(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

民用客機火警探測缺陷與應用限制

胡 焱

(中國民用航空飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

大部分火災都會產(chǎn)生相應的煙霧、溫度、有毒氣體，針對民航飛機經(jīng)常出現(xiàn)的假火警，介紹了民用客機三種常見的火警探測系統(tǒng)，分析了當前火警探測系統(tǒng)存在的缺陷與應用限制。最后，就民用客機火警探測技術(shù)在應用中的不足提出改進方案，對該技術(shù)的發(fā)展有著一定的指導意義。

火警探測器；民用飛機；假火警；應用限制

0 引言

隨著民航技術(shù)的飛速發(fā)展，民用飛機已成為主要的交通與運輸工具。目前，火災是威脅飛機安全飛行的一大因素，飛機一旦發(fā)生火災輕則返航或迫降重則機毀人亡。因此需要在火災發(fā)生初期給出快速、準確的報警，然而現(xiàn)民用客機火警探測系統(tǒng)普遍存在火災響應慢。美國聯(lián)邦航空條例25.858規(guī)定：要求火災探測系統(tǒng)在火災發(fā)生1分鐘內(nèi)給機組發(fā)出警告[1]。

誤警率高是當前火災探測系統(tǒng)急需解決的另一大問題。據(jù)美國FAA技術(shù)中心統(tǒng)計1995～1999年間，平均200起火警報告中只有1起是真火警[2]。一旦飛機發(fā)出火災報警機組人員必須嚴格按照真火警迅速采取相應措施。過多的假火警無疑給飛機帶來巨大的威脅，給航空公司帶來巨大的經(jīng)濟損失，所以本文介紹了當前民用客機上使用較多的感煙型、感溫型和氣敏型火災探測器，著重分析了其存在的缺陷與應用限制，對其發(fā)展具有重大的意義。

1 感煙型火警探測器

現(xiàn)民航客機中使用的感煙型火警探測器主要有兩種[3]：光電式感煙探測器和離子式感煙探測器，前者是利用光電效應，而后者則是利用放射性元素對空氣分子的電離。

感煙型火警探測器主要用于飛機客艙、廁所、電子設備艙等。如圖1為空客A320上探測器安裝位置[4]，飛機客艙與廁所中的煙霧探測器通常安裝于頂板之上，采集客艙與廁所內(nèi)空氣進行火警探測。電子設備艙煙霧探測主要安裝于通風系統(tǒng)排氣管道中，進行氣體采樣以完成煙霧探測。這種采用主動采集空氣方式提高了火警探測的效率。

圖1 煙霧探測器在客機中的應用

1.1 光電式煙霧探測器部件實際設計

光電式煙霧探測器以煙霧探測室為核心，如圖2所示[5]，探測器內(nèi)部主要由光電管、信號燈、測試燈等組成，光電管與信號燈光束之間存在90°的夾角。正常情況下信號燈發(fā)射的水平光線無法照射在光電管上，當發(fā)生火災時煙霧粒子進入煙霧室，光線照射在粒子上發(fā)生散射，使光電管受到光照產(chǎn)生電流。煙霧濃度越大，進入探測器內(nèi)的煙霧粒子就越多，從而產(chǎn)生的電流就越大，當電流超過設定的閾值時探測器發(fā)出報警信號。同時在探測器中設置了測試燈，能夠產(chǎn)生光信號直接照射到光電管中，產(chǎn)生光電效應，實現(xiàn)該探測的自檢。

圖2 光電型煙霧探測器

1.2 離子式煙霧探測器部件實際設計

離子型煙霧探測器主要應用于早期的客機中[6]。如圖3所示，離子型煙霧探測器利用了放射性材料镅-241放射源使得電離室空氣電離[7]，形成離子束射擊到靶上形成電流。當發(fā)生火災時，煙霧粒子進入電離室后，正負離子依附到煙霧粒子上，從而減少了移向正負板極的離子數(shù)量，導致電流減小?？諝庵械臒熿F粒子濃度越大，其離子式煙霧探測器輸出電流就越小，當其輸出電流大小低于探測閾值時發(fā)出報警。

圖3 離子型煙霧探測原理圖

1.3 感煙型火警探測器應用限制

現(xiàn)代民用飛機感煙型火警探測器普遍存在著火災響應慢、誤報率高，這在一定程度上限制了它的發(fā)展?；趯Ω袩熜突鹁綔y器所處環(huán)境以及自身設計的分析，得出以下可能導致這一缺陷的原因：

