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摘要：為了盡早檢測和預(yù)防機艙火災(zāi)，選取飛機座椅面料及艙壁材料作為實驗試樣，在四川廣漢（96kPa）和康定機場（61kPa）進行燃燒對比實驗。測量試樣的質(zhì)量損失比、煙密度、煙氣成分及火焰形態(tài)，以探討低壓對典型機艙內(nèi)飾材料燃燒特性的影響。實驗結(jié)果表明：低壓下試樣的質(zhì)量損失比小于常壓；低壓下煙密度值快速升高并維持在較高值變化；低壓下的煙密度峰值約為常壓下煙密度峰值的2倍；盡管CO和CO2峰值出現(xiàn)時間基本一致，但在兩種壓力條件下CO和CO2濃度變化差異非常明顯。

關(guān)鍵詞：航空安全；低壓環(huán)境；內(nèi)飾材料；燃燒特性；阻燃

織物飛機上高分子內(nèi)飾材料多易燃，當(dāng)發(fā)生燃燒時會產(chǎn)生大量煙霧和有毒氣體，嚴重威脅民機飛行安全［1］。因此，研究飛機內(nèi)飾材料的燃燒特性對于民航運輸安全具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計，每架飛機大約要使用幾百kg的各類內(nèi)飾材料［2］。根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的規(guī)定，飛機在高空飛行時艙內(nèi)壓力處于75～84kPa的低壓環(huán)境。因為材料的極限氧指數(shù)（LOC）不僅由傳熱機制決定，也由化學(xué)動力學(xué)機制決定［3］，所以機艙的內(nèi)飾材料的燃燒特性較常壓環(huán)境下會發(fā)生變化［4］。國內(nèi)外學(xué)者對固體材料在低壓下的燃燒特性進行了大量的研究。王潔等［5］對飛機貨艙在低壓環(huán)境下的火災(zāi)進行了研究，發(fā)現(xiàn)CO濃度最大值隨環(huán)境壓力的降低而增加，且CO增長速率與壓力呈負指數(shù)關(guān)系，CO2增長速率隨著壓力降低而略有減小。Fereres等［6］研究了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）燃燒，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的減小，材料的點火延遲時間和臨界質(zhì)量流量都減少［7］。Osorio等［810］在13～100kPa壓力及21％～75％氧濃度條件下對阻燃織物進行燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的減小，維持有焰燃燒所需的最低氧濃度增加。Thomsen等［3］在對阻燃材料進行極限氧濃度燃燒測試時發(fā)現(xiàn)，外部輻射熱流的增加可以有效降低燃燒對氧濃度的需求。Rasbash等［11］研究了低氧濃度條件下沿木材豎直向上火蔓延和水平方向火蔓延，發(fā)現(xiàn)隨氧含量降低，火蔓延速率、火焰高度和寬度都減小。Klein－h(huán)enz［12］研究了木材在不同環(huán)境條件下的向下火蔓延，發(fā)現(xiàn)火蔓延速率隨環(huán)境壓力的降低而減小。Joo等［13］在高壓燃燒室進行甲烷燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)煙顆粒濃度與環(huán)境壓力有很強的依賴關(guān)系。Dai等［14］運用模擬與實驗的方法研究壓力對木材燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外部輻射條件相同時，木材的質(zhì)量損失率隨著氣壓的降低而增大［15］。國內(nèi)外在低壓下研究燃燒特性時，大多針對特定材料開展研究，如民用建筑、氣體／液體燃料或外太空艙環(huán)境。對航空織物的燃燒測試大都是在常壓環(huán)境下進行的，關(guān)于飛機艙內(nèi)材料在低壓下燃燒特性的研究甚少。本文作者自行設(shè)計實驗，測量典型機艙材料在不同環(huán)境壓力下燃燒的質(zhì)量損失比、煙密度、煙氣成分及火焰形態(tài)，研究低壓環(huán)境對飛機艙內(nèi)材料燃燒特性的影響，為飛機艙內(nèi)火災(zāi)煙氣探測與人員疏散提供理論支持。

1實驗設(shè)置

1．1實驗樣品飛機機艙內(nèi)的可燃內(nèi)飾材料數(shù)目繁多［16］。在前期大量實驗的基礎(chǔ)上，考慮到材料的獲取條件及經(jīng)濟成本，選取國內(nèi)某大型航空公司客機用座椅面料（40羊毛／60阻燃粘膠纖維，h＝1mm，ρ＝620g／m2）、艙壁材料（玻璃纖維酚醛樹脂，h＝2mm，ρ＝2000g／m2）作為實驗試樣。根據(jù)實驗測試平臺的要求裁剪試樣，尺寸為25．4mm×25．4mm。

