民用飛機輔助動力裝置進氣系統(tǒng)防火適航條款解讀及試驗研究

滕 攀 藍 天 張發(fā)富 張 強

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

民用飛機輔助動力裝置(簡稱APU)雖然是一個小型渦輪發(fā)動機系統(tǒng)，但是卻隸屬于機載設備。它的主要作用是向飛機電源系統(tǒng)提供電力，向空調系統(tǒng)提供壓縮空氣，為駕駛艙和客艙提供舒適的環(huán)境。APU系統(tǒng)還擁有在地面引氣起動主發(fā)動機，以及保證在發(fā)生空中停車后提供引氣起動主發(fā)動機的能力。APU系統(tǒng)是現(xiàn)代民用飛機不可或缺的部分。

APU系統(tǒng)一般位于飛機后機身，布置在APU艙內。根據(jù)CCAR25.1181條對飛機上指定火區(qū)的認定，APU艙是指定火區(qū)，所以需要采取確實可行的措施防止APU艙可能出現(xiàn)的著火情況蔓延到飛機其他區(qū)域。根據(jù)原CCAR25部E部分和CS25部J部分要求，局方以問題紀要的形式在附錄APU草案中提出APU25.1191條“防火墻”和APU25.1193條“APU艙”要求，APU艙通常都通過前防火墻、后防火墻、周向防火墻和APU艙門組成一個完整的防火封閉區(qū)域，確保與飛機的其他區(qū)域做到物理隔離。APU進氣系統(tǒng)通過貫穿APU艙防火墻連通外界新鮮空氣，為了防止APU艙火區(qū)內可能出現(xiàn)的著火情況通過APU進氣系統(tǒng)或者進氣系統(tǒng)與APU艙防火墻的接口位置蔓延到飛機其他區(qū)域，APU進氣系統(tǒng)防火適航審定和相關試驗研究尤為關鍵。

1 進氣系統(tǒng)防火條款研究

民用飛機火區(qū)是指在正常運行條件下，預期可能出現(xiàn)易燃液體或蒸汽，且存在危險點火源的區(qū)域。APU系統(tǒng)本質上是一臺小型渦輪發(fā)動機系統(tǒng)，所以APU系統(tǒng)所處的APU艙在任何情況下都是指定火區(qū)。

根據(jù)FAR發(fā)布的咨詢通告AC20-135《動力裝置安裝和推進系統(tǒng)部件的防火試驗方法、標準和準則》中定義，防火能力是指材料或部件具有能像鋼一樣或者優(yōu)于鋼，在2 000 ℉±150 ℉的火焰下承受15 min，仍能保持其預期設計功能的能力。針對此咨詢通告，民用飛機適航審定時將“防火”定義為在指定火區(qū)內，材料或零部件至少能夠經(jīng)受2 000 ℉±150 ℉的火焰，并在至少15 min內保持完整的設計功能。民用飛機針對火區(qū)提出防火要求的目的主要是確保火區(qū)內的材料、零部件能夠包容或者阻斷火情，阻止非火區(qū)受火情影響，并且給予機組或者民機防火系統(tǒng)足夠的時間，對發(fā)生的火情采取恰當處置措施。

CCAR25部附錄APU草案對于APU進氣系統(tǒng)防火的適航審定提出了明確的條款要求和符合性驗證思路。APU進氣系統(tǒng)防火相關的適航條款為APU25.1103(b)(2)條和APU25.1191(b)(3)條，如表1所示。

表1 APU進氣系統(tǒng)防火適航條款

對于APU進氣系統(tǒng)防火條款要求，主要包含以下幾點內容：

1) 處于APU艙防火墻內部的進氣管道必須是防火的，防止火焰燒穿進氣管道，通過管道蔓延到艙外非火區(qū)；

2) APU艙防火墻外的進氣管道必須在APU艙外有足夠長的一段距離，防止APU本體產(chǎn)生的熱燃氣通過管道回流，并燒穿APU艙外的進氣管道蔓延到其他區(qū)域；

