民航强国背景下民用航空器防火适航科技创新发展趋势
摘要：民用航空器防火适航是其运行安全的关键性保障系统，也是当前我国国产大飞机设计、制造和适航验证过程中必须要解决的核心技术之一。因此，为提高国产大飞机的国际竞争力，我国民用航空器防火适航技术必须走依靠科技创新的内涵式发展道路，最终实现国产民机防火适航技术与美欧并驾齐驱。
关键词：民用航空器；防火适航；民航强国； 科技创新
一、引言
民用航空器防火适航是其运行安全的关键性保障系统，也是当前我国国产大飞机设计、制造和适航验证过程中必须要解决的核心技术之一。截至2018年2月底，国产C919飞机已获得28个国内外用户的815架订单，到2035年预计订单数将超过2000架[1]。然而到目前为止，我国尚未取得美欧国家的型号合格证和单机适航证，这就意味着C919暂时还无法实现全球投放，这无疑将严重影响我国国产大飞机发展战略[2]。目前我国大型民用航空器的防火设计、火警探测系统、灭火系统绝大部分的关键产品的生产制造和知识产权都是由美欧厂商垄断，对应的防火适航验证技术和标准都是由FAA、EASA把控[3,4]。而我国的试验设备和验证技术几乎处于空白，关键核心技术长期受制于人。新时代民航强国背景下，国产民机C919以及未来的C929试飞需求也极为迫切，而且针对不同型号的飞机防火系统试验方法、试飞技术亟待研发。
为提高国产大飞机的国际竞争力，我国民用航空器防火适航技术必须走依靠科技创新的内涵式发展道路。这就要求我们必须研究真实环境下民用航空器制造材料、火灾探测系统、机载灭火系统及锂电池热安全防护等适航验证技术，并在此基础上制定出更加科学的民用航空器防火适航审定标准，打破国外适航审定技术封锁和垄断，为国产民机防火适航和试飞验证技术标准提供持续的理论支撑与技术支持，进而让美欧民航强国以及世界各国认同我国的适航标准，最终实现我国民用航空器防火技术与美欧并驾齐驱。
二、我国民用航空器防火适航科技现状
近年来，本国航空业蓬勃发展，民航科技创新取得重大突破。自主研制的ARJ21飞机已正式投入市场运营，国产飞机C919的成功首飞，也意味着我国朝着民航强国迈出重要的一步。
2.1 我国民用航空器新材料研究及应用现状
C919飞机自主化研发生产，标志着我国航空新材料的开发取得了显著成就。民用航空器制造使用的材料通常包括金属材料（高温合金及有色金属合金）和非金属材料（高分子聚合材料）[5]。金属材料方面，如钛合金因其优良的耐腐蚀和耐高低温性能及高比强度，被广泛应用于航空发动机的制造[6]。非金属材料方面，如民用航空器内饰材料等，因其火灾产生具有烟毒性，相关研究对于民机防火适航具有重要意义[7]。
自20世界90年代以来，我国开始加大对飞机结构阻燃钛合金材料的研究并取得了一定的进展，如西北有色金属院自行研制出可用于航空发动机压气机构件的Ti40合金[8,9]。民机内饰材料的研发也取得显著成就，如3161/SW220A系列玻璃纤维增强酚醛复合材料具有较好的阻燃性能和低烟、低毒性能[10]。2008年，C919机舱内采用的“超细航空级玻璃棉”材料具有完全自主知识产权，且其隔音、隔热保温性能均高于国际标准[11]。2012年，航天材料及工艺研究所等单位发明了一种兼具阻燃和低烟低毒的玻纤增强酚醛树脂预浸料复合材料，应用于运-20民用航空器的舱内壁板和天花板等部位[12]。
2.2 我国民用航空器火警探测系统研究现状
民机火警探测系统主要以感烟探测器和感温探测器为主，其中感烟探测器主要应用于民用航空器的货舱、行李箱、设备舱和厕所等部位，感温探测器主要应用于民用航空器的发动机和APU、轮舱、供气管道等部位。航空器各火区的火灾监测手段的单一化，导致火灾预警的误报率偏高[13,14]。
