王偉 王堅(jiān) 楊君濤 張永豐 任常興

(1.應(yīng)急管理部上海消防研究所 上海 200032； 2.清華大學(xué)公共安全研究院 北京 100084；3.應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

我國(guó)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)展迅猛，ARJ21和C919相繼問(wèn)世，中國(guó)商飛預(yù)計(jì)在未來(lái)20年內(nèi)全球大型民用飛機(jī)將新增37 000多架，客運(yùn)周轉(zhuǎn)量將達(dá)到17萬(wàn)億人公里。民機(jī)貨艙位于機(jī)艙腹部，輸運(yùn)貨物種類繁雜且一般呈散裝堆放，其中不乏含鋰電池電子產(chǎn)品、氣溶膠類等易燃易爆品，極易引起艙內(nèi)超壓6.895 kPa限值而觸發(fā)艙體卸壓板。此外，碳纖維復(fù)合材料、鎂合金材料等航空新材料逐漸推廣應(yīng)用，對(duì)大飛機(jī)火災(zāi)防護(hù)不斷提出新的挑戰(zhàn)。貨艙火災(zāi)已成為威脅航空安全的主要因素，近年來(lái)發(fā)生多起貨艙貨物起火造成機(jī)毀人亡的事故[1]。與平原地區(qū)燃燒相比，飛機(jī)貨艙火災(zāi)處于特殊低壓低氧的受限空間中，其碳顆粒濃度和輻射熱通量等降低，使得機(jī)載光電感煙探測(cè)系統(tǒng)更難準(zhǔn)確報(bào)警[2]。目前對(duì)大飛機(jī)高空降/升壓過(guò)程火災(zāi)動(dòng)力學(xué)特性、降壓過(guò)程抑滅火效能以及升壓過(guò)程中火災(zāi)復(fù)燃機(jī)制等問(wèn)題認(rèn)識(shí)不清，缺乏關(guān)于動(dòng)態(tài)變壓和細(xì)水霧對(duì)氣溶膠爆炸抑制機(jī)制等的研究。如何有效抑制氣溶膠燃爆，保護(hù)機(jī)上人身財(cái)產(chǎn)安全，是民機(jī)貨艙高空火災(zāi)研究的一個(gè)重要安全課題。

近年來(lái)，隨著航空防滅火和高原火災(zāi)等問(wèn)題所受到的關(guān)注日益增加，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)飛機(jī)貨艙在高海拔或低壓低氧特殊環(huán)境下火災(zāi)動(dòng)力學(xué)特色及火災(zāi)危險(xiǎn)性開展了大量研究工作。在受限空間內(nèi)細(xì)水霧抑制爆炸方面，2004年P(guān)ARRA T 等[3]在受限空間內(nèi)開展細(xì)水霧與預(yù)混火焰作用研究，提出了細(xì)水霧能夠延緩火焰前鋒壓力波的向前傳遞。2009年李成兵等[4]分析了細(xì)水霧在抑制甲烷燃爆過(guò)程中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)作用機(jī)理。CAO X等[5]采用NaCl作為添加劑，開展了超細(xì)水霧抑滅火不同濃度瓦斯氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為超細(xì)水霧從物理和化學(xué)作用兩方面有效提高抑爆效果。2009年WILLAUER H D等[6]在管狀容器中開展細(xì)水霧抑制TNT和Destex爆炸實(shí)驗(yàn)，證明了細(xì)水霧對(duì)初壓和靜態(tài)超壓有較好的控制作用。2016年LINTERIS G T等[7]采用C3H2F3Br開展飛機(jī)貨艙抑制氣溶膠爆炸實(shí)驗(yàn)，有效降低艙體內(nèi)峰值溫度和超壓強(qiáng)度，并提出其滅火抑爆熱動(dòng)力學(xué)模型和燃燒增強(qiáng)機(jī)理。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)長(zhǎng)期開展飛機(jī)貨艙特殊火行為和抑滅火系統(tǒng)研究，JOHN W R[8-9]開展了多項(xiàng)氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)，并于2012年更新制定了飛機(jī)貨艙內(nèi)針對(duì)包括氣溶膠在內(nèi)的4類火災(zāi)場(chǎng)景的哈龍?zhí)娲鷾缁饎┳畹托阅軜?biāo)準(zhǔn)。2016年YANG S L等[10]重點(diǎn)研究了低壓條件對(duì)正庚烷燃燒煙氣中碳顆粒濃度、微觀形貌特征、煙粒子散射特性等方面的影響。2019年WANG W等[11]研究了降壓抑滅火措施對(duì)貨艙內(nèi)液體和固體火災(zāi)不同的影響機(jī)制，并分析兩者不同的火災(zāi)危險(xiǎn)性階段。國(guó)內(nèi)外針對(duì)動(dòng)態(tài)變壓環(huán)境特殊火行為以及民機(jī)貨艙細(xì)水霧滅火抑爆機(jī)制方面已開展了大量研究，為本課題提供了良好的研究基礎(chǔ)，但缺乏真實(shí)機(jī)艙環(huán)境特別是飛行狀態(tài)的測(cè)試環(huán)境，仍存在一些不足之處?，F(xiàn)階段對(duì)于民航貨艙受限空間內(nèi)氣溶膠燃爆特性研究較為缺乏，對(duì)于細(xì)水霧對(duì)氣溶膠爆炸抑制機(jī)制不清，亟需借助于全尺寸的模擬標(biāo)準(zhǔn)艙開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及裝置

