飛機結構防火設計與失火修理研究

王 哲

（航空工業一飛院，西安 710089）

0 引言

火災是影響飛機安全飛行的重要原因，嚴重威脅飛機和乘客的安全。僅2019 年上半年，旅客機就發生近10 起飛機失火事件。2019 年4 月17 日，俄羅斯烏塔航空公司一架波音737 飛機右側發動機失火，機艙乘客恐慌，著火降落。2019 年5 月5 日，俄羅斯一架載有78 人的客機在莫斯科謝列梅捷沃機場迫降時起火，飛機被大火和濃煙迅速吞噬，猛烈燃燒的畫面震驚全球，這起事故造成41 人罹難。2018 年1 月12 日，尼日利亞一架ATR72 飛機在機庫維修時著火，如圖1 所示。

圖1 ATR72 飛機地面失火

飛機上的各種管路系統，液壓管路、燃油管路等，盛裝油液，在飛機顛簸、撞擊的時候，沖擊力有可能造成管路磨損破壞，油液外泄，若遇到金屬片摩擦高溫、火化，有可能點燃泄漏油液，引起著火燃燒或爆炸。另外，飛機上各種電氣系統、受撞擊變形也很可能造成電線短路，引發火情。某飛機燃油管路異常磨損密封失效、漏油，異常磨損產生的高溫引燃漏出的燃油，造成失火，艙內燒傷情況如圖2 所示。

圖2 艙內燒熔及燒傷

尤其飛機結構內部起火，密閉狹小的空間內溫度會迅速升高，里面的氣體也會迅速膨脹，極易造成爆炸。另外，高溫對發動機艙也是極大的威脅，一旦發動機艙遇火燃燒，爆炸就難以避免[1]。

火災造成的煙霧毒性大，易使人窒息[2]，飛機機艙密閉，很難散發，空氣不易流通，內部可燃物大多為有機物質，在燃燒過程中會形成有毒氣體和煙霧。

因此，預防飛機火災并積極開展防火研究十分重要。在結構設計上做到材料選取、布置不易著火，出現火警能夠及時探測，并能有效熄火。在飛機客艙、貨艙、駕駛艙、發動機短艙等艙段總體布局設計、隔離設計、通風冷卻設計及排漏設計上，還應重視防火設施配置、火警線、滅火器、貨艙煙霧或火警探測系統、材料等要求。防火性是指設備、附件和結構件能承受標準火焰(1 100 ℃)熱作用5 min 的能力。耐火性是指設備、附件和結構件能承受標準火焰(1 100 ℃)熱作用15 min 的能力。

失火燃油泄漏，摩擦打火或短路引起明火，遭受閃電著火、貨物自燃或助燃材料燃燒等引起飛機結構著火，失火后需要對飛機著火點、著火區、著火原因進行分析界定，檢查過火區范圍及程度，確定修理方案以及防止著火的措施，按照流程去開展修理工作，盡快恢復，減低事故等級，保證飛機安全。

1 防火設計

發動機區、貨艙區、駕駛艙區等應從選材、布局上進行防火設計，常用措施有隔離、排放、通風、報警、滅火等。探測系統是用來探測著火、過熱及煙霧，提供視覺和音響報警信號，向空勤人員發出警告的設施，以便及時采取滅火措施。滅火系統的功能是貯存滅火劑并向火區提供滅火的設施，其目的是達到消除火情而不致造成嚴重的后果[3]。

1.1 防火設計原則

1)從飛機結構布置上，對燃料、火源和助燃劑三個基本要素進行隔離或分離；

2)飛機結構所選用的材料如高溫區域附近的結構材料，分別或同時滿足阻燃、耐火或防火要求；

3)對飛機結構進行潛在的著火危險區域進行安全性分析，確定危險源。對該區域進行防火設計，以避免潛在著火危險，降低著火造成的災難。同時即使著火發生，應有措施降低著火造成的災難。

