民機防火墻適航技術(shù)要求及驗證方法研究

林家冠

(中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院,上海 201210)

民用飛機發(fā)動機短艙等結(jié)構(gòu)的防火墻設(shè)計是型號飛機設(shè)計的重點，也是型號適航取證的重要審查項目。查閱航空事故資料可以發(fā)現(xiàn)，曾發(fā)生多起發(fā)動機失火后引燃飛機機翼或機身導(dǎo)致飛機墜毀的事故。如2011年1月，俄羅斯一架圖-134飛機在滑行時發(fā)動機起火爆炸，導(dǎo)致1人死亡，3人受傷；2011年7月，俄羅斯一架安-20飛機飛行途中發(fā)動機起火，在實施迫降時發(fā)生事故，事故中有7人死亡，4人重傷[1]。

現(xiàn)代運輸類飛機設(shè)計時要求使用防火墻或防火罩將飛機上火區(qū)和其他部位隔開，以防止火區(qū)著火后火焰蔓延至其他部位，引起災(zāi)難性事故。1985年12月31日，中國民用航空局正式發(fā)布了初版的《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25)[2]，其中第25.1191條款“防火墻”參考美國聯(lián)邦航空局發(fā)布的FAR25部§25.1191制定[3]，規(guī)定了運輸類飛機防火墻的適航要求。運輸類飛機在適航取證過程中必須表明對25.1191條款的符合性。

本文研究了民用飛機防火墻適航技術(shù)要求，對25.1191條防火墻適航條款進(jìn)行解讀分析，結(jié)合實際型號設(shè)計和驗證經(jīng)驗，給出了可行的符合性驗證方法。

1 防火墻結(jié)構(gòu)

根據(jù)CCAR25.1181條款可知，現(xiàn)代運輸類渦扇飛機通常把短艙的風(fēng)扇區(qū)、核心區(qū)以及整個APU(auxiliary power unit)艙定義為指定火區(qū)，如圖1所示。通過在短艙和APU艙指定火區(qū)邊界上設(shè)置防火墻、防火罩等防火封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，包容和隔離火焰，防止短艙和APU艙內(nèi)起火后蔓延到飛機其他部位，盡最大可能保障飛行安全和減少損失。短艙內(nèi)典型的防火墻結(jié)構(gòu)包括風(fēng)扇罩、吊掛防火墻、進(jìn)氣道后隔板、核心罩、反推前框結(jié)構(gòu)；APU艙內(nèi)典型的防火墻結(jié)構(gòu)包括機身尾段的框結(jié)構(gòu)(APU艙前/后防火墻)、APU艙壁和艙門內(nèi)蒙皮等結(jié)構(gòu)(周向防火墻)。

圖1 短艙和APU艙火區(qū)示意圖

2 適航要求

最新的R4版CCAR-25部第25.1191條防火墻條款原文如下。

第25.1191條 防火墻

(a)每臺發(fā)動機、輔助動力裝置、燃油燃燒加溫器、其它在飛行中需要使用的燃燒設(shè)備以及渦輪發(fā)動機的燃燒室、渦輪和尾噴管部分，均必須用防火墻、防火罩或其它等效設(shè)施與飛機的其它部分隔離。

(b)防火墻和防火罩應(yīng)滿足下列要求：

(1)必須是防火的；

(2)其構(gòu)造必須能防止危險量的空氣、液體或火焰從該隔艙進(jìn)入飛機的其它部分；

(3)其構(gòu)造必須使每一開孔都用緊配合的防火套圈、襯套或防火墻接頭進(jìn)行封嚴(yán)；

(4)必須防腐蝕。

制定該條款的目的是確保指定火區(qū)內(nèi)著火不會對飛機造成災(zāi)難性的危害。防火墻是防火安全的重要措施，其主要功能是當(dāng)發(fā)動機著火時，把火限制在發(fā)動機短艙內(nèi)，防止火焰穿入臨近的機身或機翼，以減少著火造成的危害。此外，還能阻止廢氣和熱氣進(jìn)入機組和乘客座艙。

在進(jìn)行防火墻設(shè)計時，要著重考慮燃油和滑油管路、整流罩和引氣管以及防火墻的其他貫穿點，需要仔細(xì)考慮載有可燃液體的管路和接頭，特別需考慮防火墻隔板間的對接密封、發(fā)動機艙門、艙門密封及排液或通氣管與艙門的連接界面等。為了保證整個防火墻的性能，有必要對這些密封件進(jìn)行專門的燃燒試驗，同時需在飛機維修大綱和飛機維修手冊等持續(xù)適航文件中明確防火墻有關(guān)的維護檢查任務(wù)、檢查時間和檢查程序，以保證防火墻在飛機服役期間能持續(xù)滿足防火要求[4]。

