0 引言

提高民航客机的安全性是飞机制造商及航空公司长期以来最为关心的因素，飞机在高空飞行时，由于飞行环境的特殊性，发生任何火灾都可能带来极其严重的后果，因此飞机各重要部位被要求配备完善的防火或灭火装置，以及时监测到火灾并有效扑灭，从而保证机组人员及乘客的生命财产安全。

在民用航空领域，哈龙1301和哈龙1211由于灭火速度快、毒性低、扩散性能强且无残留等优点，已广泛使用在绝大部分现役民航客机的发动机短舱/APU舱、货舱和客舱。随后大量的研究表明，哈龙极易与臭氧发生反应，严重破坏臭氧层。因此，联合国环境计划署（United Nations Environment Pro-gramme，简称UNEP）于1987年制定《关于破坏臭氧物质的蒙特利尔议定书》^[1]，规定包括哈龙在内对臭氧层有破坏作用的物质限制其生产制造和应用。为此，美国联邦航空局（Federal Aviation Administration，简称FAA）于1993年与全球众多航空研究组织共同设立国际哈龙替代工作组（International Halon Replacement Working Group，简称IHRWG），于2000年改称国际航空火灾防护工作组（International Aircraft System Fire Protection Working Group，简称IASFPWG）。该机构自成立以来就在寻找适用于民用飞机的新型灭火系统以替代哈龙灭火剂。目前，在FAA最新的哈龙替代物报告中^[2]，给出了多种可选择的哈龙替代物，其中惰性气体（主要是氮气）、气溶胶、细水雾系统是效果最好的三种方式，而其中细水雾灭火系统又被认为最有前景且最有望替代哈龙灭火剂的最佳选择。

1 水雾灭火系统介绍

1.1 水雾灭火系统分类

水雾灭火技术除了清洁、高效、稳定等优点，其相比哈龙灭火剂还具有对环境友好的优势，因而完全满足FAA制定的货舱最低性能标准（minimum performance standard，简称MPS），目前受到研究人员广泛关注和研究。

水雾灭火系统按流体介质可分为两类:单流体系统以及双流体系统。单流体系统介质为水，在一定压力下释放; 双流体系统使用氮气或其他低氧含量的气体在喷嘴处与水撞击使水雾化。水雾灭火系统根据管道压力还可进行分类:高压系统（压力高于500 psia（34.5 bar）），中压系统（压力介于175 psia~500 psia（12.1 bar~34.5 bar））和低压系统（压力低于175 psia（12.1 bar））。单流体系统所需空间小，系统重量低，对管道的要求不高，系统易于设计和安装; 而双流体系统只需较低的供水压力，此外还可对液滴尺寸进行控制，但双流体系统需要较大的喷嘴孔，对污垢和污染物需具有更大的耐受性。FAA的研究测试表明^[3]，双流体系统在灭火效率和耗水量方面比单流体系统更具优势。

1.2 水雾灭火系统灭火机理及优势

水雾系统灭火机理包含三个方面^[4]:

（1）微小液滴吸收火焰热量而迅速蒸发汽化，汽化后的气体仍能吸收部分热量;

（2）蒸发汽化降低可燃物附近区域的氧气浓度;

（3）细水雾及水蒸气会产生薄雾阻挡热辐射，减少热量传递。

水雾灭火系统具有许多优点:

（1）对环境无污染，对人体无毒害^[5]（若含有添加剂需进行测试验证）;

（2）灭火迅速，耗水量小;

（3）不会造成残留物质;

（4）水雾灭火系统产生的水雾可有效的除尘，增加可视度;

（5）有研究计算表明，若水达到完全或近乎完全的蒸发状态，相同质量下的水可以提供比哈龙更好的灭火能力;

（6）适用范围广，经过大量的研究发现，水雾灭火系统可有效应用于各类场合的A类、B类、C类、K类及电子设备等火灾^[6]。

2 水雾灭火系统机载环境测试

2.1 FAA对几种水雾灭火系统的MPS测试结果

20世纪初期，国际航空火灾防护工作组（IASFPWG）为指引未来发动机短舱、手持式灭火器、货舱、盥洗室灭火系统的研发方向，编制并推行四部机载灭火系统的最低性能标准（MPS）和测试方法^[7]。该测试并非要求哈龙替代灭火剂完全熄灭测试火灾，而是抑制测试火灾，使火灾在受控的条件下不会产生过高温度或危害到其他相邻区域，其目的是为了证明哈龙替代物灭火系统能提供与当前所使用的哈龙1301灭火系统相同的灭火性能。其中飞机货舱哈龙替代物灭火系统的MPS及测试方法被认为是要求最高的，也是最难解决的。