(1)貨艙中的灰塵、絨毛、小水滴等與煙霧顆粒大小相仿[8]，飛機在起飛、降落或空中發(fā)生顛簸時這些雜質(zhì)容易被吸到探測器中，從而產(chǎn)生假火警。

(2)空氣中煙霧粒子通常為0.01um～10um，這將導致只有一部分煙霧粒子能夠?qū)猱a(chǎn)生反射和散射，降低煙霧探測的靈敏度。

(3)光電式感煙探測器是利用光電效應產(chǎn)生電流[9]，經(jīng)放大器放大后分析，這造成了其易受電子噪聲的影響，尤其是電子艙中的煙霧探測器。

(4)燃燒中產(chǎn)生的黑色煙霧具有吸收光線的能力[10]，對于照射在其上的光輻射以吸收為主，散射光很弱，從而使探測靈敏性較差。

(5)離子式感煙探測器采用的是放射性元素，這在一定程度上勢必會導致在生產(chǎn)、使用以及報廢過程中對環(huán)境和人造成傷害。

2 感溫型火警探測器

發(fā)動機艙和APU艙著火通常是由于燃油或滑油系統(tǒng)部件和管路的滲漏造成的[11]，此類火災早期時間段很短，火災表象也很復雜，所以對于發(fā)動機艙和APU艙的火警探測通常采用的是感溫型火警探測。如圖4所示，其實現(xiàn)了對發(fā)動機扇區(qū)、發(fā)動機核心區(qū)、吊艙以及APU艙的溫度實時監(jiān)控[12]?，F(xiàn)常使用的感溫型火警探測器有兩種：熱敏電阻式和氣壓式。

圖4 感溫型線式火警探測器分布圖

2.1 熱敏電阻式感溫探測器部件實際設計

熱敏電阻式感溫探測器，其感溫部分是以合金管為外殼，在合金管中有兩條陶瓷內(nèi)芯，其中一根與合金管相連，另一根與繼電器地端相連。在導線和合金管中充滿了大量共晶鹽，如圖5所示。常溫情況下，共晶鹽為晶體狀。當合金管外部溫度達到設定溫度時，共晶鹽將迅速熔化，使1，2號金屬導線間的電阻值減小，從而導致1號金屬導線上的電流增大[13]。當電流達到報警閾值時，1號金屬導線所連接的繼電器由于電流磁效應而接通，輸出火警或過熱信號。

圖5 熱敏電阻式感溫探測器原理圖

2.2 氣壓式感溫探測器部件實際設計

氣壓式感溫探測器的感溫部分采用的是氣壓感應管，實現(xiàn)了將溫度感應轉(zhuǎn)化為氣壓量。該氣壓感應管處于密封狀態(tài)的不銹鋼細管內(nèi)，管內(nèi)充滿了氦氣和具有釋放和吸收氫氣材料制作的內(nèi)芯金屬絲。細管中的氦氣通過氣體受熱膨脹來進行平均過熱探測，而內(nèi)芯金屬絲的釋放氫氣主要用于局部著火型探測。如下圖6所示[14]，在正常溫度下，氣體室中的壓力，不足以使報警電門的活動觸點和固定觸點閉合，報警電門斷開，信號線和電源之間通過一電阻連通。當外界探測溫度升高到一定值時，氣體室內(nèi)密閉氣體的壓力增加，推動報警電門的活動觸點也向左彎曲和固定觸點接通電流，將使得電源和信號線直接接通輸出火警信號。

圖6 氣壓式感溫探測器工作原理圖

2.3 感溫型火警探測器應用限制

環(huán)境適應性、誤警率、反應時間、可靠性等是決定感溫型火警探測器能否被廣泛應用的關(guān)鍵。通過對探測器自身材料、設計以及所處環(huán)境的分析，發(fā)現(xiàn)主要存在以下限制因素：

(1)溫度在傳播過程中速度慢、靈敏度低從而導致感溫火警探測器對火災響應慢，無法滿足火災早期報警。

(2)探測器的合金管上容易附著塵埃和油脂降低探測靈敏度，需要定期進行檢查和清理，這給探測器的日常維護與保養(yǎng)帶來不便。

(3)熱敏電阻式感溫探測器使用的晶體鹽泄漏不易檢查，需要定期進行檢測。

(4)火災初期往往是陰燃火，煙氣溫度無法在短時間內(nèi)達到探測器的響應閾值，容易導致報警不及時。

(5)發(fā)動機等艙內(nèi)溫度高，因此要求探測器采用耐高溫材料，提高了應用成本，就氣壓式探測器而言溫度過高還會導致氣壓感應管壓力過大易產(chǎn)生微小泄漏，降低靈敏性。