1.2 防火設計要求

1)按照飛機各個區域的環境溫度要求，布置飛機上各個系統及設備，以減少潛在故障下發生過熱、煙霧或著火的可能性。

2)在駕駛艙及貨艙內布置的手提式滅火器與機身艙的容量應該相匹配。

3)在貨艙、盥洗室內應該布置煙霧探測系統，在駕駛艙設置相應的煙霧警告燈。對于設置火警、過熱及煙霧探測系統的區域內發生的火情，應提供相應的告警信息[4]。

4)應該在有易燃材料、易燃油液及油汽、火源的區域采用隔離設計，火區與非火區應隔離和封嚴，使可燃液體和點火源分離在不同區域。

5)雷電防護，可燃液體滲漏排放口不應布置在雷擊區內。

6)在可能出現易燃油液和油汽泄露的所有艙內，應該設計有通風措施，利用氣流來阻止易燃物、腐蝕性氣體及易爆氣體空氣混合物在飛機艙內的聚積[5]。

7)在飛機內可能存在熱源和火源的所有艙和其他區域，應該設計有冷卻措施，確保在任何使用條件下都不會超過飛機內已確立的所有溫度極限。包括所安裝設備的溫度、任何附屬設備的溫度、支撐結構溫度及艙體溫度。最典型的區域包括發動機艙、APU艙及電子電氣設備艙等。

8)在飛機內可能出現危險的油液泄露的所有艙內，應設有排漏措施，消除易燃物或腐蝕性油液的泄露物堆積，并且阻止易燃物、腐蝕性油液聚積在飛機艙內。

1.3 防火材料

防火材料選取按結構或系統所處的區域、以及防火和耐火的要求，分別或同時滿足阻燃、耐火或防火要求選取。金屬材料選用鈦合金、不銹鋼、高溫合金；非金屬材料選用防火綺綢布、防火涂料、硅橡膠、XG-5 隔熱(隔熱氈)預制型微孔彈性隔熱材料，JC170 無堿玻璃纖維布，FXY-6 室溫固化高溫粘結劑等。非金屬材料選取還應滿足無毒環保要求。

1.4 飛機結構防火設計

飛機結構包括機翼、機身、尾翼、短艙、起落架結構等。機翼里燃油箱，短艙里發動機等都有著火的危險區，起落架艙一般含有液壓管路和部件，因而存在出現易燃液體或蒸氣的可能性，且存在由剎車片制動而產生的點火源，但通常采取措施將點火源與易燃液體或蒸氣隔離，從而視為易燃液體泄漏區。非危險區是指與易燃液體或其蒸氣隔絕的區域。通常為機身的增壓區域，包括駕駛艙、客艙、電子電氣設備艙、貨艙等。

按規定，飛機上有幾個區域為火區，一般為發動機短艙，APU輔助動力裝置短艙和油箱區?；饏^與飛機的其他區域都有防火墻隔離。防火墻把整個火區都包圍起來。在火區內，有滅火瓶和煙霧探測器。一旦煙霧探測器發現有煙霧積聚，就會報警，同時飛機會自動啟動滅火瓶，對封閉的火區進行滅火。

位于火區內的結構應至少滿足阻燃要求并能承受正常運行條件下艙內最高環境溫度。盡量不使用吸液材料，位于可能滲漏的易燃液體系統組件附近的吸液材料應加以包覆或處理，以防止吸收危險量的液體?；饏^必須采用防火墻與飛機其他區域隔離任何穿透防火墻的管路、電纜接頭應采用防火密封封嚴，防火墻、穿越防火墻的所有接頭均應滿足防火要求。

飛機防火，總體布置上，應避免油氣混合，注重易燃區設備布置，劃分好火區；設計過程和裝配完成后應開展區域性安全分析、檢查；防火材料的選擇上，金屬材料鈦合金或不銹鋼重量重，可以選用鋁合金，表面涂防火涂料；設計好防火墻、隔熱墊等，用來隔離火區[3-5]。

隔熱墊設計：按照溫度場，沒有火焰區域，鋪設隔熱墊，隔熱墊可選用XG-5 隔熱氈與無堿布用FXY-6 膠粘接而成。因結構需要在隔熱墊上開孔、開縫或開缺口的位置不允許有毛邊，必須用無堿布包覆封口，封口處的無堿布搭接寬度為20 mm。隔熱墊與金屬結構表面的粘貼及隔熱墊端頭與結構對縫處的粘貼均用FXY-6 膠，FXY-6 膠在隔熱墊和金屬結構件上分別涂，且要涂均勻，不允許漏涂而出現未粘貼上的部位。

