劉蘇德 王子昕 靖子洋 施大偉 吳淑群

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 211106)

1 引言

電弧引燃線纜是導(dǎo)致航空、航天、鐵路、地鐵等領(lǐng)域發(fā)生電氣火災(zāi)的主要原因之一。飛機(jī)中線纜故障引發(fā)的故障電弧通常伴隨著高溫與強(qiáng)閃光現(xiàn)象，當(dāng)電弧接觸到電纜的絕緣層或護(hù)套時(shí)，由于能量釋放導(dǎo)致表面溫度升高，可能會(huì)形成線纜碳化路徑，極易引發(fā)線纜著火。同時(shí)，飛機(jī)上座椅墊、防滑墊、安全帶、地毯、餐桌旅客攜帶的行李、衣物等均是易燃物，油箱等重要設(shè)備是易爆品，這些都增加了飛機(jī)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。航空線纜電弧引發(fā)電氣火災(zāi)相較于其他領(lǐng)域火災(zāi)具有危害大、空間受限、工作環(huán)境嚴(yán)苛等特點(diǎn)。航空電氣系統(tǒng)涉及大量線纜和設(shè)備的連接，且航空行業(yè)對(duì)安全性的要求非常高，電弧引發(fā)的火災(zāi)故障可能會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的嚴(yán)重?fù)p失和人員傷亡；在飛機(jī)中，航空線纜通常布置在狹小的空間內(nèi)，使得線纜維護(hù)和檢修工作變得困難。此外，航空環(huán)境的特殊性導(dǎo)致飛機(jī)線纜暴露在復(fù)雜的工作環(huán)境中，包括高溫、高濕、高海拔等極端條件，以及力學(xué)應(yīng)力和振動(dòng)等因素。這些條件使得電纜絕緣層容易受到損傷和老化，增加了電弧火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決線纜電弧火災(zāi)問題，20 世紀(jì)90 年代，KONIG 等[1-2]對(duì)航空系統(tǒng)中的電弧現(xiàn)象、發(fā)展歷史以及試驗(yàn)方法進(jìn)行了綜述研究；畢妍等[3]針對(duì)線纜電弧引發(fā)電氣火災(zāi)現(xiàn)象，綜述了民用設(shè)備電弧成因以及線纜電路保護(hù)設(shè)備；BABRAUSKAS[4]綜述了電氣火災(zāi)產(chǎn)生的主要原因，指出了線纜安全問題的重要性；FURSE 團(tuán)隊(duì)從電弧故障檢測(cè)角度出發(fā)，總結(jié)了過去的航空線纜故障方法的局限性，并進(jìn)行了一系列研究，提出采用擴(kuò)展時(shí)域反射計(jì)方法對(duì)飛機(jī)間歇性電弧進(jìn)行定位[5-6]。以上工作僅專注于線纜電弧及其故障檢測(cè)技術(shù)，隨著時(shí)間的推移，航空電氣火災(zāi)的預(yù)警與防火同樣引起了許多學(xué)者的關(guān)注。張丹等[7-8]就飛機(jī)電氣火災(zāi)預(yù)警問題總結(jié)綜述了飛機(jī)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)；王凱[9]結(jié)合飛機(jī)火災(zāi)特點(diǎn)，介紹了飛機(jī)火災(zāi)預(yù)防及撲救對(duì)策；胡煌華等[10]根據(jù)飛機(jī)不同防火區(qū)域特點(diǎn)，介紹了現(xiàn)代民用飛機(jī)防火系統(tǒng)的組成和功能。雖然目前關(guān)于線纜電弧故障研究以及航空電氣火災(zāi)及預(yù)防的工作較多，為現(xiàn)代飛機(jī)防火系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性幫助[7]，但是對(duì)于以電弧作為火源引發(fā)航空線纜電氣火災(zāi)的工作則較為匱乏。由于多電及全電飛機(jī)已成為未來飛機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)，且飛機(jī)電氣火災(zāi)發(fā)生往往會(huì)帶來巨大的損失，本文針對(duì)飛機(jī)線纜電弧引發(fā)火災(zāi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，調(diào)查了 1996—2017 年間已公開的飛機(jī)電氣火災(zāi)事故，總結(jié)了由線纜電弧引發(fā)電氣火災(zāi)的原因，將航空領(lǐng)域的線纜電弧引發(fā)火災(zāi)機(jī)理、航空線纜火災(zāi)預(yù)警和飛機(jī)防火措施的相關(guān)研究整合起來，形成一個(gè)完整的問題概述，以期為航空領(lǐng)域電氣化交通的安全可靠工作提供更為全面的建議和幫助。