由于我国民用航空器适航认证起步较晚，对民用航空器火灾过程模拟分析的研究与美欧国家相比还较少[15]。颜维旭[16]利用Boltzmann方法和Fluent软件对波音B737客舱内的气流流场、温度场、浓度场进行了仿真模拟。中国商飞采用FDS5软件模拟民用航空器客舱中火灾的烟雾，重点计算火灾中的烟雾扩散和热传递过程[17]。张青松等[18]利用FDS和PYROSIM建立仿真模型，模拟密闭飞机客舱火灾场景，得出舱门开启和关闭两种工况下客舱内的火灾烟气特性变化。通过对民机火灾全时程多角度的模拟研究，获取火灾初期发展的相关数据，设计最优的多类型火警探测器协同工作探测系统，从而提高民用航空器火灾探测系统的时效性和可靠度。
2.3 我国民用航空器机载灭火系统研究现状
三氟-溴甲烷（Halon 1301）和二氟-氯-溴甲烷（Halon 1211）因其良好的灭火效率、低毒性及高扩散性等优点，被作为民用航空器机载灭火剂而广泛使用[19]。但为了减少Halon灭火剂中的氟碳化合物对臭氧层的破坏，联合国环境规划署（UNEP）、国际民航组织（ICAO）、美国联邦航空局（FAA）及欧洲航空安全局（EASA）等组织均明确提出了在民用航空器上全面淘汰Halon的要求。ICAO规定在2014年12月31日之后申请民用航空器型号合格证（TC）时在发动机/APU舱禁止使用Halon灭火剂，2016年12月31日之后申请单机适航证（AC）时禁止在盥洗室废物箱和手提式灭火器中使用Halon灭火剂[20]。且EASA提出现有Halon型手提式灭火器应在2025年12月31日前退出使用[21]。目前，国内对Halon替代灭火剂的研究尚处于起步阶段。中国民用航空飞行学院开展了民机货舱低压双流体细水雾抑灭灭火有效性相关研究[22]，民航局第二研究所开展了手提式灭火器中Halon替代灭火剂的研究[23]。
2.4 我国民用航空器机载锂电池研究及应用现状
当前国内外民用飞机的主电源、辅助电源、应急电源和二次电源等系统主要采用镍镉电池，具有重量体积大、蓄电力不足、冲放电慢等缺点[24]。随着锂电储能技术成熟运用及朝着更高能量密度和安全方向不断发展，其所具有清洁、高效、减重轻量化等机载优势将愈加突显。未来民用航空器朝向多电飞机及全电飞机发展，大功率高能量密度电池在民用飞机等航空领域的广泛应用也将成为必然趋势，适用于民用飞机更为安全、高效大容量机载锂电池的安全研究工作用必将变得举足轻重。
国内在通用航空领域已有全电驱动的飞机，但是在大型民用航空器领域，中商飞也未曾开展民用航空器锂电池安全及机载相关研究，国内民用飞机大功率机载锂电池相关的研究几属空白。中国民航飞行学院、中国民航大学等已开展了低压环境下锂离子电池热失控机理及扩展特性相关研究[25,26]。国产大飞机刚刚起步，各方面技术都相对落后，且缺乏有效可靠的安装指南及自主的适航认证体系，其设计、安装、适航认证及应用都严重依赖于国外先进飞机制造商。
三、世界航空强国民用航空器防火适航科技发展现状
美欧民航先进国家对民用航空器防火技术研究及其适航验证工作都十分重视，长期、持续地开展深入研究，并建立了完整的实验体系，积累了丰富的实践经验，可进行原理性研发试验、系统级验证试验和民用航空器级验证试验。
3.1世界民航强国民用航空器新材料发展现状
国外从上世纪70年代起，开展了大量有关钛合金燃烧及防火技术方面的研究[6]，进而掌握了航空发动机防钛火技术[27]。美国研制的Alloy C阻燃钛合金与常规钛合金相比，具有优异的高温抗拉强度、抗蠕变能力和良好的冷变形能力，已成功应用于美国F22战斗机的发动机燃烧室构件上；而俄罗斯研制的BTT系阻燃合金，因在Ti-Ci合金的基础上添加了微量元素使其具有良好的热加工性能，可锻造出符合航空发动机使用要求的各类防火阻燃板件；英国Rolls-Royce公司研制的高温钛合金IMI834也已广泛应用于Trent系列航空发动机[6]。
