馬 迪 霍立琴 湯 旭 雷鳴俊 李棟梁*

(1.邯鄲凈化設備研究所，邯鄲 056027；2.上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

現代民航客機通常采用渦扇噴氣式發(fā)動機，巡航高度普遍在7 600 m以上，座艙為氣密增壓座艙。當飛機由于增壓系統(tǒng)故障或結構破損等原因導致座艙釋壓時，在飛機緊急迫降過程中為確保旅客生命安全需要及時通過旅客氧氣系統(tǒng)為旅客提供應急氧氣[1-3]。旅客氧氣面罩是一種常見的為旅客提供氧氣的分氧裝置，化學氧氣發(fā)生器產生的氧氣流通過旅客氧氣面罩的供氧軟管供給機上乘員。

由于化學氧氣發(fā)生器產生的是持續(xù)的氧氣流，所以與化學氧氣發(fā)生器配套使用的是持續(xù)氣流旅客氧氣面罩。目前普遍裝備在民航客機上且符合TSO-C64a的持續(xù)氣流旅客氧氣面罩有兩種，分別由B/E航空系統(tǒng)有限公司和AVOX系統(tǒng)公司研制[4-6]。隨著國產大飛機項目的深入開展，旅客氧氣面罩也面臨著國產化趨勢，基于此，邯鄲凈化設備研究所遵循民航規(guī)章以及國際通用標準獨立研制了一款民機持續(xù)氣流旅客氧氣面罩。

旅客氧氣面罩在設計時通體采用了輕質的高分子材料，且大量裝備在整個客艙內，為了防止在客艙發(fā)生火災時火勢蔓延，所以必須遵循民航標準規(guī)定對所研制的旅客氧氣面罩的防火性能進行測試，以確定其是否達到適航要求。

1 民機旅客氧氣面罩適用的適航條款分析

旅客氧氣面罩遵循的民航規(guī)章及設計標準主要是CCAR-25-R4以及SAE AS8025。

1.1 有關旅客氧氣面罩設計的適航條款分析

CCAR-25-R4是中國民用航空局頒布的運輸類飛機適航標準，其第25.1447(a)條規(guī)定，每一位需要補氧的乘員必須有各自的分氧裝置，分氧裝置必須設計成能蓋住口鼻，并且必須具有合適的手段將其保持在面部[7]。

SAE AS8025《旅客氧氣面罩》是美國汽車工程師學會對美國聯邦航空條例FAR-25《運輸類飛機適航標準》中旅客氧氣面罩部分細化后發(fā)布的一項航空航天標準，在該標準中對民用商用飛機持續(xù)氣流旅客氧氣面罩的設計、結構和性能確定了最低要求[8-9]。

SAE AS8025第1條規(guī)定，持續(xù)氣流供氧的旅客氧氣面罩為口鼻型面罩，包括一個面罩杯組件、一個面罩懸掛裝置、一個儲氣袋、一個流量指示器和一根供氧軟管等。其中面罩杯組件還可以細分為面板、面罩杯、閥片等。

SAE AS8025第5.5.1條規(guī)定，當供氧軟管連接到出口接頭時，面罩組件應能承受施加到面罩本體上的88.96 N(20l bf)靜態(tài)拉伸力至少3 s，且面罩組件不能從出口接頭脫離?；诖耍贐/E面罩中，用一根細繩連接在儲氣袋入口處的傘形連接器和儲氣袋出口處的卡扣之間，從而承受拉力，但這樣的裝置結構復雜，并且還包括額外的材料和處理步驟，使得制造時間和制造成本增加。且連接儲氣袋和面罩杯的連接細繩難以快速組裝，使得現場維護人員的維護成本增加。本所研制的旅客氧氣面罩中，儲氣袋通過超聲波焊接形成了有一定寬度且傾斜均勻分布的焊縫，這些焊縫可沿水平方向向左和向右分散軸向施加的力，從而使得面罩組件可承受88.96 N的拉力，通過焊縫分散應力，無需更復雜的裝置，使得面罩維護成本大大降低。

