一款國產(chǎn)民機(jī)旅客氧氣面罩的防火性能測試

馬 迪 霍立琴 湯 旭 雷鳴俊 李棟梁*

(1.邯鄲凈化設(shè)備研究所，邯鄲 056027；2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

現(xiàn)代民航客機(jī)通常采用渦扇噴氣式發(fā)動機(jī)，巡航高度普遍在7 600 m以上，座艙為氣密增壓座艙。當(dāng)飛機(jī)由于增壓系統(tǒng)故障或結(jié)構(gòu)破損等原因?qū)е伦撫寜簳r(shí)，在飛機(jī)緊急迫降過程中為確保旅客生命安全需要及時(shí)通過旅客氧氣系統(tǒng)為旅客提供應(yīng)急氧氣[1-3]。旅客氧氣面罩是一種常見的為旅客提供氧氣的分氧裝置，化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)生的氧氣流通過旅客氧氣面罩的供氧軟管供給機(jī)上乘員。

由于化學(xué)氧氣發(fā)生器產(chǎn)生的是持續(xù)的氧氣流，所以與化學(xué)氧氣發(fā)生器配套使用的是持續(xù)氣流旅客氧氣面罩。目前普遍裝備在民航客機(jī)上且符合TSO-C64a的持續(xù)氣流旅客氧氣面罩有兩種，分別由B/E航空系統(tǒng)有限公司和AVOX系統(tǒng)公司研制[4-6]。隨著國產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目的深入開展，旅客氧氣面罩也面臨著國產(chǎn)化趨勢，基于此，邯鄲凈化設(shè)備研究所遵循民航規(guī)章以及國際通用標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立研制了一款民機(jī)持續(xù)氣流旅客氧氣面罩。

旅客氧氣面罩在設(shè)計(jì)時(shí)通體采用了輕質(zhì)的高分子材料，且大量裝備在整個客艙內(nèi)，為了防止在客艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)火勢蔓延，所以必須遵循民航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對所研制的旅客氧氣面罩的防火性能進(jìn)行測試，以確定其是否達(dá)到適航要求。

1 民機(jī)旅客氧氣面罩適用的適航條款分析

旅客氧氣面罩遵循的民航規(guī)章及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要是CCAR-25-R4以及SAE AS8025。

1.1 有關(guān)旅客氧氣面罩設(shè)計(jì)的適航條款分析

CCAR-25-R4是中國民用航空局頒布的運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)，其第25.1447(a)條規(guī)定，每一位需要補(bǔ)氧的乘員必須有各自的分氧裝置，分氧裝置必須設(shè)計(jì)成能蓋住口鼻，并且必須具有合適的手段將其保持在面部[7]。

SAE AS8025《旅客氧氣面罩》是美國汽車工程師學(xué)會對美國聯(lián)邦航空條例FAR-25《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中旅客氧氣面罩部分細(xì)化后發(fā)布的一項(xiàng)航空航天標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中對民用商用飛機(jī)持續(xù)氣流旅客氧氣面罩的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和性能確定了最低要求[8-9]。

SAE AS8025第1條規(guī)定，持續(xù)氣流供氧的旅客氧氣面罩為口鼻型面罩，包括一個面罩杯組件、一個面罩懸掛裝置、一個儲氣袋、一個流量指示器和一根供氧軟管等。其中面罩杯組件還可以細(xì)分為面板、面罩杯、閥片等。

SAE AS8025第5.5.1條規(guī)定，當(dāng)供氧軟管連接到出口接頭時(shí)，面罩組件應(yīng)能承受施加到面罩本體上的88.96 N(20l bf)靜態(tài)拉伸力至少3 s，且面罩組件不能從出口接頭脫離?；诖?，在B/E面罩中，用一根細(xì)繩連接在儲氣袋入口處的傘形連接器和儲氣袋出口處的卡扣之間，從而承受拉力，但這樣的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且還包括額外的材料和處理步驟，使得制造時(shí)間和制造成本增加。且連接儲氣袋和面罩杯的連接細(xì)繩難以快速組裝，使得現(xiàn)場維護(hù)人員的維護(hù)成本增加。本所研制的旅客氧氣面罩中，儲氣袋通過超聲波焊接形成了有一定寬度且傾斜均勻分布的焊縫，這些焊縫可沿水平方向向左和向右分散軸向施加的力，從而使得面罩組件可承受88.96 N的拉力，通過焊縫分散應(yīng)力，無需更復(fù)雜的裝置，使得面罩維護(hù)成本大大降低。