对于非金属材料，FAA休斯技术中心在民机内饰材料安全性方面开展了大量的研究工作，并将其成果纳入适航标准（FAR 25.853美国航空管理条理-运输类民用航空器-机舱内部实施条例），大幅提高了民用航空器的安全水平[28]。由于复合高分子材料在燃烧时会释放出大量的有毒性烟雾，且为了阻止火灾在客舱中的大范围传播，进而为旅客争取更多的逃生时间，FAA提出对客舱内部使用各种壁板进行阻燃及烟气释放测试[29]。国外一些企业和科研单位也成功开发了多种可量产的民机内饰材料，如美国M.C.GILL和CYTEC公司通过实验合成出具有优异阻燃性能和低烟低毒功能的酚醛阻燃复合材料产品，广泛应用于波音、空客等民用航空器舱内装饰部件；德国亚琛工业大学的塑料加工研究院开发出的酚醛蜂窝结构材料，具有优良的阻燃防火等性能，已应用于空客的机舱行李箱门件中[30]。经过多年飞行验证和不断完善，波音、空客等民用航空器制造商建立了全面的内饰材料性能测试标准，即高效阻燃、低烟低毒性和低成本成为内饰材料的发展趋势。
3.2 世界民航强国民用航空器火警探测系统发展现状
国外在民用航空器火警探测系统的研究较早，关于民用航空器火灾过程模拟的研究手段和研究成果也更丰富。Edwards等[31]通过利用CFD软件研究火灾引起的浮力诱发燃烧产物扩散模型，进而计算火焰的热释放速率，并通过CFD软件来预测在零气流条件下入口火灾的蔓延[17]。FAA休斯技术中心建议利用烟雾发生器来模拟火灾烟气进而通过航空器火警探测装置对烟气特性进行检测[32]。巴西航空工业运用FLUENT软件对波音707货舱进行了烟雾仿真测试，将模拟实验得出的温度场、烟气组分浓度数据与FAA的货舱烟雾扩散实验进行数据比对[33]。Blake等人在波音707货舱内利用3种不同的燃烧火源进行烟雾扩散实验，对燃烧烟气组分及烟雾场变化进行了数据记录[34]。FAA的圣地亚国家实验室开发出了用以模拟货舱烟雾扩散的动力学模型，通过在民机货舱中进行全尺寸火灾测试，利用数据采集器记录烟雾场的变化并与模拟扩散模型进行对比，进而优化设计出有效的火警烟雾探测系统[35]。
3.3世界民航强国机载灭火系统发展现状
美国等民航强国对机载灭火系统中Halon替代灭火剂的研究起步较早，且已取得了一系列重大成果[21,23]。目前，FAA已评估了7种具有潜在应用价值的手提式Halon替代灭火剂，其中3种（HFC-227ea、HFC-236fa、HCFC Blend B）已完成最低性能标准（MPS）测试并获得了美国保险商实验室（UL）认证，且已在2011年发布的咨询通告（AC20-42D）中得到了推荐。目前，部分A320民用航空器在盥洗室中换装了HFC-236fa灭火剂，而BTP灭火剂也因其低毒性而被波音公司致力研究[19]。FAA对HFC-125、Novec1230、CF3I等灭火剂进行了MPS测试，并制定了灭火有效性判断标准；其中空客公司重点关注Novec1230民用航空器发动机舱灭火剂；而CF3I灭火剂的灭火效率虽然高，但因其具有高毒性而需要在使用时慎重考虑以防因扩散到客舱而伤及乘客[19]。此外，NaHCO3超细干粉因其具重量轻、灭火效率高等优点，也成为发动机和APU舱Halon替代灭火剂的热门选择。FAA也建立了货舱细水雾MPS测试标准，相关实验证明细水雾灭火系统可以通过该测试。且细水雾因其无环境污染、灭火迅速的特点，被认为是民用航空器货舱灭火系统的较为理想的灭火剂[21]。
3.4世界民航强国民用航空器机载锂电池发展现状
