民用直升機貨艙和行李艙內襯耐火試驗適航驗證方法研究

鄭秀艷，辛 勃

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

一直以來，火災都是航空領域備受關注的安全性問題。歷史上已經發生數起因貨艙和行李艙著火而導致災難性事故的案例，貨艙內襯的防火能力對于航空器設計而言至關重要，是避免火勢蔓延和保護航空器部件(線纜、管路)、結構、乘客、機組不受貨艙內部火災傷害的重要防線。與運輸類飛機根據一系列試驗室試驗結果制定貨艙和行李艙材料的火焰穿透試驗標準并給出詳細的試驗指南的做法不同，民用直升機適航規章直接在CCAR27.855和CCAR29.855中規定了非小型可達貨艙和行李艙應滿足耐火的要求，然而并沒有給出詳細的驗證方法說明。

我國沒有自主研制過非金屬材料的貨艙和行李艙，更沒有針對非金屬材料貨艙和行李艙進行適航取證。因而，不能準確理解耐火的涵義，更不清楚耐火試驗的驗證方法、驗證要素和考核標準。本文根據旋翼航空器適航規章的相關要求，對民用直升機貨艙用內襯材料的耐火要求及適航符合性驗證方法進行了研究，給出了耐火要求的詳細解析和可參考的適航驗證指南，研究結果可為后續新研直升機貨艙和行李艙的設計和適航符合性驗證提供參考。

1 耐火要求解析

美國聯邦航空局(FAA)在其聯邦法規Part 1[1]的第1.1節給出了耐火的通用性定義：

1)對于板金件或結構件，意味著在尺寸適合其使用目的的情況下，至少像鋁合金那樣承受著火產生的熱量的能力；

2)對液體傳輸管路、液體系統部件、導線、空氣導管、接頭和動力裝置操縱器件而言，意味著當相關位置著火時，其在著火可能產生的熱量和其他條件下仍能執行其預期功能的能力。

該定義雖然給出了衡量耐火可燃性的定性要求，并沒有給出適航驗證時可參考和可執行的定量要求，如溫度等級、持續時間(暴露時間)等。耐火要求的核心在于保證某結構在其安裝部位可能出現的火情條件下能夠執行預定功能。為此，在進行直升機貨艙和行李艙耐火適航驗證時，還應確定耐火的兩個核心要素，一是貨艙和行李艙可能出現的火情條件，二是在該火情條件下內襯應發揮的預定功能。

1.1 火情條件

相關資料研究表明[2]，由于JP-4噴射燃料燃燒而引起的大火，其溫度很少有超過1800℉的情況，試驗中記錄的最高溫度為2100℉；2000℉的溫度最能夠代表燃料和空氣非預混合條件下的火焰溫度。基于此結論，FAA的咨詢通告AC20-135[3]采用了此溫度來衡量動力裝置安裝結構的耐火性能，指出當將耐火一詞用于考核動力裝置安裝結構的燃燒性能時，是指材料或部件能夠承受2000℉(±150℉)的火焰至少5分鐘。

對于非燃料和空氣混合情況下的著火，可以并且應該采用同一衡量標準來描述火情條件，因此，直接參考FAA針對動力裝置安裝部件的耐火試驗標準來確定貨艙和行李艙的火情條件，即2000℉(±150℉)，而這與咨詢通告AC29.859[4]對燃燒加溫器防火要求的解釋相一致。

1.2 預定功能

適航規章針對貨艙和行李艙提出耐火要求的目標是減少航空器事故中因材料燃燒導致的死亡。主要目的是，通過要求內襯具備直接承受、包容和孤立火焰(不被燒穿)的能力來防止火勢蔓延，從而為機組和旅客在飛行中萬一發生著火提供適當的保護，直至成功控制火勢或者直至旋翼航空器完成自轉安全著陸并成功撤離。火災產生的后果會因持續時間的不同而不同，貨艙和行李艙的功能也是一定時間內的火焰承受能力。根據飛機貨艙的全尺寸試驗結果[5]，火災通常會在起火后的小于5分鐘的時間內因氧氣消耗而減至燜火狀態。同時，5分鐘時間通常能夠為機組識別火災情況和采取措施進行可控制的自轉著陸提供充足的時間。從而，貨艙和行李艙內襯的預定功能是應直接承受火焰5分鐘時間不被燒穿。

綜上，當將耐火應用于直升機貨艙和行李艙內襯材料時，是指必須能夠承受2000℉(±150℉)火焰的直接沖擊至少5分鐘而不被燒穿。

2 適航驗證考慮

2.1 機艙防火原理

眾所周知，材料燃燒的三要素為可燃物、助燃物(氧氣)及溫度要達到材料的燃點-熱量，即燃燒必須具備以下三個充分條件：

1)可燃物：可以是液體、氣體或者固體；

2)必須有足夠數量的氧氣：當氧氣含量較低時，可燃物燃燒便十分緩慢，甚至熄滅；

3)著火源必須具有一定的溫度和熱量：當溫度達到可燃物的燃點及其燃燒所需的熱量時，材料燃燒；而當溫度達到可燃物的燃點，但卻缺乏足夠的燃燒熱量時，可燃物不能燃燒。

根據以上燃燒條件，燃燒必須同時具備3個要素才能發生，缺少任何一個條件，都不可能產生燃燒現象。由此，控制貨艙和行李艙內火情，減少著火危害的主要措施就是破壞燃燒三要素的相互結合。由于貨艙和行李艙內裝卸的行李貨物通常為可以燃燒的物品，不可控制和改變，因此，實際中可具體通過以下兩種方式實現貨艙和行李艙的防火設計：