在FAA测试的几种水雾灭火系统中^[8]，分别是GEC Marconi Avionics开发的低压双流体水雾灭火系统、Hughes Associates Inc.和Reliable Automatic Sprinkler Company共同设计的HUGHES/RELIABLE SYSTEM高压水雾灭火系统、优化后的HUGHES/RELIABLE SYSTEM高压水雾灭火系统、Environmental Engineering Concepts提供的“Enviromist”高压水雾灭火系统以及新世界技术公司（NWT）开发的低压双流体水雾灭火系统，这些系统在一个DC-10宽体货舱内进行了大部分测试，一些额外的测试在波音727窄体隔舱中进行。基于货舱MPS要求对这些系统进行了大量测试，结果表明，这些系统对于测试的模拟火灾具有很好的抑制作用，尽管在第四项气罐爆炸的测试中，NWT系统未能低于MPS要求，但其仍具有通过MPS的潜力。

2.2 水雾灭火系统实际应用相关测试

早期的研究人员认为若将水雾灭火系统应用于发动机短舱，水雾接触高温的涡轮钛元件时，热冲击可能带来附加损害。基于此，Factory Mutual Research Corporation（FMRS）研究机构制定了基于防火性能的火灾测试协议^[9]。其中规定:对于完全暴露或有遮挡的火灾，水雾灭火系统必须能够扑灭强度大于1 MW的火灾，并且不会导致关键的涡轮机部件损坏（由于火灾或由于水雾系统过度冷却涡轮壳体）。试验测试表明金属表面温度迅速下降，而测试金属内部温度下降非常慢，因而水雾灭火系统不会对高温元件产生热冲击，即不会损坏涡轮部件。

当飞机飞行在11 000 m的高空上，温度将达到-57℃左右，这将对水雾灭火系统应用于发动机短舱带来极大挑战。针对此问题，美国军方研究所进行了大量测试^[10]，发现如果在水雾中加入60%乳酸钾与40%乙酸钾混合的防冻剂，不仅提高了水雾灭火系统的灭火性能，还很好地解决了低温储存及使用的问题。但由此带来的高导电性及降低可见度和清理问题还需进一步研究。

水雾灭火系统重量较大是目前民航运输业难以接受的根本原因，尽管随着研究的深入及系统的优化，水雾系统与90年代相比已将重量减轻了9倍，但目前水雾灭火系统的重量仍是原有哈龙灭火系统的2倍~3倍^[8]。有研究人员认为将飞机现有饮用水和空调系统以及机载惰性气体发生系统（OBIGGS）结合起来设计低压双流体水雾灭火系统，必将大大降低该系统重量^[11]。FAA为了证明水雾灭火系统与OBIGGS系统结合的潜在好处，曾针对不含氮气的水雾灭火系统和含氮气的水雾灭火系统（模拟与OBIGGS系统结合）进行了基于MPS要求的全面测试评估^[12]，测试发现不含氮气的水雾灭火系统未能通过气罐爆炸的MPS要求，而含氮气的水雾灭火系统通过了该项要求，此外，大量测试表明，含氮气的水雾灭火系统相比不含氮气的水雾灭火系统可将水的消耗量减少50%以上。

3 影响水雾灭火系统灭火性能的因素的研究现状

3.1 压力、流量系数和排放方式对灭火性能影响研究

Gupta等^[13]在1 m×1 m×1 m的室中放置一直径125 mm的盘子并点燃约50 mL正庚烷燃料进行模拟灭火试验，分别对4 bar、5 bar、6 bar、7 bar和8 bar压力进行了多次重复试验，发现随着压力的提高，水雾索特平均直径（SMD）减小，水雾的平均速度升高，此外发现将氮气流量提高约10%对降低灭火时间非常有效。Liu^[14]等人使用双流体水雾灭火系统进行了多种火灾情况下试验测试，主要对两种水雾排放模式（连续和循环）的灭火性能进行研究。大量测试结果表明，使用循环排放模式相比连续排放模式可有效提高灭火性能，且灭火时间和用水量明显减少。JIAN Chen等^[15]通过一个5 m×3.5 m×2 m的模拟客舱和直径600 mm、高50 mm的圆盘并点燃1 L柴油来模拟火灾。研究发现提高流量系数和工作压力可有效提高水雾系统灭火能力，此外发现所使用的菱形喷口灭火效果优于正方形喷口。LIU Yinshui等^[16]在一个1 m×1 m×2 m的试验空间内进行了喷嘴特性对水雾灭火系统灭火性能的影响研究。试验发现随着喷雾锥角的增加，水雾覆盖面积增加，但水雾平均速度降低，灭火时间也更长; 调高供气压力和喷嘴流量可以降低灭火时间; 当喷嘴偏离火灾模型中心线时，灭火时间增加。

周晓猛等^[17]通过缩比的灭火试验台对水雾灭火过程中热释放速率和CO、CO₂、O₂的变化规律进行测量。试验结果表明，在水雾初始施加阶段，煤油火焰出现短暂的急剧增大，而后迅速降低，火焰的变化规律和水雾的释放压力密切相关。刘全义等^[18]通过马尔文粒径分析仪与低气压燃烧测试舱等试验设备，对双流体水雾灭火系统的水雾直径特征在低气压环境下对火焰燃烧的抑制作用进行了试验研究。试验表明通过微调气液两相的压力，便可实现雾滴直径大小的调节，研究还发现低压条件下灭火效果较好。王康等^[19]对不同气体流量和液体流量对雾动量和雾通量的影响进行了研究，结果表明，当气体流量为350 L/min、液体流量为1.0 L/min时，雾通量达到最大值0.255 L/（min·m²）; 气体流量为250 L/min、液体流量为1.0 L/min时，单个雾滴动量达到最大值，为3.6×10^-8 kg·m·s^-1。

3.2 添加剂及使用浓度对灭火性能影响研究

各种盐类化合物、表面活性剂、泡沫等添加剂大都能提高水雾灭火系统的灭火性能，但不同使用浓度的提升效果往往相差很大。此外，添加剂的使用可能会对环境或人体健康产生一定影响，需要经过严格的测试。

Joseph等^[20]通过杯状燃烧室测试了各种盐添加剂下水雾灭火系统对火焰的抑制效果。试验数据表明:NaCl，KCl或KHCO₃可显著提升水雾灭火系统的灭火能力; 其他添加剂如MnCl₂，ZnCl₂和CuCl₂对水雾灭火效果影响较小; 而（NH4）₂HPO₄、（NH₂）₂CO和FeSO₄·7H₂O反而降低了系统灭火能力。CAO Xingyan等^[21]在密闭容器内，分别用纯水和含5%NaCl添加剂的水雾系统进行了甲烷浓度分别为6.5%、8%、9.5%、11%和13.5%的甲烷爆炸抑制试验，研究表明，5%的NaCl添加剂可有效提高水雾的冷却能力，同时提高了阻断热辐射的能力，从而显著提高水雾对甲烷爆炸的抑制效果。GAN Bo等^[22]通过试验测试了纯水雾、含16%NaCl溶液的水雾及含8%NaHCO₃溶液的水雾对100 nm、5 μm和30 μm的聚甲基丙烯酸甲酯粉尘燃爆的抑制能力。试验发现水雾可使爆炸的最大垂直位置、火焰传播速度、爆炸最高温度和升温速率等显著降低，其中8%NaHCO₃添加剂对爆炸的抑制效果优于16%NaCl添加剂。孙智灏等^[23]通过在一个3.6 m×2.4 m×2.4 m的受限空间内点燃200 mL汽油来模拟火灾，在使用不同含量NaCl、复合添加剂情况下对水雾灭火时间、温度变化、以及水雾对火焰的抑制机理进行了试验分析。试验结果表明使用添加剂可显著提高水雾灭火系统的灭火能力，减少灭火所需时间，并增强灭火稳定性。贾利涛等^[24]通过试验发现在水雾灭火系统中加入自制5%表面活性添加剂（成分包括多种表面活性剂及少量阻燃剂），大大提高了水雾灭火系统的灭火能力和效率，此外，自制的表面活性添加剂还具有生物降解率高，应用时吸收有害气体、消除大量烟尘、不污染土壤等优点。程相静^[25]使用不同含量添加剂的水雾灭火系统对锂电池失火燃烧的抑制作用进行了试验分析，研究表明添加剂可明显提高水雾灭火系统对锂电池热火灾的抑制作用; 通过试验给出了八种不同添加剂的最佳浓度比例，并测试出一种抑制作用最好的复合添加剂配比。

4 结论

通过本文的研究，得出以下几点结论:

（1）水雾灭火系统是目前唯一完全满足FAA货舱MPS要求的灭火系统，是最有望代替现有哈龙灭火系统并应用于民用飞机，未来研究将更加全面且深入;

（2）水雾灭火系统应用于民用飞机是一个巨大挑战，其所面临的最大问题就是验证系统的安全可靠及如何减轻系统重量，前者随着更加全面的研究将被证明，后者考虑将飞机现有系统与OBIGGS系统结合，有望克服重量这一问题;

（3）随着对水雾灭火系统研究的不断深入，研究人员将考虑更多的物理因素及添加剂的使用来改善灭火性能，这将在一定程度上降低系统重量;

（4）国内在水雾灭火系统应用于民用飞机方面的研究尚处起步阶段，还未形成系统的设计标准及评价方法，未来还要经过大量的试验测试研究。

参考文献