国外关于大功率锂电池在民用飞机机载应用方面的研究起步早且较为成熟，多集中于美欧航空强国。FAA及大飞机制造商（波音和空客公司）分别成立机载锂电池和燃料电池的安全研究工作小组，开展机载大功率电池的实验研究。其中，波音公司率先在B787上使用大容量高功率锂电池作为主电池和辅助动力装置电池[36]，此款全球首次采用锂电技术的多电民用运输飞机，2013年经过两次电池起火事件的改进后才得以安全稳定投入运营。空客公司因B787事件更改了A380和A350机型上装载锂电池方案设计[37]。FAA等已开展包括锂电池热灾害及其扩展特性、内短路早期检测、电池组热扩展与抑制等关键安全管理技术，研究内容涵盖电池危险性评估、热灾害预警防控技术、燃料电池等新型机载电池研发等方面，并形成锂电池的安装技术指南和适航认证标准体系，包括可充电锂电池机载指南RTCA SC-225，及不可充机载指南RTCA DO-235，并不断通过实验验证对其进行补充更新[38-40]。随着研究推进和多电全电飞机发展，未来将会有更多民用机型上装载运用锂电池技术。但国外可借鉴研究多基于地面静态环境，难以说明飞行变动压力、温度变加速度振动等条件下相关问题。开展我国民用航空器机载锂电池安全研究，特别飞行中变动压力、温度等环境下锂电池机载安全系列研究，可以有效解决飞行环境下机载锂电池热安全技术难题，形成自主的防火适航验证标准。
四、民航强国背景下民用航空器防火适航科技发展趋势
美欧民航强国虽已占领了适航认证的制高点，但其认证标准却是基于常压下的科学数据制定的。然而，民用航空器正常运输条件下客舱和货舱的气压仅为标准大气压的80%，尤其对于飞机外部的结构，其所处的环境压力不足标准大气压的30%。研究表明，低压下材料燃烧的火行为会发生变化，如热释放速率减小、烟气浓度增大等；机载锂电池在低压和变动压力下热失控发展态势也有明显区别，如短时间释放可燃气体集聚已发生爆炸等。这就要求我们必须研究真实环境下民用航空器制造材料、火灾探测系统、灭火系统和机载锂电池热安全防护的相关性能，并在此基础上制定出更加科学的航空器防火适航技术标准体系。因此，新时代民航强国背景下，为提高国产大飞机的国际竞争力，我国民用航空器防火技术必须走依靠科技创新的内涵式发展道路。
为此，我国民用航空器防火适航科技创新可以从以下几个方面开展相关研究：
（1）民用航空器的防火设计及其适航审定技术
防火设计是民用航空器采取的主动防火措施，代表飞机的本质安全性能。因此，合理的防火设计是保证民机安全飞行的基本要求。防火设计包括飞机的设计构造以及制造材料。不断增加复合材料的使用量是民用航空器制造不可逆转的发展趋势，在众多科研单位不遗余力地研发新材料的同时，民航部门必须及时建立和完善相应的适航审定技术。
（2）民用航空器的火警探测系统及其适航审定技术
火灾探测与报警技术是民用航空器防火技术的重要组成部分。火灾自动报警系统通过感温、感烟和感光等探测器将火灾燃烧时产生的烟雾、热量和光辐射等物理量转成电信号传到火警控制器，同时显示出火灾发生的部位并发出警报信号，保证能够及时采取灭火措施，实现把火灾控制和消灭在初期阶段[41]。随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术以及人工智能等技术的快速发展，使得研发能够滤除干扰、识别真假火灾、可靠性高，并能实现智能判断火灾的机载火警探测系统成为可能。
（3）民用航空器的灭火系统及其适航审定技术
Halon灭火剂是民用航空器使用多年且十分可靠的灭火剂，然而由于其对臭氧层的破坏作用，该类灭火剂已在地面遭到淘汰，机载Halon灭火剂也被各个国际组织和国家民航部门限制使用。美欧民航强国已研制出了用于飞机不同舱室的Halon替代灭火剂，并已制定了相应的MPS，而我国的此类研究尚处于起步阶段。因此，我国民航部门应鼓励各科研单位积极开展Halon替代灭火剂的研究工作，并利用我国独有的高高原实验室等资源，制定出更加科学合理的中国版MPS和适航审定标准，以掌握民用航空器防火领域的国际话语权。
（4）民用航空器机载锂电池热灾害防控技术