(6)電阻式感溫探測器使用原理是將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號，這在一定程度上決定了其易受到電子噪聲的影響。

(7)探測過程是以閾值方式進行報警，此邏輯分析過于簡單，很難滿足復雜多變的艙內(nèi)環(huán)境。

3 氣敏型火警探測器

火災初期往往會伴隨著大量的氣體產(chǎn)生，其中最典型的就是CO。正常情況下CO氣體在空氣中含量極低，一旦發(fā)生火災空氣中CO濃度發(fā)生急劇變化，使用CO氣體探測器能夠有效的探測出濃度變化情況，從而判別出是否發(fā)生火災。目前CO氣體探測器主要用于客艙和駕駛艙。

3.1 氣敏型火警探測器部件實際設計

民用客機上氣敏型火警探測器主要采用金屬氧化物傳感器[15]，如圖7所示。該結(jié)構(gòu)主要包括氧化鋁基板、加熱器、敏感材料層等，敏感材料通常采用SnO2。探測器工作時，多晶結(jié)構(gòu)的SnO2膜在高溫條件下晶格表面氧被吸收產(chǎn)生負電荷，進而晶格表面的電子進入氧分子中，使其形成正電荷，從而產(chǎn)生電勢壘。當CO氣體進入探測器中氧離子數(shù)量減少，電勢壘降低，阻抗減小，通過測量探測器的阻抗來探測CO氣體濃度，當所測濃度高于所設定的閾值時發(fā)出火警信號。

圖7 CO探測器外形與整體結(jié)構(gòu)

3.2CO火警探測器應用限制

CO火警探測器相對感煙型、感溫型火警探測器靈敏度高、響應快、使用壽命長，但同時也存在著以下的不足：

(1)CO火警探測器工作溫度高、功耗大，使用過程需要加熱，從而給使用帶來不便增加成本；

(2)通常探測器安裝區(qū)域分布大量電線，一旦導線老化容易造成火災；

(3)容易受潮失效，且易受可燃性氣體腐蝕長時間使用會降低探測器的靈敏度，需要定期檢查，給設備的維修與保養(yǎng)帶來不便；

(4)選擇性差，易受H2、NO、揮發(fā)性有機物等干擾。

4 改進方法

目前民用飛機火警探測器在使用過程中由于受到自身材料、設計、以及所處環(huán)境的影響，嚴重威脅到正常的飛行安全。提高火警探測器的響應速度、降低誤警率是當前急需解決的重大問題。結(jié)合火災探測器的發(fā)展趨勢筆者提出以下改進方案：

(1)設計復合火警探測器[16]，改變以往通過單一火警判決條件為通過判斷兩個及兩個以上的條件來決定是否發(fā)出火警信號。

(2)以往在處理火災信號時使用的是簡單的“與”、“或”邏輯，其無法滿足復雜多變的環(huán)境要求，可考慮使用更加“智能”的算法如：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡[17]等。

(3)根據(jù)探測器使用區(qū)域的不同在設計時使用特定性能的材料，例如：在發(fā)動機艙等溫度較高的區(qū)域使用耐高溫材料，在電子設備艙使用防電子噪聲的材料。

(4)為特定的貨艙(尤其是裝有服裝、水果、蔬菜、家禽等)提供相應的空調(diào)和控制氣體的環(huán)境，可有效的降低火警探測器的誤報率。

5 結(jié)語

以上介紹了現(xiàn)民用客機中常用的感煙型、感溫型以及氣敏型火警探測器，對其在客機中的實際設計和工作原理做了介紹。并結(jié)合探測器自身性能與所處環(huán)境，分析了在使用過程中的應用限制，指出了探測器的不足，并就民用客機火警探測器在應用中存在的不足提出改進方案，為火警探測器的發(fā)展提供參考。

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[責任編輯、校對：張朋毅]

Defects and Application Limitations of Civilian Aircraft Fire Detection

HUYan

(Aviation Engineering Institute, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

Most fires will produce smoke, temperature and toxic gas accordingly.This paper presents three common fire detection systems of civilian aircraft on the basis of false fire in civil aircraft.It also analyzes the shortcomings and limitations of the current application of fire detection systems.Lastly, it brings forward the program to enhance civilian aircraft fire detection technology's application, which is of instructive significance for the development of the technology.

fire detector; civilian aircraft; false fire; application limitations

2015-03-10

胡焱 (1973-)，男，四川大英人，副教授，從事航空電子設備研究。

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1008-9233(2015)03-0020-04