1)減少機艙內的氧氣含量，使材料缺少助燃物而不能被點燃。良好的密封性能限制機艙內外部空氣的流動，從而減少氧氣來源。為了實現這一目標，貨艙和行李艙設計必須具有足夠好的密封性能：一方面，在貨艙設計之初保證其密閉性，機艙不應有與外界接觸的較大開口，以防大量空氣進入；另一方面，即使發生大火，貨艙內襯材料也不會被燒穿。從而大火耗盡機艙內的有限的氧氣后，便因缺少足夠的氧氣而不能繼續燃燒，大火被控制至燜火狀態。

2)選擇高燃點和高燃燒熱量的貨艙內襯材料：材料的燃點以及燃燒所需的熱量越高，點燃其所需的溫度就越高，相同溫度下使其燃燒所需的時間就越長。因此，貨艙內襯材料必須具有足夠高的燃點和足夠高的燃燒熱量(大于從開始著火到減至燜火狀態的時間內吸收的熱量)，以便在大火減至燜火狀態前因未達到其燃點或燃燒熱量而不能被點燃，從而包容住艙內火焰。

綜上，減少貨艙和行李艙著火危害的根本在于貨艙內襯材料的良好的火包容能力，即較好的耐火性能，對于材料耐火性能的證明，通常是通過航空器典型結構的燃燒性能試驗進行驗證。

2.2 耐火試驗驗證要素

除非用鋁制內蒙皮材料或金屬材料作為貨艙和行李艙內襯，否則貨艙和行李艙內襯材料的耐火特性，必須通過試驗來表明其對適航規章的符合性。但適航規章中并未給出耐火試驗的試驗方法，必須參考其他文獻定義的耐火材料標準進行。FAA咨詢通告或相關研究報告提供了適航當局針對其他動力裝置安裝等結構的可接受的耐火試驗方法和程序：

1)《動力裝置技術報告No.3A：軟管組件標準燃燒試驗設備和程序》[6]

2)AC20-135《動力裝置安裝和推進系統部件火防護試驗方法、標準和準則》

3)《航空器材料燃燒試驗手冊》[7]

4)AC33.17-1A《發動機防火》[8]

根據對上述文獻的研究，對于不同考核對象，耐火試驗的區別主要在于安裝方式和安裝環境不同，以及試驗判據略有差別。綜合考慮貨艙耐火試驗要求和防火原理，給出了貨艙和行李艙耐火試驗的主要驗證要素。

本文利用數據包絡分析法（DEA）理論框架中較為前沿的Epsilon-Based Measure（EBM）模型對中國工業行業的低碳全要素生產率進行評價。該模型是對傳統DEA理論的重大突破，吸收了徑向模型（CCR、BCC等）和非徑向模型（以SBM模型為代表）的優點，在決策單元相對效率的評價上更具優勢，評價結果更為客觀可靠［20-21］。還參考雷明等的做法，引入動態要素，構建動態EBM-MI指數模型對中國工業行業的低碳全要素生產率進行測算［22］，分別從縱向時間序列和橫向行業角度對測算結果進行分析，并據此提出相應的政策建議。

2.2.1 火焰溫度和熱通量

燃燒試驗必須能夠模擬最可能發生的火災環境，以真實考核貨艙和行李艙材料的耐火性能。根據對耐火要求的適航性解析，2000℉(±150℉)的火焰溫度最能代表貨艙和行李艙著火環境溫度。因此，除非另有證明，否則試驗中應采用的火焰溫度為2000℉(±150℉)。

此外，火焰的熱通量也是影響物體燃燒的一個重要因素。物體吸收的熱量等于火焰的熱通量密度乘以火焰的持續時間。在材料不被燒穿的情況下，火焰的熱通量密度越大，說明相同時間內材料吸收的熱量越多，即材料的耐火性也就越好。

根據咨詢通告AC20-135及《動力裝置技術報告No.3A：軟管組件標準燃燒試驗設備和程序》[3]，火焰的熱通量至少為10.6W/cm2(9.3Btu/ft2/s，以熱量計測時)或至少為4500Btu/hr(以換熱器測時)。

2.2.2 試驗持續時間

貨艙和行李艙防火的主要目的是對機組和乘客提供適當的保護。通常，5分鐘的火焰暴露時間足以讓機組識別火情和采取動作，也足以使密閉機艙內的燃燒的材料因氧氣耗盡而減至燜火狀態。因此，采用5分鐘的試驗持續時間來衡量貨艙內襯材料耐火性能，足以保證航空器的安全性。