采用模拟分析、小尺度机理研究、大尺度工程验证实验相结合思路，从民机飞行中变动压力（12kPa~101kPa）、温度（-40℃~60℃）、变动加速度等维度，研究飞行中民机机载锂电池热灾害预警与防控技术，厘清飞行变动条件下锂电池热失控特性机理，揭示锂电池在受载条件下热失控-短路失效原因，形成动态条件下机载锂电池多参量耦合监控的热失控预警信号系统，研究为大功率锂电池在飞机上的安装、使用提供真实、可靠、针对性的数据支撑，并研发适用于民用飞机高效安全的机载锂电池系统，形成自主的民机机载锂电池适航验证技术。
（5）国产民机防火系统性能试飞验证关键技术
开展模拟飞行环境下飞机防火系统火警探测及灭火有效性试飞验证关键技术研究，建立适用于国产民用飞机防火系统性能试飞验证的技术标准和试验方法，获得飞行中国产民机飞机防火系统试飞试验数据，为国产民用飞机的适航审定试飞提供理论和技术支撑，同时为我国民航飞机试飞员培养提供技术支持。（作者：刘全义 中国民用航空飞行学院民航安全工程学院）
参考文献
[1] 海思思. C919中国大飞机再引热议[J]. 中国科技财富, 2011, (07): 65-67.
[2] 吴婧. 国产飞机能复制高铁奇迹吗[J]. 综合运输, 2014, (12): 88-88.
[3] 赵晶. C919货舱拦阻网固定装置设计及适航验证研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2019.
[4] 鲍梦瑶. 国际民航组织适航标准与中国民航适航规章的关联[J]. 科技导报, 2019, 37(5): 17-24.
[5] 胡保全, 牛晋川. 现金符合材料[M]. 国防工业出版社: 2006.
[6] 罗秋生, 李世峰, 裴会平. 航空发动机钛火预防技术研究的进展[J]. 航空动力学报, 2012, 27(12): 2763-2768.
[7] 刘全义, 孙中正, 吕志豪, 等. 不同压力条件下典型机舱材料燃烧特征的实验研究[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2019, 59(6): 432-437.
[8] 陈光, 蔡英文, 李建国, 等. 熔体热处理研究及其应用[J]. 河北科技大学学报, 1998, (3): 8-14.
[9] 曾卫东, 徐斌, 何德华, 等. 应用加工图理论研究Ti-2AlNb基合金的高温变形特性[J]. 稀有金属材料与工程, 2007, (4): 592-596.
[10] 杨雪梅. 酚醛阻燃复合材料在民用飞机上的应用[J]. 工程与试验, 2015, 55(3): 30-34, 103.
[11] 软如丝轻如絮保温好隔音强 新型玻璃纤维服务国产大飞机[J]. 中国材料进展, 2015, 34(10): 781.
[12] 左小彪, 王伟, 冯志海,等. 低烟低毒型阻燃酚醛复合材料的制备与性能表征[J]. 高科技纤维与应用, 2014, (3): 25-31
[13] Kruell W, Schultze T, Willms I, et al. Developments in Non-Fire Sensitivity Testing of Optical Smoke Detectors- Proposal for a New Test Method[J]. Fire Safety Science, 2011, (10): 543-554.
[14] https://www.ecmag.com/section/safety/smoke-detectors.
[15] 杨建忠, 魏益祥, 杨士斌, 等. 运输类飞机货舱烟雾扩散数值模拟研究[J]. 科学技术与工程, 2016, 16(24): 307-312+318.
[16] 颜维旭. 封闭空间气相污染物对流扩散分析[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2009.