圖1為邯鄲凈化設備研究所自主研制的持續(xù)氣流旅客氧氣面罩(只標注主體結構及尺寸)。在面板設計中，擯棄了AVOX面罩內外板的設計，而采用了壓板設計，既可以維持面罩杯的形態(tài)，又減少了面板材料的用量，這種設計不但簡約而且減重，更為符合現代民航客機的設計理念。

1-面罩杯組件；2-儲氣袋；3-供氧軟管；4-流量指示器

1.2 有關旅客氧氣面罩防火性能的適航條款分析

SAE AS8025第3.3.1條中規(guī)定，旅客氧氣面罩所使用材料不能對火勢傳播產生重大影響，材料應具備聯邦航空條例FAR-25.853(a)條款中規(guī)定的防火性能。

CCAR-25-R4第25.853(a)條款規(guī)定了“艙內材料(包括用于材料的涂層或飾面)必須滿足本部附錄F第I部分規(guī)定的適用試驗準則或其它經批準的等效試驗方法，無論飛機的客座量是多少?！?/p>

CCAR-25-R4附錄F第I部分“表明符合25.853條或25.855條的試驗準則和程序”中詳細列出了艙內材料防火性能試驗的材料試驗準則以及試驗程序。第(a)(1)(iv)條規(guī)定“有機玻璃的窗戶和標示、整個或部分用彈性材料制成的零件、在一個殼體內裝設一個以上儀表的邊光照明的儀表組件、座椅安全帶、肩帶以及貨物和行李系留設備，包括集裝箱、普通箱、集裝板等，凡用于客艙或機組艙內者，在按本附錄的適用部分進行水平放置試驗時，其平均燃燒率不得超過64 mm/min(2.5 inch/min)?！?/p>

由于旅客氧氣面罩屬于旅客服務單元的一個零件，安裝在客艙內應急使用，大部分采用了聚氯乙烯、硅膠、聚碳酸酯等一類彈性體材料，符合CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(iv)中描述的“整個或部分用彈性材料制成的零件”，因此對旅客氧氣面罩組件的防火性能測試可采用CCAR-25-R4附錄F第I部分(b)(5)規(guī)定的水平燃燒試驗的方法進行。

2 民機旅客氧氣面罩的防火性能驗證

2.1 試樣制備

旅客氧氣面罩組件的主體部分為硅膠材質的面罩杯和聚氯乙烯材質的儲氣袋及供氧軟管。按照CCAR-25-R4附錄F第I部分(b)(2)“試樣形態(tài)”要求，所需材料“都必須從裝機制品上切下一塊或用模擬切塊的試樣(例如從板材上切下的試樣或制品的模擬件)進行試驗”，“試件的厚度不得超過所需鑒定的飛機所使用的最小厚度”，“試樣的暴露面積必須至少寬50.8 mm(2 inch)，長305 mm(12 inch)，除非飛機上的實際使用件小于上述尺寸?！?/p>

由于面罩杯和儲氣袋、供氧軟管的尺寸均小于試樣所必須的暴露面積，因此采用面罩杯和儲氣袋、供氧軟管的模擬切塊的試樣進行測試。

a)面罩杯模擬切塊制樣

面罩杯為喇叭口形狀，材質為經過RoHS認證的食品級硅膠，符合最新環(huán)保要求，最小厚度在裙邊處，厚度1 mm。

模擬切塊制樣時，使用熱壓機模壓成片狀，片材厚度1 mm，與面罩杯裙邊處相同。從模壓片材上剪裁下長320 mm、寬90 mm的試樣4件備用。

b)儲氣袋與供氧軟管的模擬切塊制樣

儲氣袋與供氧軟管同為聚氯乙烯材質，儲氣袋厚度為0.15 mm，供氧軟管壁厚為1 mm，選用最小厚度0.15 mm作為試樣厚度。模擬切塊試樣從制備儲氣袋的薄膜上選取，剪裁下長320 mm、寬90 mm的試樣4件備用。

2.2 測試方法及試驗程序

測試方法及試驗程序依照附錄F第I部分(b)(5)的水平燃燒試驗，試樣的安裝方式依照標準HB 5469-2014要求[10]，如圖2所示，圖中6#所示位置為試樣夾持部位。試驗設備為HVFAA燃燒試驗箱，試驗所用各種器具均處于計量有效期內。測試委托中國民航局第二研究所進行。