1.1 全尺寸動(dòng)態(tài)變壓標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)貨艙

符合美國(guó)FAA-MPS標(biāo)準(zhǔn)的全尺寸動(dòng)態(tài)變壓標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)貨艙于2016年8月在康定機(jī)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室搭建完成，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)艙體內(nèi)腔室尺寸為8.11 m×4.16 m×1.67 m，總?cè)莘e為56.6 m3，主要由艙體、氣壓控制系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、頂棚、實(shí)驗(yàn)裝置、電控系統(tǒng)、外圍設(shè)備等組成，可以重現(xiàn)民航大飛機(jī)在火災(zāi)應(yīng)急情況下真實(shí)貨艙變壓條件。通過(guò)由高壓泵站組成的氣壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)艙內(nèi)氣壓，其艙內(nèi)氣壓可調(diào)節(jié)范圍是24～110 kPa (9.144 km至海平面)，動(dòng)態(tài)變壓速率可設(shè)定范圍為3～20 kPa/min，艙體還配備有艙門氣體泄漏模擬系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)艙體是國(guó)際首創(chuàng)的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變壓條件下貨艙火行為特性及其抑滅火技術(shù)探究的全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在艙內(nèi)開展多種類型的火災(zāi)、爆炸及滅火實(shí)驗(yàn)研究，為本文研究?jī)?nèi)容的最主要研究載體。

(a)外部全景

1.2 氣溶膠爆炸裝置研制

課題組研制高壓氣溶膠爆炸觸發(fā)裝置示意見圖2，由氣溶膠混合腔體、壓力傳感器(罐壓)、氣動(dòng)閥、熱風(fēng)槍、固定架等組成。固定好爆炸裝置支架，安裝氣動(dòng)閥、壓力傳感器和熱風(fēng)槍等，壓力傳感器(罐壓)與無(wú)紙記錄儀相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣溶膠罐內(nèi)混合物壓力。氣動(dòng)閥與高壓氣路相連控制閥門開關(guān)，氣動(dòng)閥球閥從關(guān)閉到全開時(shí)間控制在0.1 s以內(nèi)，保證氣溶膠蒸氣云的形成。采用電弧點(diǎn)火器進(jìn)行氣溶膠引爆，點(diǎn)火器與氣溶膠腔體釋放口相平齊，距離地面高度61.0 cm，距離釋放口水平距離91.4 cm。

圖2 氣溶膠爆炸實(shí)驗(yàn)裝置示意

氣溶膠由水、乙醇和液態(tài)丙烷按照90 g∶270 g∶90 g比例組成，將拆卸后的氣溶膠罐體放置于高精度天平上，將稱重后的水和乙醇依次加入罐內(nèi)，之后將氣溶膠罐與丙烷鋼瓶連接，打開鋼瓶閥門通過(guò)天平質(zhì)量控制注入90 g液態(tài)丙烷。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地人員撤離到安全位置后開啟熱風(fēng)槍對(duì)混合腔體加熱，升溫后罐體內(nèi)壓力增大，當(dāng)混合腔體壓力達(dá)到1.6 MPa時(shí)，先斷開熱風(fēng)槍電源，然后氣動(dòng)閥控制器觸發(fā)啟動(dòng)，釋放形成氣溶膠氣云。

