飛機貨艙低壓環境模擬裝置設計

劉澳 郭文杰

摘要：在航空運輸中，飛機貨艙一旦著火，很容易造成嚴重的人員傷亡和財產損失。飛機高空飛行過程具有低壓、密閉的特點，其火災時的煙氣、溫度分布主要受壓力、火源位置及堆疊方式等因素的影響。為了使飛機貨艙火災得到有效的控制，本文對一個能夠完成飛機巡航狀態下，貨艙低壓環境的模擬裝置進行研究設計。設計尺寸及結構與真實飛機貨艙成一定比例關系，能夠有效模擬低壓環境下的火災發展機理。

關鍵詞：飛機貨艙;低壓環境;模擬裝置

近兩年來波音飛機不斷出現空中事故，且有兩次重大事故，機上所有乘客和飛行人員無一生還，這導致了波音飛機在全球范圍內大面積停飛，事實上在自動控制系統存在著重大隱患的波音737MAX之前，波音737客機一直擁有著不錯的口碑，所以波音737系列飛機是世界航空領域的典型。因此，本次設計以波音737-700客機前貨艙尺寸為依據，設計一個飛機貨艙低壓環境模擬裝置，貨艙由主體腔室、壓力控制系統、模擬火源和數據采集系統組成。壓力控制系統用于進氣和排氣的壓力控制。采用模擬火源對實際飛機火災進行模擬。

1 功能要求

根據前人對飛機貨艙火災煙氣特征及溫度分布規律的研究，得出火源位置和氣壓環境的變化是影響火災特征參數的重要因素，而火源位置又包括水平位置與抬升高度。為了便于對飛機貨艙低壓環境火災溫度分布與煙氣特征的研究，該飛機貨艙低壓環境模擬裝置主要能實現以下研究：

（1）研究不同壓力下貨艙火災煙氣分布及衰減規律

將火源放置模擬貨艙底部中央，改變腔室內環境壓力，模擬飛機巡航狀態下壓力從100kPa到70kPa的變化，記錄燃燒過程中腔室內溫度的變化，以及CO、CO2、O2的濃度。

（2）低壓環境下飛機貨艙火災時煙氣運動特征規律研究

固定貨艙中壓力為80kPa，分別研究水平起火點位置和火源高度對煙氣分布及衰減影響。

（3）低壓環境下飛機貨艙內物體自燃規律的研究

改變貨艙模擬裝置內部壓力，模擬飛機飛行過程中的壓力變化，選擇典型可燃物，記錄溫度變化以及物體自燃情況。

2 設計要求

2.1 外形尺寸與材料

（1）外形尺寸

以波音737-700客機前貨艙腔室內部尺寸為依據進行等比例縮小，貨艙原尺寸長4670mm、高1120mm，貨艙上下墻面寬度分別為3000mm和1220mm。在國內飛機貨艙模擬研究大都在全尺寸模擬裝置內進行，而在飛機貨艙小尺寸模擬裝置中開展的火災實驗研究還處于起步階段，結合前人通過數值模擬、理論推導等多種方式，證明實際尺寸和小尺寸煙氣及溫度變化參數結果相近，以及全比例能更好的還原飛機貨艙的火場環境等理論，本設計裝置尺寸按照實際尺寸10：1等比例縮小，即長467mm、高112mm、底部寬122mm、頂部寬300mm，如圖1。

（2）材料選取

材料選用需要滿足設計性能上的要求，包括力學性能、腐蝕性能、工藝性能（化學性能、物理性能和力學性能的綜合）。

現代飛機選材現狀研究分析表明，當前飛機較多使用的金屬材料為結構鋼和不銹鋼，雖作為結構材料的用量比例在減少，但對自重和承載力都極大的飛機來說，一些重要的成立構件都需要超高強度和高強度鋼。主要材料有：①鋁及其合金。鋁合金可用于制作承載力極大的機器零件或者構件，在當前航空航天結構材料的應用方面有著極其重要的作用。鋁合金密度小、綜合性能優良且成本較低，是當前飛機可選用的一種理想的結構材料;②鈦合金。鈦合金是一種很重要的新型結構材料，因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性強等特點應用于航空航天事業中。

由于鋁的熔點比較低，鋁和鋁合金的使用溫度不能超過200℃，因此其高溫的使用受到限制，考慮到設計成本，鈦合金價格昂貴，不適合于制作，所以本設計貨艙內殼采用巖棉板，外殼選用優質不銹鋼板。巖棉板因其優質的保溫、防火等性能而成為保溫材料界的耀眼明星，備受建筑業的重視。

2.2 通風設置

民機飛行過程中通風主要依靠頂板空調系統，氣流由上部的通風口向下流動，通過側壁的空調格柵進入貨艙，使得火災時產生的煙、熱不易排出，而熱量的積累使受限空間內的熱系統失衡，易導致空間內溫度驟升，較其他受限空間更早發生轟燃。飛機飛行過程中艙門必須保持關閉，此時一旦發生火災，通風系統幾乎對煙氣運動沒有影響;而一旦飛機停止飛行艙門打開乘客進行疏散，此時客艙內部通過艙? 門與外界進行氣流交換，這種情況下火災煙氣運動受艙門通風的影響變化較大。

前人對飛機貨艙內煙氣運動規律的研究大多都是在無風環境下進行的，裝置本身不設置通風系統。但是，在強制通風下，貨艙內氣流會出現強制對流，改變煙氣流動場，進而改變頂棚下方煙氣特征，最終影響火災探測器採測到的火災信號。

因此，本設計設置了通風系統整流裝置，依據艙門大小、內部機構、主承力結構的位置，確定通風口的位置。通風系統由通風管和整流網構成，整流網由蜂窩狀的金屬網構成，頂棚下方設置整流網，它利用密集的微小網孔的阻尼作用，降低氣流紊流度，提高流場速度分布的均勻性，保證進入貨艙空氣的流場均勻，減少壓力分布不均導致的容器內參量的變化，進而提高火災分布規律研究的準確性。主體腔室設置一層整流網，厚度為5mm，距頂板20mm，整流網通過螺栓固定在艙體內部。

3 結語

火災煙氣釋放情況隨著火災場景的改變而發生變化，環境溫度、壓力、氧濃度、通風情況等的變化對于材料的點火過程、火焰的蔓延傳播、以及火災煙氣的種類和濃度等都將產生重要影響。隨著航空航天技術的高速發展，高空低壓、低氧等特殊環境下的火災安全防治問題逐步凸顯，本文的設計為高空低壓環境下飛機火災預防具有重要意義。