隔熱層敷設方式：將隔熱層通過膠黏劑直接膠結在飛機結構上。其典型型式如圖3 所示。

圖3 隔熱層膠結在飛機結構

隔熱層也可以用錦絲搭扣帶代替粘結，如圖4所示。隔熱層通過連接釘固定在飛機結構上，其典型型式如圖5 所示。

圖4 隔熱層錦絲搭扣帶粘結

圖5 隔熱層通過連接釘固定在飛機結構

發動機艙設計：當兩臺發動機裝在一起時，應在發動機艙設置防火隔墻，將相鄰的兩臺發動機隔開，以阻止意外事故中火焰及可燃液體或熾熱氣體從一個隔艙進入另一個隔艙及整個機體的其他部位。飛機與發動機間的管接頭及電纜接頭應采用快卸式，所有穿過防火墻的油液管路和電器導線應有隔板連接件。安裝在發動機艙中任何可能失火區域所有易燃液體管路，軟管組件及發動機艙內的放氣管，可采用不銹鋼或其他耐火材料制造。所有管路和軟管組件應能經受住1 100 ℃的火焰不少于5 min 而不泄露。接頭和支架也應具有同等的耐火能力。

硅橡膠的工作溫度大約為-65 ℃～230 ℃。由于火區的工作溫度較高，因此一般選用硅橡膠材料，并添加織物包覆層增強其抗磨損性能。

2 失火修理

結構燒傷，會出現燒熔、起泡、發黑、變形等顯著的外部現象，并且還會因受熱而造成強度、硬度、剛度、塑性等機械性能變化。全面準確的定位燒傷情況，制定好檢查方案、修復實施方案，是修復飛機結構的前提，消除修復后隱患。

2.1 失火修理原則

1)檢查應遵循為結構修復服務目的，不留死角。以便保證修復部位與整個飛機結構同壽命，使用上不應有任何附加限制條件；

2)應保證所有受損零件或零件受損部位全部被分解更換；

3)為便于工藝實施，分解更換時可適當擴大分解更換的范圍。

2.2 失火修理要求

1)分解檢查時應考慮后續的結構修復，不得造成二次損傷；

2)檢查應記錄清楚燒熔、燒傷變形、過火情況，燒傷部位的顏色、硬度、漆層情況等；

3)檢查應全面、細致，形成清單；

4)若檢查沒有問題的復合材料制件嚴禁碰撞沖擊。

2.3 失火修理流程

飛機在燒傷過程中，在著火區形成有規律的溫度場，金屬結構經受不同溫度、不同時間的加熱過程，燒傷的程度各不相同。一般來說，在著火點附近，加熱溫度較高，熱積累嚴重，金屬結構往往燒熔、起泡甚至燒毀，材料性能嚴重下降，為嚴重燒傷區，離火區較遠的區域只是煙霧熏過為輕微燒傷區，火焰未經過區域為未燒傷區。界定好區域，以便更科學的修理，不同區域不同檢測方法，檢查強度、硬度、電導率、色澤等有無變化，結構有無損傷，確定合理的修理方案，保證等強度設計。失火修理流程如圖6 所示。

圖6 失火修理流程

嚴重區，顏色變化，燃燒未到金屬熔點，只過火，測量硬度的變化、或者強度的變化。顏色變化，黑色-燒過，黃色-過火，黑粉-燒損。

嚴重燒傷區、輕微燒傷區和未燒傷區，燒熔、起泡、變形等顯著的外部損傷。

檢查確定損傷范圍，修理檢查方案、修理方案、修理、檢查、放飛。

2.4 修理檢查

檢查方式可分為常規目視檢查和無損檢測，目視檢查是飛機結構損傷檢查的最常用方法；有些情況下，如打開檢修口蓋、整流罩、隔熱墊等以檢查內部結構，還須借助其他光學工具進行，如手電筒、反光鏡、放大鏡和內窺鏡等；當采用目視檢查方法不能判斷飛機結構的損傷時，如過火、顏色異常、裂紋等，可采用諸如色澤檢測法、硬度檢測法、渦流電導率檢測法、拉伸試驗等[2]。