1．2實驗平臺搭建實驗在康定機場低壓環(huán)境下的高高原航空安全實驗室（61．0kPa，15℃，濕度50％）和四川廣漢平原地區(qū)常壓環(huán)境下的航空消防實驗室（96．0kPa，17℃，濕度50％）中進行。基于煙氣分析儀（OPTI－MA7）和煙密度測試儀（JCY－3雙控測試儀）搭建機艙材料燃燒特性測試綜合實驗平臺，實驗布置如圖1所示。煙密度測試儀所用燃料為純度大于85％的丙烷氣體。將選取的實驗試樣放置在夾具的中心位置；將煙氣分析探頭布置在煙密度測試儀的上方，使之與試樣的中心位置對正且相距0．5m；將燃燒噴燈布置為45°傾角，在保證火焰對試樣持續(xù)加熱的同時又不影響實驗燃燒剩余產(chǎn)物的收集。根據(jù)材料的種類分為2組試驗。為減小試驗誤差和偶然因素影響，每組試驗重復(fù)3次，取3次試驗的平均值進行對比分析。數(shù)據(jù)分析過程中使用誤差棒表示實驗的重復(fù)性。

1．3實驗程序和步驟實驗流程如圖2所示。實驗前，將試樣放置在40℃和相對濕度為45％～55％的干燥箱內(nèi)處理24h。每次使用前，打開照明系統(tǒng)并保持15min，使系統(tǒng)處于預(yù)熱狀態(tài)。開始實驗時，先關(guān)閉照明系統(tǒng)，再關(guān)閉通風(fēng)排氣系統(tǒng)，然后用透光率為25％、50％和75％的玻璃鏡片對儀器進行校準。校準完畢后，打開丙烷鋼瓶，調(diào)節(jié)實驗平臺中的控制面板，使丙烷鋼瓶的供氣壓力處于0．27～0．28MPa之間。煙氣分析儀在正式使用前需進行零點校準，以保證測試結(jié)果的準確性。對試樣進行4min燃燒實驗。燃燒結(jié)束后，為使箱體內(nèi)氣體充分混合以保障氣體檢測的有效性，待氧氣體積分數(shù)上升到13％后再進行排煙通風(fēng)操作。試樣在燃燒前后都需進行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)式（1）計算質(zhì)量損失比φ，式中：m1是燃燒前總質(zhì)量；m2是燃燒后的質(zhì)量。在常壓和低壓環(huán)境下重復(fù)上述操作，記錄相應(yīng)條件下試樣的質(zhì)量損失比、煙密度、煙氣成分、火焰形態(tài)。

2實驗結(jié)果與分析

2．1質(zhì)量損失比及火焰形態(tài)分析圖3為兩種典型機艙材料燃燒前后的圖像對比。試樣在燃燒后表面覆有炭黑顆粒層而呈現(xiàn)黑色；在常壓和低壓環(huán)境下，材料燃燒后的剩余產(chǎn)物在形態(tài)上基本一致，僅能通過測量質(zhì)量損失反映兩者的差異。圖4給出了兩種典型機艙材料燃燒過程中的質(zhì)量損失比變化。可以看到，兩種典型機艙材料在常壓下的質(zhì)量損失比大于在低壓下的質(zhì)量損失比；座椅面料的質(zhì)量損失比大于艙壁材料的質(zhì)量損失比。圖5為兩種典型機艙材料在100s時的燃燒火焰圖像。低壓環(huán)境下兩種典型機艙材料燃燒時的火焰高度均要高于常壓環(huán)境。艙壁材料在低壓環(huán)境下燃燒時，火焰底部呈現(xiàn)藍色；而在常壓下燃燒時，火焰總體呈現(xiàn)明黃色。座椅面料在低壓下燃燒時火焰底部邊緣呈現(xiàn)藍色，而在常壓下燃燒時黃色火焰占火焰總高度比例增加。固體可燃物燃燒是一個包括固相熱解和氣相燃燒的物理化學(xué)過程，這一過程對火災(zāi)初期的發(fā)展至關(guān)重要［1719］。因為座椅面料和艙壁材料經(jīng)過阻燃處理，所以材料內(nèi)部的阻燃劑會吸收部分熱量，使阻燃織物釋放的熱量大大降低；此外，阻燃劑從整體上抑制了可燃性裂解產(chǎn)物的生成，促使阻燃材料的質(zhì)量損失比降低。由于座椅面料為毛紡織物，其質(zhì)密性小于艙壁材料，因此燃燒時質(zhì)量損失比要大。炭化固體可燃物在熱解后，會形成以炭化層為主要成分的固體殘留物覆蓋在固體可燃物表面，對固體內(nèi)部的熱解產(chǎn)生了一定的阻礙作用，而固體內(nèi)部的熱解氣體需要通過炭化層析出表面才可以繼續(xù)燃燒［20］。常壓環(huán)境下的氧濃度更高，加速了對炭層的氧化而促進熱解反應(yīng)的進行，進而使得相同材料在固定時長下燃燒時，常壓環(huán)境下的質(zhì)量損失速率更大。由圖5可以看出，實驗中的火焰有兩個顯著的部分，一部分是藍色的火焰，另一部分是黃色的明亮火焰。隨著壓力的降低，藍色火焰占火焰總高度比例逐漸增加，而黃色火焰占火焰總高度比例逐漸減少，如圖5a、5c所示。火焰中逐漸減少的黃色明亮部分暗示了炭黑在低壓條件下的生成增加。炭黑顆粒顯著增加發(fā)生在擴散火焰的中間部位，在凝聚和團聚后持續(xù)增加。在炭黑顆粒穿過該區(qū)域后，氧化反應(yīng)成為主導(dǎo)因素［21］。由于低壓環(huán)境下，空氣密度低導(dǎo)致浮力羽流減少，卷吸空氣流量減少［22］，因此炭黑顆粒不能獲得完全氧化，將出現(xiàn)炭黑顆粒翼，并釋放炭黑顆粒產(chǎn)物。如果在發(fā)煙擴散火焰中沒有形成炭黑顆粒翼，那么擴散火焰頂端的結(jié)構(gòu)將會變?yōu)闆]有清晰尖端的圓錐狀火焰。圖5中，在火焰頂端，火焰的顏色從黃色變成黑色；同時，固態(tài)炭黑顆粒在黑色區(qū)域向周圍環(huán)境擴展。