[17] 黄士均. 座舱烟雾扩散规律及符合性验证技术研究[D].天津: 中国民航大学, 2015.
[18] 张青松, 纪欢乐, 杨一楠. 通风对飞机客舱火灾烟气影响模拟[J]. 消防科学与技术, 2012, (10): 1041-1044.
[19] 宣扬, 银未宏. 民用飞机哈龙替代灭火技术应用及发展趋势[J]. 科技信息, 2011, (22): 709-710.
[20] 窦欣. 民用飞机哈龙灭火剂限制政策研究[J]. 科技视界, 2017, (8): 257, 227.
[21] 胡博. 哈龙替代灭火剂在民用飞机手提式灭火瓶中的应用研究[J]. 科技视界, 2015, (28): 105+232.
[22] 戴经天. 低压环境细水雾灭火有效性实验研究[D]. 广汉: 中国民用航空飞行学院, 2019.
[23] 吴海涛, 柳华, 曾泰, 等.哈龙替代灭火剂在飞机手提式灭火器上的应用及适航研究[J]. 民航学报, 2020, 4(1): 84-88.
[24] 刘泽元. 飞机蓄电池测试技术研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2015.
[25] 张青松, 曹文杰, 罗星娜, 等. 基于多米诺效应的锂电池热释放速率分析方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(5): 902-907.
[26] 刘全义, 吕志豪, 韩旭, 等.热源功率对100%荷电量锂离子电池燃爆特性的影响[J]. 河南科技大学学报(自然科学版), 2019, 40(6): 95-99,109.
[27] 赵永庆. 阻燃钛合金研究进展[J]. 钛工业进展, 1996, (5): 48-49.
[28] Federal Aviation Administration. Section 25.853: Pressurized cabins. In Title 14: Aeronautics and Space, Part 25: Airworthiness standards: Transport category airplanes, Subpart D: Design and Construction.
[29] https://www.sohu.com/a/204004473_115926
[30] 杨雪梅. 酚醛阻燃复合材料在民用飞机上的应用[J]. 工程与试验, 2015, 55(3): 34-38, 107.
[31] Edwards J C, Hwang, et al. CFD analysis of mine fire smoke spread and reverse flow conditions [J]. Proceedings of Theghth Us Mine Ventilation Symposium Rolla Missouri, 1999.
[32] Emami T. Characterization of smoke machines in testing aircraft smoke detectors [D]. The State University of New Jersey, 2017
[33] Papa R, Pustelink M, de C Santos L C. A CFD model for cargo compartment smoke detection[C]. 2005 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Orlando, Florida USA: 2005: 1-9.
[34] Blake D, Suo-Anttila J. Aircraft cargo compartment fire detection and smoke transport modeling[J]. Fire Safety Journal, 2008, 43: 576-582.
[35] Jill Suo-Anttila, Walt Gill, Anay Luketa-Hanlin, et al. Cargo Compartment Smoke Transport Computational Fluid Dynamics Code Validation [J]. DOT/FAA/AR-07/27, Federal Aviation Administration. 2007.
[36] .杨敏. 锂电池在航空领域的应用再现曙光[J]. 航空维修与工程, 2017, (9): 30-32.
[37] 刘春明, 金英, 张岚岚. 波音787锂电池问题研究[J]. 航空制造技术, 2016, (10): 106-109.
[38] Waqas UL Arifeen, Minchoel Kim, Dong Ting, Rendi Kurniawan, et al. Hybrid thermal resistant electro spun polymer membrane as the separator of lithium ion batteries[J]. Elsevier B.V., 2020, 245.
[39] Yun Yang, Zhirong Wang, Juncheng Jiang, et al. Effects of different charging and discharging modes on thermal behavior of lithium ion batteries[J]. Fire and Materials, 2020, 44(1).
[40] Ahmed O. Said, Christopher Lee, Xuan Liu, et al. Simultaneous measurement of multiple thermal hazards associated with a failure of prismatic lithium ion battery[J]. Elsevier Inc. 2019, 37(3).
[41] 尚金梅, 冯勇. 浅谈火灾自动报警系统的组成和形式[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊), 2009, (1): 252.