2 民機(jī)貨艙受限空間內(nèi)氣溶膠燃爆機(jī)制

2.1 開放空間氣溶膠燃爆

在開放空間中氣溶膠燃爆過(guò)程見圖3，通過(guò)高速攝像機(jī)獲得燃爆過(guò)程圖像，氣動(dòng)閥觸發(fā)后氣溶膠迅速噴出形成白色蒸氣云，蒸氣云向前方運(yùn)移擴(kuò)展體積增大，接觸到火源后被引爆伴有巨大響聲和沖擊波。燃爆火焰在氣溶膠蒸氣云內(nèi)迅速傳播，在慣性的作用下整體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，燃爆初期階段燃爆火焰成球狀，隨爆炸發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)條狀。在靠近氣溶膠釋放口側(cè)蒸氣云有部分未參與燃爆過(guò)程，推測(cè)與氣溶膠中組成有關(guān)。

(a)氣溶膠觸發(fā) (b)氣溶膠點(diǎn)燃 (c)氣云全面燃爆 (d)燃爆衰減

2.2 模擬貨艙內(nèi)氣溶膠燃爆特性

本次受限空間內(nèi)氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)在課題組研制的受限空間氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)完成，在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置見圖4。電弧式點(diǎn)火器位于氣溶膠釋放口正前方91 cm處，采用沙袋進(jìn)行加固，4組爆炸沖擊波壓力傳感器依次等間距1 m布置在點(diǎn)火器前面，第一個(gè)傳感器位置靠近點(diǎn)火器。

圖4 受限空間燃爆實(shí)驗(yàn)布置

在受限實(shí)驗(yàn)艙體內(nèi)氣溶膠燃爆過(guò)程見圖5，通過(guò)高速攝像機(jī)獲得燃爆過(guò)程圖像，氣動(dòng)閥觸發(fā)后氣溶膠迅速噴出形成白色蒸氣云，蒸氣云向前方運(yùn)移擴(kuò)展體積增大，蒸氣云接觸到點(diǎn)火器的初期未直接發(fā)生燃爆，在蒸氣云向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中突然被點(diǎn)燃發(fā)生爆炸，燃爆火焰向前后方均發(fā)生爆炸傳播，在開放空間氣溶膠氣云運(yùn)動(dòng)和燃爆傳播均在噴射口前方區(qū)域且向前傳播。在模擬貨艙受限空間內(nèi)所形成爆炸火焰體積更大更明亮，在艙體高程1.67 m范圍內(nèi)充滿火焰，同時(shí)伴隨爆炸聲響，受艙體隔絕影響爆炸聲響較小，燃爆后火焰明亮度降低，體積迅速減少并消失。

(a)氣溶膠觸發(fā) (b)氣溶膠點(diǎn)燃 (c)氣云全面燃爆 (d)燃爆衰減

2.3 點(diǎn)火能和氣壓對(duì)氣溶膠燃爆的影響

分別采用電弧點(diǎn)火器和10 cm正庚烷油池火做為點(diǎn)火源進(jìn)行氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)，由油池火作為點(diǎn)火源的工況所產(chǎn)生的燃爆強(qiáng)度更大，起爆時(shí)間也更短，氣溶膠氣云經(jīng)過(guò)油池火的過(guò)程中被迅速點(diǎn)燃，轉(zhuǎn)化成全面燃爆；而采用電弧點(diǎn)火器的實(shí)驗(yàn)工況，氣溶膠氣云接觸到點(diǎn)火器后被點(diǎn)燃，被點(diǎn)燃的火焰在氣云內(nèi)部擴(kuò)散傳播逐漸形成大面積燃爆火焰，引燃后發(fā)生爆燃的時(shí)間更長(zhǎng)，火焰體積相對(duì)較小。

