]。

渦流電導(dǎo)率檢測，金屬材料電導(dǎo)率與受熱溫度、時間之間的關(guān)系，然后運(yùn)用渦流探傷的原理檢測飛機(jī)燒傷結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率的變化，從而確定結(jié)構(gòu)燒傷的程度和范圍。

針對飛機(jī)過火區(qū)域，檢查按下列步驟進(jìn)行：

鄭大一附院形成了一種常態(tài)：出院時，由神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)護(hù)人員開出包括鼻飼進(jìn)食及留置胃管的注意事項等出院處方，隨后，由電話隨訪小組進(jìn)行隨訪。

(1)拆除待檢查表面的隔熱墊并清洗干凈；

(2)目視觀察確定該區(qū)域零件過火范圍，根據(jù)檢測區(qū)域退漆；

(3)對熱影響區(qū)按100 mm、200 mm、300 mm三個位置，在原位測試材料硬度及電導(dǎo)率。對不好確定的，可以切割取試片進(jìn)行拉伸試驗，看強(qiáng)度變化情況，變化大再進(jìn)行切割取試片，變化小或沒有變化，既是過火的修理與不用修理的分界線。

過火結(jié)構(gòu)取試樣，進(jìn)行室溫拉伸試驗，測定試件彈性模量E、屈服強(qiáng)度σ0.2、抗拉強(qiáng)度σb、延伸率δ、斷面收縮率。試驗方法按HB 5143-1996 執(zhí)行。硬度測試，測定試片布氏硬度(HBS)。試驗方法按GB/T 231-2009 執(zhí)行。

過火連接件如螺栓，試驗測試?yán)鞆?qiáng)度和剪切強(qiáng)度等參數(shù)。拉伸試驗方法按GJB 715.23A-2008執(zhí)行。剪切試驗方法按GJB 715.26A-2008 執(zhí)行。

2.5 修理

按照失火檢查結(jié)果，對損傷嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)進(jìn)行換件，過火的清理掉燒傷區(qū)，補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，輕微過火的重新噴涂底漆、面漆。

用工裝對結(jié)構(gòu)定位、維形，以便修理過程結(jié)構(gòu)不變形、不錯位，保證水平測量符合飛機(jī)總體要求。

制定修理方案，編制零件清單，零件制造盡量使用原機(jī)工裝、夾具，修理分離面的劃分盡量與原結(jié)構(gòu)一致，可以少使用額外的對接加強(qiáng)件，防止剛度突變。另外，零件、組件要便于外場運(yùn)輸。

對新加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、評估，剩余強(qiáng)度滿足要求。

修理過程問題處理，現(xiàn)場狀態(tài)的變化或更改做好記錄，對要用的零件做好標(biāo)記。

重新按修理后的結(jié)構(gòu)恢復(fù)系統(tǒng)，如火警探測的布置、隔熱墊的鋪設(shè)、電纜的布置、設(shè)備及導(dǎo)管的固定等。

修復(fù)后應(yīng)對殘留物進(jìn)行清理，如碎片、液體、殘渣、油污等。

修復(fù)完成后應(yīng)進(jìn)行水平測量，通電檢查、結(jié)構(gòu)檢查、各系統(tǒng)檢查，排故后保證運(yùn)行正常[6-9]。

3 結(jié)論

飛機(jī)著火無論在地面，還是在空中均時有發(fā)生，是飛機(jī)損傷的主要形式之一，而且造成的損失往往比較嚴(yán)重。在設(shè)計階段做好防火，防患未然，出現(xiàn)火情能夠發(fā)現(xiàn)，有通道有措施及時處置，從布局、材料、隔離、排漏、預(yù)警等過程注重設(shè)計。失火發(fā)生后如何去修理，搶救飛機(jī)，恢復(fù)功能和結(jié)構(gòu)特性，制定修理原則、檢查方案、修理檢查(目視檢查、詳細(xì)目視檢查、電導(dǎo)率測試、硬度及力學(xué)性能測試等手段[9])、界定好修理邊界、修理內(nèi)容以及修理后分析驗證，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、飛機(jī)性能、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、壽命、工藝可實施性等因素，確保修理后飛機(jī)安全、功能正常。