大型客機隔熱隔音棉的輕量化設計

沈世元+韓峰

【摘 要】本文研究了一種隔熱隔音棉的輕量化設計，并且，針對目前復合材料越來越廣泛應用的趨勢，本文前瞻性地研究了機身復材化的情況下，尤其是對防火焰燒穿的下半部分的抗火焰燒穿特性，并利用數值模擬的手段初步計算出了某型號復材機身飛機在典型的一些火焰燒穿工況下的溫度場。

【關鍵詞】大型客機；輕量化設計；隔熱隔音；抗火焰燒穿

0 前言

對于民機行業來說，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，針對航空工業這一塊的蛋糕的爭奪已日趨白熱化。艙內噪聲作為衡量乘機舒適度的一個指標，在商業競爭中具有不可忽略的地位。提到艙內噪聲，就不得不提到隔熱隔音系統的設計。

發展機身復材化已經是大勢所趨，各種對復材的研究也如同雨后春筍一般遍地開花。復合材料為民機設計帶來的優勢有很多，在這里就不一一列舉，而本文關心的復合材料抗火焰燒穿性能就是可以為艙內降噪工作帶來巨大收益的一個不可忽略的關鍵特性。

1 隔熱隔音棉的輕量化設計

如圖1，隔熱隔音棉在飛機上的作用猶如一圈“保護層”，她在讓乘客們享受舒適安靜的艙內環境同時，還可以在飛機墜落燃燒等緊急情況當中防御火焰對艙內的侵蝕，形成防火焰包絡，保證外部火焰5分鐘之內不燒進客艙，為艙內乘客的逃離爭取寶貴的時間，保護乘客的生命安全。

大量的實例表明，貨艙地板以下，機身最底部區域，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，影響底部結構排水孔的排漏功能。需要進行改進優化設計。優化方案有但不限于：

（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，會獲得如下收益：

A）機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，原材料成本全機下降1/3，重量減少約30kg（單通道級飛機）；

B）機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，設計成本下降1/2， 重量減少8～12kg（按4000個安裝位置計算）；

C）機身件隔熱隔聲層安裝位置，采用卡片式或粘接式安裝件（相比機身隔框開孔與支架），避免結構強度的安全性評估（4000個開通孔位置），避免設計大量支架。

2 復材機身隔熱隔音系統輕量化設計

飛機底部抗火焰燒穿的輕量化設計的主體思路為：在深刻理解條款的基礎上，以機身整體為設計對象，尋求性能等效的切入點，實現飛機型號的輕量化設計。本設計源于金屬機身的C919，但可以通過優化設計，完全無縫推廣到同為金屬機身的ARJ21-700（減重約15～18kg）；采用相同的設計思路，基于復材基于復材機身抗火焰燒穿性能驗證通過基礎上，可以實現復材機身飛機整體的輕量化（預計最大可達150kg），具體思路如下圖3：

該思路形成一種民用飛機機體整體抗火焰燒穿設計構型，并在此基礎之上形成民用飛機機體整體抗火焰燒穿集成驗證方法，并逐步形成民用飛機機體整體抗火焰燒穿材料應用與設計構型庫。其中，對于支線飛機如ARJ21-700，防火方面的適航驗證思路已然成熟，對于例如C919的干線飛機，圖10為大體一致的驗證思路流程圖。

3 復材機身仿真

在進行設計與分析時，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證工作。

做試驗固然是獲得理論驗證的方法之一，然而從成本的角度來說，計算機數值模擬可以以一種更加經濟、更加直觀、更有說服力的方法展現試驗結果，讓試驗報告更有深度。如果要對整個艙段甚至全機進行燃燒試驗，那么數值模擬無疑是一個更好的選擇。

在進行數值仿真之前，我們需要做一些假設。復合材料有20%的耐火樹脂（熱解）和80%的耐火碳纖維，在燃燒過程中，復合材料的熱解燃燒導致火焰體積增加。假設風速為10m/s，風向為右。機身直徑3.6m，機身長度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），是由美國國家標準研究所建筑火災研究實驗室開發的一款開發的模擬火災中流體運動的計算流體動力學軟件。

下面三張分別是在t=5s、30s和180s時的仿真云圖。

幾個共性模擬結論：

（1）仿真結果和大部分實驗測量結果吻合較好。

（2）火焰形狀主要由燃料池尺寸、風速、風向決定。

（3）復合材料機身的實驗火焰體積比鋁機身的實驗火焰的大很多。

（4）復合材料機身表面火焰傳播速度隨風速增加，峰值可以達到0.6m/s。

5 總結

本文在充分理解條款的基礎上，對隔熱隔音棉的鋪設方式進行了輕量化設計，提高了飛機隔熱隔聲層及機腹底部區域結構的安全性與維護性，同時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）有了更大的設計空間，使得應用機型更加具有商業競爭力。

對于金屬機身：對于C919，全機重量可節省26.9kg；對于同為金屬機身的ARJ21-700，可推算得減重約為15～18kg。

對于復材機身：在基于復材基于復材機身抗火焰燒穿性能驗證通過基礎上，可以實現復材整體機身的輕量化，預計最大可達150kg。復合材料運輸機結構的相應外部防火問題，必須包括可存活的墜撞著陸后外部集中火焰的影響。機身結構應給乘客提供足夠的逃逸時間，且不會伴以火焰彌漫或釋放對逃逸乘客有毒或使燃燒加劇的氣體和/或物質。此外，還必須把這些考慮擴展到機翼和油箱結構，必須防止其結構崩潰或泄漏燃油（包括考慮燃油載荷對結構特性的影響）。對運輸類飛機來說，CCAR 25.856（b）的標準提供了建立所需安全性水平的基準。

[責任編輯：朱麗娜]endprint