不同壓力下機艙材料燃燒特征實驗研究范文

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摘要：為了盡早檢測和預防機艙火災，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。測量試樣的質量損失比、煙密度、煙氣成分及火焰形態，以探討低壓對典型機艙內飾材料燃燒特性的影響。實驗結果表明：低壓下試樣的質量損失比小于常壓；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。

關鍵詞：航空安全；低壓環境；內飾材料；燃燒特性；阻燃

織物飛機上高分子內飾材料多易燃，當發生燃燒時會產生大量煙霧和有毒氣體，嚴重威脅民機飛行安全［1］。因此，研究飛機內飾材料的燃燒特性對于民航運輸安全具有重要意義。據統計，每架飛機大約要使用幾百kg的各類內飾材料［2］。根據美國聯邦航空管理局（FAA）的規定，飛機在高空飛行時艙內壓力處于75～84kPa的低壓環境。因為材料的極限氧指數（LOC）不僅由傳熱機制決定，也由化學動力學機制決定［3］，所以機艙的內飾材料的燃燒特性較常壓環境下會發生變化［4］。國內外學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境下的火災進行了研究，發現CO濃度最大值隨環境壓力的降低而增加，且CO增長速率與壓力呈負指數關系，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，發現隨著壓力的減小，材料的點火延遲時間和臨界質量流量都減少［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，發現隨著壓力的減小，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現，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，發現隨氧含量降低，火蔓延速率、火焰高度和寬度都減小。Klein－henz［12］研究了木材在不同環境條件下的向下火蔓延，發現火蔓延速率隨環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，發現煙顆粒濃度與環境壓力有很強的依賴關系。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，發現當外部輻射條件相同時，木材的質量損失率隨著氣壓的降低而增大［15］。國內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境。對航空織物的燃燒測試大都是在常壓環境下進行的，關于飛機艙內材料在低壓下燃燒特性的研究甚少。本文作者自行設計實驗，測量典型機艙材料在不同環境壓力下燃燒的質量損失比、煙密度、煙氣成分及火焰形態，研究低壓環境對飛機艙內材料燃燒特性的影響，為飛機艙內火災煙氣探測與人員疏散提供理論支持。

1實驗設置

1．1實驗樣品飛機機艙內的可燃內飾材料數目繁多［16］。在前期大量實驗的基礎上，考慮到材料的獲取條件及經濟成本，選取國內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常壓環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加熱的同時又不影響實驗燃燒剩余產物的收集。根據材料的種類分為2組試驗。為減小試驗誤差和偶然因素影響，每組試驗重復3次，取3次試驗的平均值進行對比分析。數據分析過程中使用誤差棒表示實驗的重復性。

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％的干燥箱內處理24h。每次使用前，打開照明系統并保持15min，使系統處于預熱狀態。開始實驗時，先關閉照明系統，再關閉通風排氣系統，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，調節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，以保證測試結果的準確性。對試樣進行4min燃燒實驗。燃燒結束后，為使箱體內氣體充分混合以保障氣體檢測的有效性，待氧氣體積分數上升到13％后再進行排煙通風操作。試樣在燃燒前后都需進行稱重，并記錄數據。根據式（1）計算質量損失比φ，式中：m1是燃燒前總質量；m2是燃燒后的質量。在常壓和低壓環境下重復上述操作，記錄相應條件下試樣的質量損失比、煙密度、煙氣成分、火焰形態。

2實驗結果與分析

2．1質量損失比及火焰形態分析圖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黑色；在常壓和低壓環境下，材料燃燒后的剩余產物在形態上基本一致，僅能通過測量質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量損失比變化。可以看到，兩種典型機艙材料在常壓下的質量損失比大于在低壓下的質量損失比；座椅面料的質量損失比大于艙壁材料的質量損失比。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境。艙壁材料在低壓環境下燃燒時，火焰底部呈現藍色；而在常壓下燃燒時，火焰總體呈現明黃色。座椅面料在低壓下燃燒時火焰底部邊緣呈現藍色，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過程，這一過程對火災初期的發展至關重要［1719］。因為座椅面料和艙壁材料經過阻燃處理，所以材料內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物的生成，促使阻燃材料的質量損失比降低。由于座椅面料為毛紡織物，其質密性小于艙壁材料，因此燃燒時質量損失比要大。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，對固體內部的熱解產生了一定的阻礙作用，而固體內部的熱解氣體需要通過炭化層析出表面才可以繼續燃燒［20］。常壓環境下的氧濃度更高，加速了對炭層的氧化而促進熱解反應的進行，進而使得相同材料在固定時長下燃燒時，常壓環境下的質量損失速率更大。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生在擴散火焰的中間部位，在凝聚和團聚后持續增加。在炭黑顆粒穿過該區域后，氧化反應成為主導因素［21］。由于低壓環境下，空氣密度低導致浮力羽流減少，卷吸空氣流量減少［22］，因此炭黑顆粒不能獲得完全氧化，將出現炭黑顆粒翼，并釋放炭黑顆粒產物。如果在發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構將會變為沒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，固態炭黑顆粒在黑色區域向周圍環境擴展。