圖1為邯鄲凈化設(shè)備研究所自主研制的持續(xù)氣流旅客氧氣面罩(只標(biāo)注主體結(jié)構(gòu)及尺寸)。在面板設(shè)計(jì)中，擯棄了AVOX面罩內(nèi)外板的設(shè)計(jì)，而采用了壓板設(shè)計(jì)，既可以維持面罩杯的形態(tài)，又減少了面板材料的用量，這種設(shè)計(jì)不但簡約而且減重，更為符合現(xiàn)代民航客機(jī)的設(shè)計(jì)理念。

1-面罩杯組件；2-儲氣袋；3-供氧軟管；4-流量指示器

1.2 有關(guān)旅客氧氣面罩防火性能的適航條款分析

SAE AS8025第3.3.1條中規(guī)定，旅客氧氣面罩所使用材料不能對火勢傳播產(chǎn)生重大影響，材料應(yīng)具備聯(lián)邦航空條例FAR-25.853(a)條款中規(guī)定的防火性能。

CCAR-25-R4第25.853(a)條款規(guī)定了“艙內(nèi)材料(包括用于材料的涂層或飾面)必須滿足本部附錄F第I部分規(guī)定的適用試驗(yàn)準(zhǔn)則或其它經(jīng)批準(zhǔn)的等效試驗(yàn)方法，無論飛機(jī)的客座量是多少。”

CCAR-25-R4附錄F第I部分“表明符合25.853條或25.855條的試驗(yàn)準(zhǔn)則和程序”中詳細(xì)列出了艙內(nèi)材料防火性能試驗(yàn)的材料試驗(yàn)準(zhǔn)則以及試驗(yàn)程序。第(a)(1)(iv)條規(guī)定“有機(jī)玻璃的窗戶和標(biāo)示、整個或部分用彈性材料制成的零件、在一個殼體內(nèi)裝設(shè)一個以上儀表的邊光照明的儀表組件、座椅安全帶、肩帶以及貨物和行李系留設(shè)備，包括集裝箱、普通箱、集裝板等，凡用于客艙或機(jī)組艙內(nèi)者，在按本附錄的適用部分進(jìn)行水平放置試驗(yàn)時(shí)，其平均燃燒率不得超過64 mm/min(2.5 inch/min)?！?/p>

由于旅客氧氣面罩屬于旅客服務(wù)單元的一個零件，安裝在客艙內(nèi)應(yīng)急使用，大部分采用了聚氯乙烯、硅膠、聚碳酸酯等一類彈性體材料，符合CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(iv)中描述的“整個或部分用彈性材料制成的零件”，因此對旅客氧氣面罩組件的防火性能測試可采用CCAR-25-R4附錄F第I部分(b)(5)規(guī)定的水平燃燒試驗(yàn)的方法進(jìn)行。

2 民機(jī)旅客氧氣面罩的防火性能驗(yàn)證

2.1 試樣制備

旅客氧氣面罩組件的主體部分為硅膠材質(zhì)的面罩杯和聚氯乙烯材質(zhì)的儲氣袋及供氧軟管。按照CCAR-25-R4附錄F第I部分(b)(2)“試樣形態(tài)”要求，所需材料“都必須從裝機(jī)制品上切下一塊或用模擬切塊的試樣(例如從板材上切下的試樣或制品的模擬件)進(jìn)行試驗(yàn)”，“試件的厚度不得超過所需鑒定的飛機(jī)所使用的最小厚度”，“試樣的暴露面積必須至少寬50.8 mm(2 inch)，長305 mm(12 inch)，除非飛機(jī)上的實(shí)際使用件小于上述尺寸?！?/p>

由于面罩杯和儲氣袋、供氧軟管的尺寸均小于試樣所必須的暴露面積，因此采用面罩杯和儲氣袋、供氧軟管的模擬切塊的試樣進(jìn)行測試。

a)面罩杯模擬切塊制樣

面罩杯為喇叭口形狀，材質(zhì)為經(jīng)過RoHS認(rèn)證的食品級硅膠，符合最新環(huán)保要求，最小厚度在裙邊處，厚度1 mm。

模擬切塊制樣時(shí)，使用熱壓機(jī)模壓成片狀，片材厚度1 mm，與面罩杯裙邊處相同。從模壓片材上剪裁下長320 mm、寬90 mm的試樣4件備用。

b)儲氣袋與供氧軟管的模擬切塊制樣

儲氣袋與供氧軟管同為聚氯乙烯材質(zhì)，儲氣袋厚度為0.15 mm，供氧軟管壁厚為1 mm，選用最小厚度0.15 mm作為試樣厚度。模擬切塊試樣從制備儲氣袋的薄膜上選取，剪裁下長320 mm、寬90 mm的試樣4件備用。