3) APU艙防火墻內部的進氣管道穿過防火墻接口位置需要進行防火密封，防止火焰從接口位置蔓延到APU艙外；

4) APU艙防火墻外的進氣管道與防火墻接口位置需要進行防火密封，防止火焰從接口位置蔓延到其他區(qū)域。

為滿足進氣系統(tǒng)防火適航條款的要求，民用飛機APU進氣系統(tǒng)在飛機后機身艙內的布局主要有兩種形式，如圖1和圖2所示。圖1布置方式適用于飛機后機身較大或者選用的APU本體較小的情況。考慮到空間利用以及經(jīng)濟性問題，通常將后機身艙沿高度方向上分隔為后附件艙和APU艙，APU艙只通過防火墻將APU本體包裹，形成了一個密閉的火區(qū)。APU進氣道組件位于APU艙防火墻外，穿過后附件艙以及飛機外蒙皮與外界大氣連通。APU進氣系統(tǒng)防火設計時需要明確可能發(fā)生的火情主要來自于APU本體的熱燃氣回流。熱燃氣回流進入進氣管道，可能由內而外燒穿進氣道組件，進而蔓延到后附件艙或其他無防火墻密封隔離的非火區(qū)。

圖1 防火墻隔離APU本體的布局示意

圖2 防火墻隔離APU進氣系統(tǒng)的布局示意

圖2布置方式適用于飛機后機身較窄或者選用的APU本體較大情況，飛機后機身艙只規(guī)劃了APU艙。APU本體以及進氣系統(tǒng)都被APU艙防火墻包裹，防火墻直接作為飛機內蒙皮隔離整個APU艙，形成一個密閉的火區(qū)。APU進氣系統(tǒng)位于APU艙防火墻內部，進氣系統(tǒng)防火設計時，需要明確可能發(fā)生的火情通過進氣系統(tǒng)從APU艙內蔓延到APU艙外需由外到內燒穿進氣系統(tǒng)。

目前大多數(shù)主流民用飛機APU進氣系統(tǒng)在飛機后機身艙內都以圖2所示的布局方式進行設計。本文將針對該類型進氣系統(tǒng)的防火性能開展適航研究。

2 進氣系統(tǒng)防火審定案例分析

以某國產(chǎn)民用飛機APU進氣系統(tǒng)防火適航審定為基礎，對APU進氣系統(tǒng)防火適航符合性進行分析研究。該國產(chǎn)民用飛機APU進氣系統(tǒng)在APU艙內的布局方式與現(xiàn)代大中型主流機型一致，如圖3所示，其中APU艙由前防火墻、后防火墻、周向防火墻以及APU艙門構成完整的防火密封區(qū)域。APU進氣系統(tǒng)貫穿周向防火墻與外界連通。如圖4所示，APU進氣系統(tǒng)主要由進氣風門、進氣道、作動器以及柔性密封件等部件組成。

圖3 APU系統(tǒng)安裝和APU艙防火墻示意圖

圖4 APU進氣系統(tǒng)構架圖

該民機APU進氣系統(tǒng)管道位于APU艙防火墻內，由進氣道、本體集氣腔和接口柔性密封件三部份組成，所以認為不存在APU25.1103(b)(2)條款描述的熱燃氣在防火墻外進氣管道中回流燒穿管道從而對飛機非火區(qū)造成危害的情況。進行防火設計時要求所有的進氣系統(tǒng)管道部件必須是防火的，不會被火焰燒穿，防止火焰通過進氣管道蔓延到APU艙外。同時進氣系統(tǒng)各部件的接口以及進氣系統(tǒng)與APU艙周向防火墻的接口需要滿足APU25.1191(b)(3)條接口結構防火密封要求。

考察進氣系統(tǒng)管道防火時需要從管道自身材料和特定防火結構設計兩方面進行適航研究。目前該型APU進氣道和集氣腔采用了通過FAR咨詢通告AC20-107B驗證，具有良好耐高溫性能的復材進行制造。相對于傳統(tǒng)的金屬材料管道，耐高溫復材管道具有重量輕，抗疲勞損傷能力強，且防火優(yōu)越等優(yōu)勢，是目前民用飛機APU進氣管道設計的重要選擇。

除進氣道和集氣腔采用具有防火性能的復材外，如圖5所示，進氣道和集氣腔之間的柔性密封件為織物增強的硅橡膠材料包裹著不銹鋼板材，其中不銹鋼板材具有良好的防火性能。柔性密封件處于APU本體集氣腔和進氣道安裝接口位置，外圍通過包裹防火毯的方式進行防火隔熱保護，減小柔性密封件的受火面積和熱通量，確保APU艙著火情況下火焰不會通過柔性密封件燒穿蔓延。柔性密封件接口位置還要求在實際裝機情況下進行防火鑒定試驗來表明適航符合性。

圖5 柔性密封件安裝示意

APU進氣系統(tǒng)穿過APU艙周向防火墻時，主要有兩個區(qū)域存在APU25.1191(b)(3)條所描述的對防火墻開孔情況，分別是作動器穿過防火墻接口位置和APU進氣口穿過防火墻接口位置。

圖6 作動器系統(tǒng)防火設計

如圖6所示，作動器整體包裹著不銹鋼防護罩，能夠有效阻止火焰直接作用在作動器上，起到一定的防火作用。作動器通過鋼制支架固定在風門框上。作動器支架是鋼制防火罩的一部分，鋼制防火罩的設計能夠保證滿足APU艙內防火要求。作動桿是鋼制材料制成，同時其外部由防火密封件包裹并通過防火卡箍密封固定。作動桿和防火密封件緊密組合保證作動桿穿過防火墻時滿足APU艙內的防火密封要求。

APU進氣口穿過防火墻接口位置使用防火板與后機身結構緊固連接，并在縫隙處涂防火密封膠，接口處還設計有防火毯進行包裹，該接口位置同樣需要模擬實際裝機狀態(tài)進行防火鑒定試驗來表明適航符合性。

3 防火鑒定試驗研究

圖7 APU進氣系統(tǒng)防火鑒定試驗區(qū)域

針對APU進氣系統(tǒng)柔性密封件接口區(qū)域和APU進氣口穿越防火墻接口區(qū)域分別規(guī)劃防火鑒定試驗。試驗區(qū)域如圖7所示，試驗模擬實際裝機狀態(tài)進行。注意試驗時兩處試驗區(qū)域需要分別進行試驗，并且規(guī)劃的試驗區(qū)域需要確保暴露在火焰下，試驗區(qū)域火焰暴露面外的延伸區(qū)域可以選擇使用防火材料進行包裹，以免影響試驗結果。試驗成功的判據(jù)為AC20-135要求的15 min試驗過程中：1)火焰不得燒穿試驗件；2)試驗件背面不能出現(xiàn)燃燒，可以接受背面出現(xiàn)小量的閃光；3)對于面向火一側的試驗件發(fā)生燃燒現(xiàn)象，火焰應當能夠自熄。為了觀測和記錄試驗過程中受火面和背火面的現(xiàn)象，需要提前布置好攝像頭拍攝整個試驗過程。

試驗過程中為了模擬APU機上工作時帶來的振動和背火側氣流真實情況，選擇參考ISO2685《飛機指定火區(qū)內機載設備防火試驗程序》采用振動幅值不小于0.4 mm，頻率為40 Hz～60 Hz的要求模擬振動狀態(tài)。APU系統(tǒng)應當在火情探測、自動停車、滅火劑的激活使用前具有5 min的受火能力，能夠正常工作，所以可以選擇試驗的前5 min內使用風機模擬APU正常工作時進氣流量。注意風機模擬的進氣流量需要小于APU進氣系統(tǒng)實際工作時最小進氣流量，確保試驗在嚴苛的條件下進行。

試驗開始前需要對燃燒器進行火焰調節(jié)，燃燒器需要滿足AC20-135中規(guī)定火焰溫度達到2 000 ℉±150 ℉，熱流密度不小于10.6 W/cm(9.3 BTU/ft2-sec)的要求。對燃燒器進行火焰調節(jié)時，將圖8所示熱電偶耙和熱流量計布置在距離燃燒器噴口表面102 mm，測量目標點垂直高于燃燒器中心面25.4 mm位置，距離的公差要求在±10%以內。其中熱電偶耙要求至少由7根熱電偶以間距25 mm±2 mm排成一列，本試驗使用的熱電偶耙由9根熱電偶組成?；鹧嬲{節(jié)過程中，需要火焰至少持續(xù)3 min，熱電偶耙上每一根熱電偶的溫度都在2 000 ℉±150 ℉內。