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，常壓環境下座椅面料煙密度在前70s內持續增加，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低壓環境下，煙密度在前60s內先快速增加，然后維持較大幅度的變化，最大達到71％。從圖6b中可以看到，常壓環境下艙壁材料煙密度在0～1．5min內持續增加，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低壓環境下，煙密度在前70s內先增加，達到最大值35％，然后維持較小幅度的變化。根據圖5可知，兩種典型機艙材料在61kPa低壓環境下的煙密度峰值均約為常壓環境下煙密度峰值的2倍。炭黑顆粒表面氧化反應的總反應速率常數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是反應級數；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速率和離解過程的反應速率［22］，式中：ka是分解過程的反應速率常數，kd是離解過程的反應速率常數。環境壓力降低將會導致空氣中的氧濃度降低，結合方程（2）、（3）可見，炭黑顆粒表面的氧化反應速率會下降。阻燃材料在裂解時，產物中醇、醛、酯和醚類物質會減少，呋喃類和核葡聚糖增多。呋喃類環狀化合物比較穩定，且碳氫比值大，有較大的炭化傾向［23］。可燃性裂解產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構的整體性和尺寸的穩定性；而座椅面料為毛紡織物，其質密性小，在燃燒時會產生大量的煙氣，導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生的CO和CO2體積分數變化。由圖7a可知，0～3min內，座椅面料在低壓下產生CO的速率小于常壓；在3～4．3min內，座椅面料燃燒產生的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2個峰值。由圖7b可知，CO的產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生CO2的變化曲線都呈現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，低壓與常壓環境下CO2的變化曲線很接近；但在1～5．1min內，低壓下CO2產生量大于常壓下。高原環境下，由于燃燒主要是在低氧狀態下進行的，因此燃燒過程由以下3個反應主導［23］：隨著氧濃度的降低，式（5）和（6）反應占的比例增加，反應生成大量的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的含量不至于出現急劇上升；阻燃材料在燃燒分解時，由于火焰傳播溫度不斷上升，使得熱分解更為徹底，因此CO會出現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濃度的影響還表現為影響煙羽流中卷吸空氣的質量。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，通過求解質量方程、動量守恒方程和浮力方程，估算了弱浮力羽流的質量流量（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∞是環境空氣的密度，kg／m3；cp是空氣比熱容，kJ／（kg•K）；T∞是環境空氣的溫度，K。環境壓力降低會導致空氣密度的減小；結合方程（7）可見，煙羽流中卷吸的空氣質量流量me減少，無法滿足CO與O2的反應需求，導致CO的含量急劇上升，至陰燃結束達到最高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］。因為煙氣在箱體內充分擴散均勻需要一定時間，所以在4min燃燒結束時CO和CO2含量并未立即達到各自的峰值。

3結論

本文通過在四川廣漢平原地區96kPa常壓環境和高原地區的康定機場61kPa低壓環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，得到如下結論：1）在相同的燃燒時間內，低壓環境下機艙材料的質量損失比小于常壓環境。2）低壓環境下炭黑生成量大于常壓環境，當環境壓力降低時，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）低壓環境下機艙材料煙密度持續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。機艙材料在低壓環境下的煙密度峰值均約為常壓環境下煙密度峰值的2倍。4）低壓環境下機艙材料燃燒產生的CO2速率大于常壓環境下；而座椅面料產生CO的速率在0～3min內低于常壓環境下，在3～4．3min內CO產生量迅速上升且大于常壓環境。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院