1-拉桿套軸；2-本生燈拉桿；3-彈簧；4-拉桿套軸螺母；5-本生燈座組件；6-試樣夾組件；7-電磁鐵調節(jié)螺母；8-電磁鐵調節(jié)底板；9-電磁鐵組件；10-導軌圓柱墊

試驗程序依照以下步驟進行：

a)將試樣放置在溫度為20 ℃～22 ℃，相對濕度為50%～55%的環(huán)境中，穩(wěn)定25 h；

b)取出試樣(每次只取一個試樣)；

c)安裝試樣，使試樣下邊緣高出燃燒器頂端19.1 mm，關閉試驗箱門，試驗期間不得打開；

d)本生燈火焰溫度為850 ℃時，點燃試樣15 s，移開，記錄試樣燃燒長度至254 mm時的時間t，如移開火焰后試樣燃燒長度未達到254 mm熄滅，記錄熄滅時間t及燃燒長度L(為方便測量燃燒長度可用一塊干軟的布或薄紗，或者用浸有甲醇、乙醇的布或薄紗，去除試樣表面的煙灰和污染顆粒)；

e)等所有的燃燒停止后，緩慢打開試驗箱門，打開排氣扇清除箱內煙霧；

f)重復上述實驗步驟，完成所有試樣的燃燒試驗。

3 試驗結果及分析

試樣燃燒前后的形態(tài)對比如圖3所示。

從圖3(a)中可以看到，面罩杯模擬切塊的試樣在燃燒后邊緣呈現白色，為硅膠分解后的氧化硅殘渣，燃燒斷面幾乎沒有擴散，根據HB 5469-2014中第8.3.4(a)條中規(guī)定“若火焰在其前沿通過38 mm標記線前自熄，則該試樣的燃燒速率為0”，故面罩杯模擬切塊的試樣燃燒速率為0，達到CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(iv)中規(guī)定的水平燃燒試驗的平均燃燒速率不得超過64 mm/min的要求，防火性能測試合格。

從圖3(b)中可以看到，儲氣袋及供氧軟管模擬切塊的試樣在燃燒后邊緣呈現黑色，為聚氯乙烯分解后的碳殘渣。碳殘渣的存在有助于隔絕空氣與可燃物，達到阻燃效果。雖然其中一塊試樣的碳殘渣部分較大，但燃燒斷面沒有擴散，說明火焰很快自熄。其余兩塊試樣的燃燒斷面沒有擴散，火焰在其前沿通過38 mm標記線前自熄，故儲氣袋及供氧軟管模擬切塊的試樣燃燒速率為0，達到CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(iv)中規(guī)定的水平燃燒試驗的平均燃燒速率不得超過64 mm/min的要求，防火性能測試合格。

(a)面罩杯模擬切塊燃燒前后形態(tài)對比

4 豁免項

按照CCAR-25-R4附錄F第I部分(a)(1)(v)中規(guī)定，對火勢蔓延影響不大的小件可進行豁免測試。由于旅客氧氣面罩中的閥片、面板、流量指示器等尺寸較小(如圖4所示，只標注外部最大尺寸)，屬于對火勢蔓延影響不大的小件，無需進行防火性能測試。

(a)傘閥1

5 結論

1)通過采用附錄F第I部分(b)規(guī)定的試驗程序對面罩杯的模擬切塊試樣和儲氣袋、供氧軟管的模擬切塊試樣進行水平燃燒試驗，燃燒速率均為0，符合CCAR-25-R4第25.853(a)條款和附錄F第I部分(a)(1)(iv)條款的規(guī)定。

2)閥片、面板、流量指示器等小件由于尺寸較小，對火勢蔓延無明顯影響，防火性能測試豁免。

通過以上試驗結果和豁免分析，旅客氧氣面罩的防火性能符合CCAR-25-R4第25.853(a)條款和附錄F第I部分(a)(1)(iv)條款的規(guī)定，所以旅客氧氣面罩的防火性能滿足適航要求。