通過(guò)模擬貨艙氣壓控制系統(tǒng)分別將貨艙內(nèi)氣壓調(diào)整到46 kPa和76 kPa開展氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)，兩種氣壓條件下均發(fā)生燃爆現(xiàn)象。46 kPa氣壓條件下氣云燃爆體積較小，爆炸強(qiáng)度較低，此外燃爆火焰持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至爆炸完成后仍有部分氣溶膠液體未參與燃爆，被噴射到距離噴射口前面1.5 m左右的地面繼續(xù)燃燒。在低氣壓條件下，一方面受空氣密度降低影響，噴射燃料與空氣作用不夠充分，所形成的氣溶膠體積較小，空間密度較高，不易充分燃爆；另一方面低氣壓帶來(lái)較低的氧氣分壓，氣溶膠燃爆過(guò)程中所能獲得氧氣偏低，也是影響其爆炸強(qiáng)度的主要因素。

2.4 細(xì)水霧環(huán)境中氣溶膠燃爆

細(xì)水霧以響應(yīng)迅速、滅火有效、對(duì)環(huán)境污染和防護(hù)對(duì)象破壞性小、耗水量低等特點(diǎn)已被看作主要哈龍?zhí)娲?，在飛機(jī)貨艙抑滅火方面展示出廣闊的應(yīng)用前景。

采用自主研發(fā)的適用于飛機(jī)貨艙抑滅火的水平射流噴頭，0.4 MPa氮?dú)庾鳛轵?qū)動(dòng)，水壓設(shè)定為0.2 MPa，水量為300 mL/min，所形成的細(xì)水霧環(huán)境穩(wěn)定后其粒徑90%在200 μm以下。分別在細(xì)水霧觸發(fā)初期和穩(wěn)定細(xì)水霧環(huán)境中開展氣溶膠燃爆實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

(a)細(xì)水霧觸發(fā)初期氣溶膠與細(xì)水霧互相激勵(lì)燃爆

在細(xì)水霧觸發(fā)初期的實(shí)驗(yàn)條件下，氣溶膠發(fā)生猛烈的燃爆，燃爆火焰體積充滿整個(gè)模擬貨艙，并且伴有猛烈的沖擊力，將布置在艙體門口附近的攝像機(jī)吹散到3 m以外。細(xì)水霧觸發(fā)初期所產(chǎn)生的細(xì)水霧參與到氣溶膠燃爆過(guò)程中，在大量氣溶膠燃爆火焰的強(qiáng)烈作用下形成水煤氣，水煤氣和氣溶膠混在一起相互激勵(lì)燃爆，從而造成更大的燃爆強(qiáng)度。當(dāng)細(xì)水霧在貨艙內(nèi)彌漫形成穩(wěn)定的細(xì)水霧環(huán)境后，噴射口打開后仍會(huì)形成氣溶膠霧狀體，但是氣溶膠接觸到點(diǎn)火器之后沒有發(fā)生燃爆。細(xì)水霧可以抑制民機(jī)貨艙內(nèi)的氣溶膠爆炸，但是若在細(xì)水霧觸發(fā)初期氣溶膠被引爆，反而會(huì)起到相反的激勵(lì)作用，可以考慮在細(xì)水霧中增加其他添加劑來(lái)進(jìn)一步增加細(xì)水霧的抑爆作用，減弱其參與爆炸的可能性。

3 結(jié)論

(1)民機(jī)貨艙受限空間內(nèi)氣溶膠燃爆火焰向前后方均發(fā)生爆炸傳播，在開放空間中氣溶膠氣云運(yùn)動(dòng)和燃爆傳播均在噴射口前方區(qū)域且向前傳播。

(2)民機(jī)貨艙受限空間內(nèi)氣壓越高，氣溶膠燃爆強(qiáng)度越高；低氣壓條件下空氣密度和氧分壓濃度較低，形成氣溶膠體積較小且擴(kuò)散不充分，燃爆獲得氧氣難度增大，燃爆強(qiáng)度降低。

(3)氣溶膠燃爆受細(xì)水霧控制作用明顯，細(xì)水霧不同觸發(fā)階段對(duì)爆炸影響作用機(jī)制不同，低濃度細(xì)水霧環(huán)境對(duì)燃爆有一定增強(qiáng)作用，參與激勵(lì)燃爆，中期減弱爆炸，濃度增大到一定程度后可以抑制燃爆。