3 符合性驗證方法

按照《航空器型號合格審定程序》,適航符合性驗證方法總共有10種[5]，分別為符合性聲明(MC0)、設(shè)計說明(MC1)、分析/計算(MC2)、安全評估(MC3)、試驗室試驗(MC4)、地面試驗(MC5)、飛行試驗(MC6)、航空器檢查(MC7)、模擬器試驗(MC8)和設(shè)備合格性(MC9)。

對于防火墻,可通過以下方法表明其對第25.1191條款的符合性。

1)設(shè)計說明(MC1)：說明指定火區(qū)均用防火墻、防火罩等與飛機其它部分隔離，防火墻上所用的材料符合防火要求，封嚴(yán)措施是有效的，是防腐蝕的。

2)試驗室試驗(MC4)：通過試驗室試驗表明防火墻、防火罩符合防火要求，封嚴(yán)措施是有效的。

驗證條款的符合性方法并非固定的，可結(jié)合驗證對象的實際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，但需與審查方達(dá)成一致意見。例如，當(dāng)被驗證的防火墻構(gòu)型是基于老型號改進(jìn)的，可不進(jìn)行試驗室試驗，而是通過分析/計算(MC2)對防火墻的安裝和封嚴(yán)與以往型號的試驗或計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。對于25.1191(b)(1)條款也可采用MC2方法，對防火墻、防火罩進(jìn)行熱分析和剩余強度計算分析，表明其是防火的。對于25.1191(b)(3)條款還可增加MC7方法，通過檢查機上的每個防火墻或防火罩來確定其封嚴(yán)是有效的。表1為建議的25.1191條款的符合性方法表，表中0～9代表MC0～MC9。

3.1 設(shè)計說明(MC1)

通過系統(tǒng)描述文件、發(fā)動機艙和APU艙架構(gòu)圖及安裝布局圖，明確指定火區(qū)的范圍，說明每個指定火區(qū)和相鄰的其它區(qū)域之間有防火墻或防火罩隔開，表明對25.1191(a)條款的符合性。

通過系統(tǒng)描述文件，說明風(fēng)扇艙和核心艙指定火區(qū)防火墻(如進(jìn)氣道后隔板、風(fēng)扇罩組件結(jié)構(gòu)、反推內(nèi)罩等)和APU艙指定火區(qū)防火墻(如APU艙周向防火墻、APU艙前/后防火墻等)的材料和厚度滿足FAA AC20-135的標(biāo)準(zhǔn)，表明對25.1191(b)(1)條款的符合性[6]。

通過系統(tǒng)描述文件和安裝圖紙，對短艙和APU艙防火墻的安裝和封嚴(yán)進(jìn)行說明，描述防火墻的設(shè)計構(gòu)型，對于防火墻搭接區(qū)域和防火墻上開孔區(qū)域使用密封件、密封劑進(jìn)行密封，表明對25.1191(b)(2)條款的符合性。

通過系統(tǒng)描述文件和安裝圖紙，說明系統(tǒng)管路在短艙、APU艙防火墻上的開孔采用緊配合的防火套圈、襯套或防火墻接頭進(jìn)行封嚴(yán)，使用具有防火性能的密封劑進(jìn)行密封，表明對25.1191(b)(3)條款的符合性。

現(xiàn)代飛機的防火墻材料通常為防腐蝕的碳纖維復(fù)合材料、鈦合金或不銹鋼等，因此可不必進(jìn)行試驗驗證其防腐蝕性能。通常在系統(tǒng)描述文件和安裝圖紙中說明防火墻和防火封嚴(yán)具體使用的材料及相應(yīng)的特性，確認(rèn)其具有防腐蝕的能力，表明對25.1191(b)(4)項的符合性。

3.2 試驗室試驗(MC4)

CCAR-25-R4中25.1191條款參考FAA 25部中§25.1191條款的內(nèi)容制定，因此可使用FAA提供的關(guān)于動力裝置防火要求的符合性驗證指導(dǎo)材料 (AC20-135)來指導(dǎo)防火墻著火試驗的開展。AC20-135中對于非結(jié)構(gòu)和非承重的防火墻或防火板采用的材料，下列最小厚度是可接受的，不必進(jìn)行另外的防火試驗：

1)厚度為0.015英寸(0.38 mm)的不銹鋼板；

2)厚度為0.018英寸(0.50 mm)的防腐蝕低碳鋼板；

3)厚度為0.016英寸(0.40 mm)的鈦合金板；

4)厚度為0.018英寸(0.50 mm)的蒙乃爾高強度耐腐蝕鎳銅合金板；

5)鋼或銅基合金防火墻接頭和緊固件。

其它結(jié)構(gòu)形式的防火墻需要進(jìn)行防火試驗，例如反推力結(jié)構(gòu)核心罩體防火試驗、短艙風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)防火試驗、短艙防火墻封嚴(yán)防火試驗、APU防火墻抗火焰燒穿試驗等。

