大型客機(jī)隔熱隔音棉的輕量化設(shè)計(jì)

沈世元+韓峰

【摘 要】本文研究了一種隔熱隔音棉的輕量化設(shè)計(jì)，并且，針對(duì)目前復(fù)合材料越來越廣泛應(yīng)用的趨勢(shì)，本文前瞻性地研究了機(jī)身復(fù)材化的情況下，尤其是對(duì)防火焰燒穿的下半部分的抗火焰燒穿特性，并利用數(shù)值模擬的手段初步計(jì)算出了某型號(hào)復(fù)材機(jī)身飛機(jī)在典型的一些火焰燒穿工況下的溫度場(chǎng)。

【關(guān)鍵詞】大型客機(jī)；輕量化設(shè)計(jì)；隔熱隔音；抗火焰燒穿

0 前言

對(duì)于民機(jī)行業(yè)來說，無論是歐洲的空中霸主Airbus、美國的航空巨頭Boeing，還是年輕的中國COMAC，針對(duì)航空工業(yè)這一塊的蛋糕的爭(zhēng)奪已日趨白熱化。艙內(nèi)噪聲作為衡量乘機(jī)舒適度的一個(gè)指標(biāo)，在商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中具有不可忽略的地位。提到艙內(nèi)噪聲，就不得不提到隔熱隔音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

發(fā)展機(jī)身復(fù)材化已經(jīng)是大勢(shì)所趨，各種對(duì)復(fù)材的研究也如同雨后春筍一般遍地開花。復(fù)合材料為民機(jī)設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢(shì)有很多，在這里就不一一列舉，而本文關(guān)心的復(fù)合材料抗火焰燒穿性能就是可以為艙內(nèi)降噪工作帶來巨大收益的一個(gè)不可忽略的關(guān)鍵特性。

1 隔熱隔音棉的輕量化設(shè)計(jì)

如圖1，隔熱隔音棉在飛機(jī)上的作用猶如一圈“保護(hù)層”，她在讓乘客們享受舒適安靜的艙內(nèi)環(huán)境同時(shí)，還可以在飛機(jī)墜落燃燒等緊急情況當(dāng)中防御火焰對(duì)艙內(nèi)的侵蝕，形成防火焰包絡(luò)，保證外部火焰5分鐘之內(nèi)不燒進(jìn)客艙，為艙內(nèi)乘客的逃離爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，保護(hù)乘客的生命安全。

大量的實(shí)例表明，貨艙地板以下，機(jī)身最底部區(qū)域，水汽、油污及灰塵在此處因受隔熱隔聲層阻擋與吸附而大量聚集，影響底部結(jié)構(gòu)排水孔的排漏功能。需要進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方案有但不限于：

（1）擋水瓦抬高隔熱隔聲層；

（2）在貨艙地板滿足防火焰燒穿的前提下，去除此部分隔熱隔聲層。

對(duì)于方案1來說，只是為了解決問題而解決問題，并無額外的收益；而方案2如果做到了可行之后，如圖2所示，會(huì)獲得如下收益：

A）機(jī)身下半部分的隔熱隔聲層可采用普通包覆膜代替抗火焰燒膜，原材料成本全機(jī)下降1/3，重量減少約30kg（單通道級(jí)飛機(jī)）；

B）機(jī)身下半部份的隔熱隔聲層安裝件可采用輕量化的非金屬件，設(shè)計(jì)成本下降1/2， 重量減少8～12kg（按4000個(gè)安裝位置計(jì)算）；

C）機(jī)身件隔熱隔聲層安裝位置，采用卡片式或粘接式安裝件（相比機(jī)身隔框開孔與支架），避免結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全性評(píng)估（4000個(gè)開通孔位置），避免設(shè)計(jì)大量支架。

2 復(fù)材機(jī)身隔熱隔音系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)

飛機(jī)底部抗火焰燒穿的輕量化設(shè)計(jì)的主體思路為：在深刻理解條款的基礎(chǔ)上，以機(jī)身整體為設(shè)計(jì)對(duì)象，尋求性能等效的切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)型號(hào)的輕量化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)源于金屬機(jī)身的C919，但可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，完全無縫推廣到同為金屬機(jī)身的ARJ21-700（減重約15～18kg）；采用相同的設(shè)計(jì)思路，基于復(fù)材基于復(fù)材機(jī)身抗火焰燒穿性能驗(yàn)證通過基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)材機(jī)身飛機(jī)整體的輕量化（預(yù)計(jì)最大可達(dá)150kg），具體思路如下圖3：