2.2.3 燃燒器類型

燃燒器類型是影響試驗成敗的關鍵因素。首先，燃燒器設備必須能夠產生滿足2.2.1火焰溫度和熱通量要求的標準火焰；其次，燃燒器火焰必須能包住試驗件或覆蓋試驗件的典型部位(比如連接接頭)。

2.2.4 試驗設計

試驗件設計應能代表航空器設計的典型設計，如鋪層設計、表面涂層、連接方式等。每個典型部位的試驗件數量均應為3件。試驗安裝應模擬典型的機上安裝方式。

對于貨艙和行李艙面板，如適用于具體應用，則10×10 in2(254×254mm2)的試驗件尺寸是可接受的，此時燃燒器應至少能在5×5 in2區域內維持標準的火焰溫度和熱通量。

2.2.5 試驗判據

試驗件暴露于2000℉(±150℉)火焰溫度下的5分鐘內，能夠承受火焰且背面沒有火苗穿透現象發生。

3 工程應用

某型民用直升機的貨艙和行李艙位于過渡段的5-8框，根據適航規章，必須滿足耐火要求。該型直升機貨艙和行李艙的結構設計構造為，除5框中的部分結構、貨艙門以及8框通道門為玻璃纖維蜂窩夾層復合材料結構外，貨艙中所用的其余材料均為金屬材料或者是帶有鋁制內蒙皮的復合材料結構。由于鋁制內蒙皮和金屬材料能夠滿足耐火要求，因此，試驗只需要再考察貨艙門、8框通道門和5框中部分結構的耐火性能。

3.1 試驗依據

上述咨詢通告給出的耐火試驗指南或者適用于軟管組件，或者適用于動力裝置或推進系統部件。雖然這些文件定義的耐火試驗方法趨同，但是由于其適用的試驗對象與本文所述的對象——貨艙和行李艙內襯在直升機上的具體安裝環境及所起的功能與作用不同，因此，耐火試驗的考慮因素有所不同，試驗成功與否的考核標準也就有所不同。從而，當參考上述文件進行貨艙內襯耐火試驗時，必須有選擇地參考，合理制定具體試驗程序。

ISO2685《航空器機載設備環境試驗程序——指定火區耐火性》是為滿足指定火區內部件、設備和結構的最低耐火性等級要求而制定的國際通用標準，其適用對象為指定火區內的所有部件、設備和結構件。對比耐火試驗參數發現，ISO2685定義的耐火試驗參數與咨詢通告中給出的試驗參數相同或者更嚴酷(熱通量密度標準為11.6W/cm2(±1 W/cm2))，主要試驗過程、試驗標定過程等效。因此，最終依據標準ISO2685標準針對某型直升機開展耐火試驗，適航當局予以接受。

3.2 試驗件設計

試驗件設計必須是能夠代表貨艙門、8框通道門和5框真實裝機結構的典型結構。以8框為例，說明耐火試驗件的設計過程。

如圖1所示，某型直升機的8框通道門主要由上連接面板、下連接面板和中間的連接區域組成。上、下兩塊面板所用材料均為玻璃纖維蜂窩夾層結構，而且玻璃纖維層壓板的鋪層順序和蜂窩的選用標準均相同。因此，以其中的上面板的構造設計試驗件，可以同時考核上、下兩塊面板的耐火性。同時，注意到中間連接區域的構造與上下面板的構造不同，因此為了考核中間連接區域的耐火和變形密封性能，以此部分結構的設計構造制造了耐火試驗件(見圖2)，螺釘的連接間距與真實裝機結構相同。連接區域的結構沒有蜂窩，只是單純的層壓板，因此，為了充分考核連接處的耐火性能，以層壓板的鋪層順序制造了試驗件。綜上，試驗共選取了能代表8框通道門典型結構的3組試驗件進行了耐火試驗，每組試驗件數量為3件。

圖1 某型直升機8框結構示意圖

圖2 連接區域試驗件簡圖

3.3 安裝設計

試驗件的安裝必須模擬真實的裝機狀態。對于貨艙和行李艙內襯，其安裝比較簡單，直接用螺栓安裝于垂直架上即可(見圖3)。但是對于考核中間連接區域的試驗件，需要注意上下面板在連接處的疊層順序。

對每組試驗件施加火焰5分鐘后移走火源，試驗件背面沒有火焰穿透現象發生，證明了某型直升機貨艙內襯材料的耐火性能，即驗證了其對適航規章的符合性。

圖3 試驗件安裝圖

4 結束語

我國民用直升機的研制尚處于起步階段，對適航規章條款的理解和如何表明符合性方面的經驗非常有限，尤其是沒有進行過民用直升機貨艙和行李艙的適航取證。本文從旋翼航空器適航規章針對貨艙和行李艙規定的耐火定性要求出發，結合對該規定背后隱含的本質目的的理解，從火情條件和預定功能兩方面解析確定了耐火的定量指標要求。進一步地，通過對機艙防火設計原理的探討，給出了貨艙和行李艙防火設計考慮和耐火試驗適航驗證要素。研究結果指導了某型民用直升機的適航取證，并可用于后續新研直升機的適航取證。