圖8 校準燃燒器使用的熱電偶耙和熱流量計

試驗開展時注意被試區(qū)域與燃燒器的相對位置關系，應與校準燃燒器時熱電偶耙、熱流量計與燃燒器的相對位置關系保持一致，確保試驗過程中試驗區(qū)域受到的溫度和熱通量滿足試驗要求。本文兩次防火鑒定試驗熱量要求均為不小于4 748 kJ。

對柔性密封件接口試驗區(qū)域進行鑒定試驗。調節(jié)燃燒器得到的火焰溫度在2 024 ℉～2 044 ℉之間，熱量在4 850 kJ到4 900 kJ之間，溫度和熱量均達到試驗要求。試驗過程中攝像頭拍攝的受火面和背火面畫面。在試驗要求的15 min內背火面未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。試驗完成后觀察受火面，受火面結構保持完整，未出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，使用熱電偶耙和熱流量劑再次對燃燒器火焰的溫度和熱通量進行測定，在保證相對位置關系不變的情況下，測得燃燒器火焰溫度在2 000 ℉～2 020 ℉之間，滿足試驗要求，試驗成功。

對試驗結果進行分析研究。該防火試驗區(qū)域一方面柔性密封件選用以硅橡膠為基體，能夠在高溫火焰下形成耐火陶瓷炭層，防止火焰穿透，另一方面柔性密封件外面包裹有防火毯，防火毯安裝后會在縫隙處添加防火膠進行密封保護，防火毯的存在避免了柔性密封件與火焰的直接接觸，并且還能起到隔熱的作用，確保了柔性密封件接口位置能夠滿足防火要求。

對APU進氣口穿過防火墻接口區(qū)域進行鑒定試驗。調節(jié)燃燒器得到的火焰溫度在2 015 ℉～2 034 ℉之間，熱量在5 720 kJ到5 760 kJ之間，溫度和熱量均達到試驗要求。試驗過程中攝像頭拍攝的受火面和背火面畫面。在試驗要求的15 min內背火面未出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。試驗完成后觀察受火面，受火面結構保持完整，未出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，使用熱電偶耙和熱流量劑再次對燃燒器火焰的溫度和熱通量進行測定，在保證相對位置關系不變的情況下，測得燃燒器火焰溫度在2 024 ℉～2 045 ℉之間，滿足試驗要求，試驗成功。

對試驗結果進行分析研究。該防火試驗區(qū)域有防火毯包裹，并用防火膠對縫隙進行密封，防火毯保護進氣管道端口，并且延伸到周向防火墻上，最大限度地阻止火焰溫度和熱通量對穿過防火墻接口位置的直接影響。進氣系統(tǒng)與周向防火墻位置還設計有左右兩塊鋼制的防火板進行緊密安裝，確?；鹧娌粫┻M氣口穿過防火墻區(qū)域，滿足防火要求。

4 結論

從APU系統(tǒng)安全和飛機安全角度出發(fā)，現(xiàn)代民用飛機對于APU進氣系統(tǒng)防火的適航審定要求越來越嚴格。APU進氣系統(tǒng)防火在設計階段應從以下兩方面考慮：一方面進氣系統(tǒng)使用的材料應具備防火性能，現(xiàn)代先進民用飛機大多采用防火能力優(yōu)越的復材制造進氣管道；另一方面進氣系統(tǒng)與APU本體以及APU艙的接口區(qū)域需要進行防火研究，特別是對于存在密封件接口和穿越防火墻接口的位置，通常通過防火鑒定試驗表明防火符合性。本文從具體適航條款出發(fā)，通過某國產(chǎn)民機APU進氣系統(tǒng)防火審定案例分析和對關鍵接口位置的防火鑒定試驗研究，明確了民用飛機APU進氣系統(tǒng)防火設計要點和驗證措施，對我國民機APU進氣系統(tǒng)防火設計具有一定的指導意義。