該思路形成一種民用飛機(jī)機(jī)體整體抗火焰燒穿設(shè)計(jì)構(gòu)型，并在此基礎(chǔ)之上形成民用飛機(jī)機(jī)體整體抗火焰燒穿集成驗(yàn)證方法，并逐步形成民用飛機(jī)機(jī)體整體抗火焰燒穿材料應(yīng)用與設(shè)計(jì)構(gòu)型庫。其中，對(duì)于支線飛機(jī)如ARJ21-700，防火方面的適航驗(yàn)證思路已然成熟，對(duì)于例如C919的干線飛機(jī)，圖10為大體一致的驗(yàn)證思路流程圖。

3 復(fù)材機(jī)身仿真

在進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析時(shí)，工程上需要尋求一種可行的，分析火焰蔓延、燒穿路徑、熱通量等的仿真方法，支持工程選型與配合驗(yàn)證工作。

做試驗(yàn)固然是獲得理論驗(yàn)證的方法之一，然而從成本的角度來說，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可以以一種更加經(jīng)濟(jì)、更加直觀、更有說服力的方法展現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果，讓試驗(yàn)報(bào)告更有深度。如果要對(duì)整個(gè)艙段甚至全機(jī)進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，那么數(shù)值模擬無疑是一個(gè)更好的選擇。

在進(jìn)行數(shù)值仿真之前，我們需要做一些假設(shè)。復(fù)合材料有20%的耐火樹脂（熱解）和80%的耐火碳纖維，在燃燒過程中，復(fù)合材料的熱解燃燒導(dǎo)致火焰體積增加。假設(shè)風(fēng)速為10m/s，風(fēng)向?yàn)橛摇C(jī)身直徑3.6m，機(jī)身長度20m，火源由油箱漏油形成，呈柱狀火，截面直徑18.9m。采用的軟件為FDS（Fire Dynamics Simulator），是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款開發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。

下面三張分別是在t=5s、30s和180s時(shí)的仿真云圖。

幾個(gè)共性模擬結(jié)論：

（1）仿真結(jié)果和大部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好。

（2）火焰形狀主要由燃料池尺寸、風(fēng)速、風(fēng)向決定。

（3）復(fù)合材料機(jī)身的實(shí)驗(yàn)火焰體積比鋁機(jī)身的實(shí)驗(yàn)火焰的大很多。

（4）復(fù)合材料機(jī)身表面火焰?zhèn)鞑ニ俣入S風(fēng)速增加，峰值可以達(dá)到0.6m/s。

5 總結(jié)

本文在充分理解條款的基礎(chǔ)上，對(duì)隔熱隔音棉的鋪設(shè)方式進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，提高了飛機(jī)隔熱隔聲層及機(jī)腹底部區(qū)域結(jié)構(gòu)的安全性與維護(hù)性，同時(shí)做到了減重和降低成本，并讓貨艙隔音棉的安裝方式（緊固件）有了更大的設(shè)計(jì)空間，使得應(yīng)用機(jī)型更加具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

對(duì)于金屬機(jī)身：對(duì)于C919，全機(jī)重量可節(jié)省26.9kg；對(duì)于同為金屬機(jī)身的ARJ21-700，可推算得減重約為15～18kg。

對(duì)于復(fù)材機(jī)身：在基于復(fù)材基于復(fù)材機(jī)身抗火焰燒穿性能驗(yàn)證通過基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)材整體機(jī)身的輕量化，預(yù)計(jì)最大可達(dá)150kg。復(fù)合材料運(yùn)輸機(jī)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)外部防火問題，必須包括可存活的墜撞著陸后外部集中火焰的影響。機(jī)身結(jié)構(gòu)應(yīng)給乘客提供足夠的逃逸時(shí)間，且不會(huì)伴以火焰彌漫或釋放對(duì)逃逸乘客有毒或使燃燒加劇的氣體和/或物質(zhì)。此外，還必須把這些考慮擴(kuò)展到機(jī)翼和油箱結(jié)構(gòu)，必須防止其結(jié)構(gòu)崩潰或泄漏燃油（包括考慮燃油載荷對(duì)結(jié)構(gòu)特性的影響）。對(duì)運(yùn)輸類飛機(jī)來說，CCAR 25.856（b）的標(biāo)準(zhǔn)提供了建立所需安全性水平的基準(zhǔn)。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint