0 引言

从20世纪50年代的喷气式飞机开始，经过几十年的高速发展，民用飞机在安全性、经济性、舒适性和环保性设计方面相继取得了新的突破。其中，安全性是民用飞机最复杂和最敏感的要素。根据以往空难数据统计，飞机火灾/烟雾是发生次数最多的危险事件。发生火灾/烟雾时，往往会引起较为严重的事故，并且有较高的事故死亡率。因此，飞机的防火安全是适航管理部门、飞机制造商和运营商最为关注的安全问题。多年来，美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，简称FAA）定期更新的“运输类飞机关注问题清单”中一直将飞机动力装置相关的防火安全问题作为飞机型号合格审定的重点关注问题^[1]。在FAA咨询通报AC20-135中，“防火”是指材料或零组件承受1 093℃±83℃的火焰至少15 min，仍然满足其设计功能的能力^[2]。

民用大型客机应满足适航条款的要求，各国条款内容大致相同。适航标准是保证飞机安全运行的最低安全标准，能保障飞机在发生事故后产生尽可能低的人员伤亡和事故损失^[3]。

国内一些专家和学者在民用飞机防火领域进行了一些研究。以“Ω”型密封件为例，谈志晶^[4]介绍了短舱防火的适航要求。胡寅寅和蒋祖武^[5]以适航条款为基础，重点介绍了密封件设计时需考虑的因素，为民机的防火设计提供了指导。刘建国和郭俊娴^[6]以短舱块状密封件防火试验为研究对象，介绍了短舱密封件防火适航验证方法。李森和陈西锋^[7]进行了民用飞机短舱防火试验件的设计与验证研究，重点探讨了复合材料和防火涂层的试验研究。李仁鹏^[8]对短舱上的蜂窝夹芯复合材料结构进行防火设计与验证，并证明复合材料结构表面树脂碳化后，火焰很快自熄。周颂平^[9]对短舱防火设计进行描述，为国内短舱防火设计提供了参考。由于吊挂与动力装置在实际使用中存在相对运动，因此相对于固定结构的防火墙，吊挂防火墙有更高的设计要求。本文主要依据适航条款内容进行吊挂防火墙的防火密封验证与研究。

1 吊挂密封防火概述

1.1 火区

以某型飞机为例，发动机核心舱内由于发动机机匣的温度高于维持发动机正常运转的易燃液体的自燃温度，因此为指定火区。同时由于附件齿轮箱布置在短舱的风扇舱，所以风扇舱也为指定火区，如图1所示。吊挂作为飞机的重要部件，位于发动机和机翼之间，由于机翼内部布置了燃油箱，吊挂与动力装置相关接口必须设定防火墙（如图2所示），以便在动力装置发生火灾时，阻止火焰穿过吊挂进入受保护的非火区区域。

1.2 吊挂防火密封件

吊挂和发动机/短舱在连接界面存在一些接口，同时由于发动机/短舱和吊挂之间存在一些相对运动，因此应在发动机/短舱同吊挂之间布置一些密封件实现密封设计。由于发动机风扇舱和核心舱区域属于指定火区，吊挂与发动机/短舱之间应设计具备防火功能的密封件，以保证防火密封设计，吊挂防火密封件布置区域（红色为防火密封件）如图3所示。

防火密封件形式多样，吊挂防火密封件截面以“Ω”型居多，如图4所示。

1.3 适航要求

吊挂密封防火主要涉及的CCAR-25-R4^[10]条款如表1所示。

表1（续）

2 吊挂密封防火验证要求

防火墙一般由具备防火能力的结构件或组合结构件构成。防火墙的防火验证与其结构形式密切相关。

对于火区与非火区之间无相对变形运动的接口，防火墙结构之间一般为机械连接，验证方法较为简单，通常采用分析验证。在火区与非火区之间存在相对运动的部件，该处防火墙会在部件之间进行防火密封设计，一般在接口处布置密封件，充分利用密封件的变形弥补部件之间的相对位移。该密封件需要具备防火功能，并作为防火墙的一部分，承担变形密封和防止火焰穿透接口的作用。

根据AC20-135，对于非承载的金属结构件，主要材料和厚度不低于表2中的要求即可满足防火要求。

注：在非承载的0.508 mm的钛合金防火墙或0.46 mm的钢防火墙上，铆钉间距等于或小于50 mm是可接受的，不用附加试验。

3 吊挂密封防火试验

吊挂密封验证主要是对其接口处防火密封件及周边结构的密封防火能力验证。周边金属结构按照2.1节的分析验证可表明防火符合性，试验验证环节，可对其中涉及密封接口的结构进行一定简化。

3.1 试验件选取

吊挂密封的密封件形式多样，试验件的选择需满足以下要求：

1）试验件选择典型截面形式的密封件。对于弯曲状态的密封件，可采用容易制造和试验的直线型试验件来替代原构型，但截面尺寸要保持一致。

2）同一种类型（相同的截面形式、工艺、原材料、铺层方式一致）的密封件，选择实际工况下压缩量最小的密封件构型设计试验件。试验件的加载载荷工况应包含或可覆盖所有该类型密封件的载荷工况。

3）不同截面形式、不同原材料以及不同工艺方法的密封件，需要各自选取典型截面设计试验件。

4）密封形态复杂或压缩变形难以通过典型试验件表征的零组件结构，考核区域的试验件应与原构型一致。

3.2 防火试验工装及设备

如图5所示，试验设备及工装主要由试验台、燃烧器、热电偶、振动装置、热流计、试验件以及摄像机组成。

试验工装需满足以下要求：

1）燃烧器喷口与热电偶之间的距离保持100 mm，测试前需校准燃烧器，满足试验热通量要求116 kw/m²±10 kw/m²，测试或者校准喷口热通量前燃烧器火焰至少稳定燃烧5 min。计算和校准火焰设备需满足ISO2685的要求。

2）燃烧器喷口和试验件之间的距离应与燃烧器喷口和测试热电偶之间距离保持一致。

3）在试样与燃烧器规定的距离内，产生了 1 100℃±80℃的温度，并吞没试样或根据试样尺寸提供有代表性的火焰喷射覆盖范围。

3.3 试验程序

吊挂密封防火的试验件试验程序如下：

1）按实际工况对密封件施加气体压力，使其满足试验要求；

2）启动振动/摄像设备；

3）开启燃烧装置稳定燃烧5 min，然后将燃烧装置对准热电偶，2 min后开始记录检测数据，按ISO2685 附录B内容计算和校准燃烧设备，保证温度和热通量满足试验要求；

4）待燃烧装置达到试验要求后，转动并对准试验件进行试验，开始计时；

5）5 min后关闭振动装置，15 min后移除燃烧装置，并熄灭燃烧装置；

6）观察试验件残余火焰并记录；

7）待试验件火焰熄灭后，关闭摄像设备。

3.4 试验判据

吊挂密封防火的试验件试验判据如下：

1）整个测试过程中，在密封件背面（非火焰喷烧处）不允许有明显火焰；

2）试验件要能够承受至少15 min火焰燃烧而不被烧穿；

3）喷灯火焰移除后，不允许发生密封件材料再次复燃。

4 试验结果与分析

4.1 试验边界条件与载荷

本文以某型飞机吊挂密封防火的接口密封为研究对象并进行防火试验验证。对某一接口处相关结构进行选型和简化如下：

1）选取典型截面结构的“Ω”型橡胶密封件作为主要试验件；

2）周边结构由钛合金材质的零组件简化为一般不锈钢材质的零件，零件构型与接口处周边结构类似。

经过计算分析，该试验件边界条件和载荷如表3所示。

注：根据AC 20-135，压差小于0.5 psi，可不考虑压差的作用。参考ISO2685附录E，振动振幅0.4 mm ±0.15 mm，频率尽可能接近50 Hz。

“Ω”型橡胶密封件试验区域安装图如图6所示。试验件安装截面状态如图7所示。

由图7可知，密封件压缩量为5 mm，自由状态密封件高度为36.25 mm，金属卡槽为2 mm。

4.2 试验结果

根据ISO2685的相关定义，设定边界条件。整个试验过程中，密封件及相关组件迎火面燃烧状态正常，背火面无可见火焰穿透及背面燃烧现象，同时移除设备后试验件无复燃现象。整个试验成功通过防火试验，满足适航条款防火要求。

图8为试验件及周边结构经火焰燃烧冲击15 min后的状态。从图中可以看出橡胶材质的密封件表面部分区域出现材料损失，这主要是由橡胶材料内部释气冲击外层材料导致的，属于正常现象，同时橡胶密封件迎火面出现硬化，可有效防止火焰烧蚀背火面。如图9所示，密封件背火面无火焰烧蚀现象，且迎火面仅部分区域被火焰烧蚀。通过对试验件拆卸后的检查表明，该处密封设计满足防火设计要求。

5 结论

本文主要依据适航条款内容进行吊挂密封防火验证与研究。依据AC20-135和ISO2685的要求与相关测试方法，对某型飞机吊挂与动力装置接口处进行防火密封试验验证研究，试验结果显示该处接口满足防火要求。本文给定的验证方法，为民用飞机防火墙接口防火能力验证提供了一套有效的验证方法，可为接口防火密封设计提供借鉴和指导。

参考文献