2．2煙密度分析圖6給出了兩種典型機艙材料燃燒過程中的煙密度變化。從圖6a中可以看到，常壓環(huán)境下座椅面料煙密度在前70s內(nèi)持續(xù)增加，并在70s時達到最大值36．78％，然后煙密度呈逐漸減小的趨勢；而61kPa低壓環(huán)境下，煙密度在前60s內(nèi)先快速增加，然后維持較大幅度的變化，最大達到71％。從圖6b中可以看到，常壓環(huán)境下艙壁材料煙密度在0～1．5min內(nèi)持續(xù)增加，并在90s時達到最大值21．45％，然后煙密度呈緩慢減小的趨勢；在61kPa低壓環(huán)境下，煙密度在前70s內(nèi)先增加，達到最大值35％，然后維持較小幅度的變化。根據(jù)圖5可知，兩種典型機艙材料在61kPa低壓環(huán)境下的煙密度峰值均約為常壓環(huán)境下煙密度峰值的2倍。炭黑顆粒表面氧化反應(yīng)的總反應(yīng)速率常數(shù)k可以用Arrhenius形式表示為式中：A是指前因子；E是活化能，kJ／mol；YO是氧化劑摩爾濃度，mol／m3；n是反應(yīng)級數(shù)；T是溫度，K；R是摩爾氣體常量，J／（mol•K）。Essenhigh進一步將其表示為吸附過程的反應(yīng)速率和離解過程的反應(yīng)速率［22］，式中：ka是分解過程的反應(yīng)速率常數(shù)，kd是離解過程的反應(yīng)速率常數(shù)。環(huán)境壓力降低將會導(dǎo)致空氣中的氧濃度降低，結(jié)合方程（2）、（3）可見，炭黑顆粒表面的氧化反應(yīng)速率會下降。阻燃材料在裂解時，產(chǎn)物中醇、醛、酯和醚類物質(zhì)會減少，呋喃類和核葡聚糖增多。呋喃類環(huán)狀化合物比較穩(wěn)定，且碳氫比值大，有較大的炭化傾向［23］。可燃性裂解產(chǎn)物減少和阻燃劑本身吸收部分熱量，使阻燃織物釋放的熱量減少，延緩了纖維的繼續(xù)裂解。艙壁材料（玻璃纖維酚醛樹脂）具有耐高溫性，即在高溫下也能保持其結(jié)構(gòu)的整體性和尺寸的穩(wěn)定性；而座椅面料為毛紡織物，其質(zhì)密性小，在燃燒時會產(chǎn)生大量的煙氣，導(dǎo)致其煙密度的上升速率大于艙壁材料。