試驗的目的就是為了驗證指定火區(qū)防火墻和防火封嚴(yán)應(yīng)能承受2 000±150 ℉至少15 min的火焰沖擊，防火墻沒有出現(xiàn)燒穿和火焰穿透，非受火側(cè)無燃點，驗證其滿足25.1191(b)條款要求的防火性和密封性。

通常，防火試驗采用多個不同構(gòu)型的試驗件模擬短艙防火墻和APU艙防火墻本體、搭接密封、穿孔密封設(shè)計特征，驗證防火墻的防火性能夠滿足25.1191條款中的防火要求。典型的防火墻試驗件構(gòu)型及其所驗證內(nèi)容如下。

1)防火墻本體：驗證最小厚度防火墻的防火性能。

2)左右防火墻對接：驗證防火墻搭接區(qū)的防火性，搭接區(qū)通常使用密封劑進(jìn)行貼合面及填角密封，使用緊固件連接，緊固件濕安裝，如圖2所示。

3)防火墻開孔封嚴(yán)：驗證防火墻上系統(tǒng)管路穿孔封嚴(yán)的防火性，開孔處的封嚴(yán)通常使用緊配合的防火套圈、襯套或防火墻接頭進(jìn)行封嚴(yán)，接頭應(yīng)模擬真實的安裝方式安裝。

4)復(fù)合材料和金屬防火墻連接：驗證復(fù)合材料與金屬搭接區(qū)的防火性，搭接區(qū)通常使用密封劑進(jìn)行貼合面及填角密封，使用緊固件連接，緊固件濕安裝。

圖2 防火墻試驗件構(gòu)型示例

通常，試驗件安裝在如圖3所示的防火試驗臺上，燃燒器水平方式安裝，調(diào)定燃燒器出口端面到試驗件受火面距離。安裝熱電偶和熱流計用于測量燃燒器輸出的火焰溫度和熱流密度。對于復(fù)合材料的防火墻，試驗時要考慮其振動情況，因此試驗臺應(yīng)加裝振動系統(tǒng)。

圖3 防火墻防火試驗示意圖

對于風(fēng)扇罩防火墻、反推核心罩防火墻等要考慮飛行工況下防火墻的防火性能。試驗臺加裝氣流設(shè)備，模擬氣流沖刷，相關(guān)設(shè)備布置如圖4所示。

防火墻防火試驗的步驟：

1)檢查試驗件外觀，拍攝照片并記錄試驗件名稱、編號、尺寸、環(huán)境溫度和試驗設(shè)備等信息(試驗件不允許存在裂紋和缺陷)。

圖4 模擬飛行工況下防火墻防火試驗示意圖

2)位置調(diào)試，安裝試驗件、燃燒器、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、振動系統(tǒng)、空氣沖刷系統(tǒng)等設(shè)備，調(diào)試位置。

3)火焰參數(shù)調(diào)試，將燃燒器置于預(yù)熱位置，點燃燃燒器，預(yù)熱5 min，預(yù)熱結(jié)束后將熱電偶移動到測試位置，確認(rèn)火焰溫度達(dá)到2 000±150 ℉。同理，將熱流計移動到測試位置，確認(rèn)火焰熱流值不小于10.6 W/cm2。

4)開始試驗，在成功完成火焰參數(shù)調(diào)試后，打開振動系統(tǒng)，打開空氣沖刷開關(guān)，迅速將燃燒器轉(zhuǎn)動或移動到試驗件，使試驗件距燃燒器的距離與燃燒器校準(zhǔn)期間熱電偶和熱流計裝置距燃燒器的距離相同，開始試驗計時。

5)試驗5 min時關(guān)閉振動系統(tǒng)，試驗15 min時關(guān)閉燃燒器、關(guān)閉空氣沖刷開關(guān)、拍攝試驗件燃燒后的照片，試驗結(jié)束。

試驗結(jié)束后，觀察到試驗件未被燒穿，非受火側(cè)(非火區(qū))無燃點，表明試驗件符合25.1191(b)(1)、(b)(2)和(b)(3)條款的要求。

4 結(jié)束語

本文對民機防火墻適航條款要求進(jìn)行了分析和解讀，結(jié)合型號設(shè)計和適航取證經(jīng)驗，總結(jié)并給出了可行的符合性驗證方法，詳細(xì)介紹了MC4防火墻著火試驗的過程和要點。本文對國內(nèi)民用飛機防火墻的設(shè)計和適航取證工作有重要參考意義。