2.2 測試方法及試驗(yàn)程序

測試方法及試驗(yàn)程序依照附錄F第I部分(b)(5)的水平燃燒試驗(yàn)，試樣的安裝方式依照標(biāo)準(zhǔn)HB 5469-2014要求[10]，如圖2所示，圖中6#所示位置為試樣夾持部位。試驗(yàn)設(shè)備為HVFAA燃燒試驗(yàn)箱，試驗(yàn)所用各種器具均處于計(jì)量有效期內(nèi)。測試委托中國民航局第二研究所進(jìn)行。

1-拉桿套軸；2-本生燈拉桿；3-彈簧；4-拉桿套軸螺母；5-本生燈座組件；6-試樣夾組件；7-電磁鐵調(diào)節(jié)螺母；8-電磁鐵調(diào)節(jié)底板；9-電磁鐵組件；10-導(dǎo)軌圓柱墊

試驗(yàn)程序依照以下步驟進(jìn)行：

a)將試樣放置在溫度為20 ℃～22 ℃，相對濕度為50%～55%的環(huán)境中，穩(wěn)定25 h；

b)取出試樣(每次只取一個試樣)；

c)安裝試樣，使試樣下邊緣高出燃燒器頂端19.1 mm，關(guān)閉試驗(yàn)箱門，試驗(yàn)期間不得打開；

d)本生燈火焰溫度為850 ℃時(shí)，點(diǎn)燃試樣15 s，移開，記錄試樣燃燒長度至254 mm時(shí)的時(shí)間t，如移開火焰后試樣燃燒長度未達(dá)到254 mm熄滅，記錄熄滅時(shí)間t及燃燒長度L(為方便測量燃燒長度可用一塊干軟的布或薄紗，或者用浸有甲醇、乙醇的布或薄紗，去除試樣表面的煙灰和污染顆粒)；

e)等所有的燃燒停止后，緩慢打開試驗(yàn)箱門，打開排氣扇清除箱內(nèi)煙霧；

f)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，完成所有試樣的燃燒試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試樣燃燒前后的形態(tài)對比如圖3所示。

從圖3(a)中可以看到，面罩杯模擬切塊的試樣在燃燒后邊緣呈現(xiàn)白色，為硅膠分解后的氧化硅殘?jiān)?，燃燒斷面幾乎沒有擴(kuò)散，根據(jù)HB 5469-2014中第8.3.4(a)條中規(guī)定“若火焰在其前沿通過38 mm標(biāo)記線前自熄，則該試樣的燃燒速率為0”，故面罩杯模擬切塊的試樣燃燒速率為0，達(dá)到CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(iv)中規(guī)定的水平燃燒試驗(yàn)的平均燃燒速率不得超過64 mm/min的要求，防火性能測試合格。

從圖3(b)中可以看到，儲氣袋及供氧軟管模擬切塊的試樣在燃燒后邊緣呈現(xiàn)黑色，為聚氯乙烯分解后的碳?xì)堅(jiān)Ｌ細(xì)堅(jiān)拇嬖谟兄诟艚^空氣與可燃物，達(dá)到阻燃效果。雖然其中一塊試樣的碳?xì)堅(jiān)糠州^大，但燃燒斷面沒有擴(kuò)散，說明火焰很快自熄。其余兩塊試樣的燃燒斷面沒有擴(kuò)散，火焰在其前沿通過38 mm標(biāo)記線前自熄，故儲氣袋及供氧軟管模擬切塊的試樣燃燒速率為0，達(dá)到CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(iv)中規(guī)定的水平燃燒試驗(yàn)的平均燃燒速率不得超過64 mm/min的要求，防火性能測試合格。

(a)面罩杯模擬切塊燃燒前后形態(tài)對比

4 豁免項(xiàng)

按照CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(v)中規(guī)定，對火勢蔓延影響不大的小件可進(jìn)行豁免測試。由于旅客氧氣面罩中的閥片、面板、流量指示器等尺寸較小(如圖4所示，只標(biāo)注外部最大尺寸)，屬于對火勢蔓延影響不大的小件，無需進(jìn)行防火性能測試。

(a)傘閥1

5 結(jié)論

1)通過采用附錄F第I部分(b)規(guī)定的試驗(yàn)程序?qū)γ嬲直哪M切塊試樣和儲氣袋、供氧軟管的模擬切塊試樣進(jìn)行水平燃燒試驗(yàn)，燃燒速率均為0，符合CCAR-25-R4第25.853(a)條款和附錄F第I部分(a)(1)(iv)條款的規(guī)定。

2)閥片、面板、流量指示器等小件由于尺寸較小，對火勢蔓延無明顯影響，防火性能測試豁免。

通過以上試驗(yàn)結(jié)果和豁免分析，旅客氧氣面罩的防火性能符合CCAR-25-R4第25.853(a)條款和附錄F第I部分(a)(1)(iv)條款的規(guī)定，所以旅客氧氣面罩的防火性能滿足適航要求。