2．3煙氣成分分析圖7和8分別給出了兩種典型機艙材料燃燒產(chǎn)生的CO和CO2體積分數(shù)變化。由圖7a可知，0～3min內(nèi)，座椅面料在低壓下產(chǎn)生CO的速率小于常壓；在3～4．3min內(nèi)，座椅面料燃燒產(chǎn)生的CO迅速上升，在4．3min時基本達到最大值1．115‰。另外，常壓下CO的變化會出現(xiàn)2個峰值。由圖7b可知，CO的產(chǎn)生量在常壓和低壓下的變化趨勢基本一致，都是先增加后變小，但低壓下CO的產(chǎn)生量大于常壓下。從圖8a中可以看到，座椅面料在低壓和常壓下燃燒產(chǎn)生CO2的變化曲線都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在4．6min附近達到各自的峰值7．5％和9．6％。從圖8b中可以看到，艙壁材料在0～1min內(nèi)，低壓與常壓環(huán)境下CO2的變化曲線很接近；但在1～5．1min內(nèi)，低壓下CO2產(chǎn)生量大于常壓下。高原環(huán)境下，由于燃燒主要是在低氧狀態(tài)下進行的，因此燃燒過程由以下3個反應(yīng)主導(dǎo)［23］：隨著氧濃度的降低，式（5）和（6）反應(yīng)占的比例增加，反應(yīng)生成大量的CO。在常壓下，因為可燃物裂解到燃燒的時間要短，裂解氣釋放的量更多，且此時氧含量充分支持燃燒的進行，所以CO的含量不至于出現(xiàn)急劇上升；阻燃材料在燃燒分解時，由于火焰?zhèn)鞑囟炔粩嗌仙沟脽岱纸飧鼮閺氐祝虼薈O會出現(xiàn)2個峰值，且第2個峰值高于第1個峰值。在火焰擴散燃燒中，壓力對煙羽流中CO濃度的影響還表現(xiàn)為影響煙羽流中卷吸空氣的質(zhì)量。由理想軸對稱浮力羽流模型［22］可知，在任何給定的高度上，羽流的最高溫度和最高速度都在羽流的中心；因此，基于Heskestad羽流模型，通過求解質(zhì)量方程、動量守恒方程和浮力方程，估算了弱浮力羽流的質(zhì)量流量（kg／s）［22］。式中：Qc是熱釋放速率中的對流部分，kW；z是距離火源的高度，m；z0是虛點源的位置，m；g是重力加速度，m／s2；ρ∞是環(huán)境空氣的密度，kg／m3；cp是空氣比熱容，kJ／（kg•K）；T∞是環(huán)境空氣的溫度，K。環(huán)境壓力降低會導(dǎo)致空氣密度的減小；結(jié)合方程（7）可見，煙羽流中卷吸的空氣質(zhì)量流量me減少，無法滿足CO與O2的反應(yīng)需求，導(dǎo)致CO的含量急劇上升，至陰燃結(jié)束達到最高1．115‰，遠遠超過常壓下CO的含量。同時，由于阻燃織物中的阻燃劑對纖維的脫水、炭化有催化作用，阻止了左旋葡萄糖的生成，從而減少了可燃性裂解產(chǎn)物的生成，促使H2O、CO2和固體殘渣量增多［23］。因為煙氣在箱體內(nèi)充分擴散均勻需要一定時間，所以在4min燃燒結(jié)束時CO和CO2含量并未立即達到各自的峰值。

3結(jié)論

本文通過在四川廣漢平原地區(qū)96kPa常壓環(huán)境和高原地區(qū)的康定機場61kPa低壓環(huán)境下開展兩種典型機艙材料燃燒實驗研究，并進行理論分析，得到如下結(jié)論：1）在相同的燃燒時間內(nèi)，低壓環(huán)境下機艙材料的質(zhì)量損失比小于常壓環(huán)境。2）低壓環(huán)境下炭黑生成量大于常壓環(huán)境，當(dāng)環(huán)境壓力降低時，底部藍色火焰占火焰總高度比例增加，而黃色火焰占火焰總高度比例減少。3）低壓環(huán)境下機艙材料煙密度持續(xù)增加并維持在最大值附近變動，而常壓下的煙密度先增大后緩慢減小。機艙材料在低壓環(huán)境下的煙密度峰值均約為常壓環(huán)境下煙密度峰值的2倍。4）低壓環(huán)境下機艙材料燃燒產(chǎn)生的CO2速率大于常壓環(huán)境下；而座椅面料產(chǎn)生CO的速率在0～3min內(nèi)低于常壓環(huán)境下，在3～4．3min內(nèi)CO產(chǎn)生量迅速上升且大于常壓環(huán)境。座椅面料與艙壁材料兩種材料燃燒實驗中CO和CO2達到峰值的時間基本一致。

作者：劉全義 孫中正 呂志豪 賈旭宏 智茂永 張輝 單位：中國民用航空飛行學(xué)院