色澤檢測法，鋁合金罩光漆層的顏色，在溫度升高時將發生變化。當溫度200 ℃以下，顏色基本不變。當溫度200 ℃以下，顏色基本不變。當溫度200 ℃以后，顏色為檸檬色。當溫度250 ℃以后轉為金黃色，繼而焦黃。400 ℃開始漆層燒毀。

鈦合金目前使用最高溫度為600 ℃左右，在300 ℃以上表面顏色稍稍變黃，隨著溫度升高，漸變黃色。400 ℃金黃色，500 ℃灰黃色，600 ℃為藍色，900 ℃～1000 ℃黑灰色，出現剝落。

硬度檢測法，金屬材料硬度與強度有一定的對應關系，通過測量硬度可確定結構的強度，從而判定燒傷的程度[6-8]。

渦流電導率檢測，金屬材料電導率與受熱溫度、時間之間的關系，然后運用渦流探傷的原理檢測飛機燒傷結構電導率的變化，從而確定結構燒傷的程度和范圍。

針對飛機過火區域，檢查按下列步驟進行：

鄭大一附院形成了一種常態：出院時，由神經內科醫護人員開出包括鼻飼進食及留置胃管的注意事項等出院處方，隨后，由電話隨訪小組進行隨訪。

(1)拆除待檢查表面的隔熱墊并清洗干凈；

(2)目視觀察確定該區域零件過火范圍，根據檢測區域退漆；

(3)對熱影響區按100 mm、200 mm、300 mm三個位置，在原位測試材料硬度及電導率。對不好確定的，可以切割取試片進行拉伸試驗，看強度變化情況，變化大再進行切割取試片，變化小或沒有變化，既是過火的修理與不用修理的分界線。

過火結構取試樣，進行室溫拉伸試驗，測定試件彈性模量E、屈服強度σ0.2、抗拉強度σb、延伸率δ、斷面收縮率。試驗方法按HB 5143-1996 執行。硬度測試，測定試片布氏硬度(HBS)。試驗方法按GB/T 231-2009 執行。

過火連接件如螺栓，試驗測試拉伸強度和剪切強度等參數。拉伸試驗方法按GJB 715.23A-2008執行。剪切試驗方法按GJB 715.26A-2008 執行。

2.5 修理

按照失火檢查結果，對損傷嚴重的結構進行換件，過火的清理掉燒傷區，補強設計，輕微過火的重新噴涂底漆、面漆。

用工裝對結構定位、維形，以便修理過程結構不變形、不錯位，保證水平測量符合飛機總體要求。

制定修理方案，編制零件清單，零件制造盡量使用原機工裝、夾具，修理分離面的劃分盡量與原結構一致，可以少使用額外的對接加強件，防止剛度突變。另外，零件、組件要便于外場運輸。

對新加強的結構進行分析、評估，剩余強度滿足要求。

修理過程問題處理，現場狀態的變化或更改做好記錄，對要用的零件做好標記。

重新按修理后的結構恢復系統，如火警探測的布置、隔熱墊的鋪設、電纜的布置、設備及導管的固定等。

修復后應對殘留物進行清理，如碎片、液體、殘渣、油污等。

修復完成后應進行水平測量，通電檢查、結構檢查、各系統檢查，排故后保證運行正常[6-9]。

3 結論

飛機著火無論在地面，還是在空中均時有發生，是飛機損傷的主要形式之一，而且造成的損失往往比較嚴重。在設計階段做好防火，防患未然，出現火情能夠發現，有通道有措施及時處置，從布局、材料、隔離、排漏、預警等過程注重設計。失火發生后如何去修理，搶救飛機，恢復功能和結構特性，制定修理原則、檢查方案、修理檢查(目視檢查、詳細目視檢查、電導率測試、硬度及力學性能測試等手段[9])、界定好修理邊界、修理內容以及修理后分析驗證，綜合考慮安全性、經濟性、飛機性能、結構、強度、壽命、工藝可實施性等因素，確保修理后飛機安全、功能正常。