2 航空線纜電弧火災(zāi)原因分析

隨著飛機(jī)上用電設(shè)備和航空線纜的增多，航空線纜電氣系統(tǒng)和消防系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行變得越來越重要。飛機(jī)火災(zāi)具有撲救難度大、火災(zāi)燃燒劇烈、疏散困難、人員傷亡大等特點(diǎn)，往往會(huì)造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。本文統(tǒng)計(jì)了Eurocontrol(歐洲空中航行安全組織)公布的自1996 年至2017 年直接由航空電纜電弧引起的飛機(jī)電氣火災(zāi)事故，并對(duì)事故原因進(jìn)行了分析，結(jié)果如表1 所示，可以看出航空線纜電弧火災(zāi)事故發(fā)生的直接原因主要包括絕緣失效、布線不當(dāng)。在這20 年里，事故的平均發(fā)生頻率為每16 個(gè)月一次，其中布線不當(dāng)是導(dǎo)致火災(zāi)的最常見原因，共發(fā)生11 次事故，占比為73.2%；而絕緣失效導(dǎo)致電弧火災(zāi)的事故發(fā)生了4 起。這些事故發(fā)生在不同國家生產(chǎn)的不同機(jī)型的飛機(jī)上，造成了重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。如何保證多電及全電飛機(jī)安全可靠運(yùn)行是當(dāng)前航空領(lǐng)域亟待解決的問題之一。通過對(duì)飛機(jī)線纜電弧火災(zāi)事故的原因進(jìn)行分析和總結(jié)，有助于采取有效的控制和預(yù)防措施，確保飛機(jī)的安全運(yùn)行和乘客的安全。

表1 飛機(jī)線纜電弧火災(zāi)事故及直接原因

2.1 由絕緣失效引發(fā)的電氣火災(zāi)

電弧引燃線纜是航空電纜電氣火災(zāi)的一個(gè)主要原因，而絕緣失效則是引發(fā)電弧的重要因素。航空線纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。典型航空線纜由導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層、護(hù)套構(gòu)成。導(dǎo)體一般包括鍍錫銅導(dǎo)體、鍍銀銅導(dǎo)體、鍍鎳銅導(dǎo)體或各種銅合金材料。屏蔽層主要采用鍍錫銅線、鍍銀銅線、鍍鎳銅線或各種銅合金材料通過編織或者繞包的方法實(shí)現(xiàn)屏蔽。此外，航空線纜還包括只有導(dǎo)體加絕緣層的單層結(jié)構(gòu)，可以降低成本和重量，以及屏蔽層介于導(dǎo)體和絕緣層之間，從而避免在導(dǎo)體與絕緣層之間發(fā)生局部場(chǎng)強(qiáng)集中的結(jié)構(gòu)。

航空線纜早期采用橡膠、臘克、聚氯乙烯(PVC)、聚酰胺(PA)、硅膠、聚酰亞胺(PI)作為絕緣材料[11]。為了解決航空線纜絕緣失效問題，國外學(xué)者從20 世紀(jì)60 年代開始了一系列對(duì)線纜絕緣材料的絕緣缺陷檢測(cè)以及老化規(guī)律研究[12-13]，這為航空電纜絕緣研究提供了豐富的理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，MOFFAT 等[14]研究了航空線纜絕緣失效機(jī)理；SHULL 等[15]研究了有效評(píng)估線纜絕緣狀態(tài)的方法，同時(shí)還有許多團(tuán)隊(duì)研究了對(duì)線纜絕緣老化進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的方法[16-17]。隨著航空電子設(shè)備的迅速發(fā)展和電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，航空電纜所面臨的環(huán)境條件和使用要求越來越苛刻。因此，學(xué)者們開始探索采用新型材料來改善航空電纜絕緣的性能[18-19]。目前，一些新型材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)等，憑借良好的絕緣、力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空電纜的絕緣中[20-21]。航空線纜絕緣層主要包括PTFE 和FEP等材料，而護(hù)套層的絕緣材料主要是FEP、ETFE、PTFE 等，目前航空航天用軍標(biāo)線纜的規(guī)范及特征如表2 所示[22]，然而，隨著航空電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電壓等級(jí)的提高對(duì)絕緣性能提出了更高要求。根據(jù)美國Astronics AES 公司估算，到2030 年，多電飛機(jī)交流電壓可達(dá)3 kV 以上[23]。隨著高電壓、大容量設(shè)備的使用，目前廣泛使用的航空線纜將無法滿足其對(duì)絕緣性能的更高要求。

絕緣失效條件取決于許多因素，包括環(huán)境、電氣網(wǎng)絡(luò)、電纜設(shè)計(jì)和老化參數(shù)。在飛機(jī)服役期間，航空線纜絕緣層不可避免地會(huì)遭受環(huán)境中各種因素的影響，如力學(xué)應(yīng)力、溫度、濕度等。同時(shí)，水分和污染物等因素可能滲透到電纜絕緣層中，形成導(dǎo)電通道，進(jìn)而導(dǎo)致電弧火災(zāi)的發(fā)生。在高溫、高濕、高海拔等環(huán)境下，線纜表面水分和污染物的影響會(huì)更加明顯，增加了電弧火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)[24]。在評(píng)估航空電纜的絕緣狀況時(shí)，通常采用具體的特征參數(shù)來衡量電纜的絕緣性能變化。通過在不同老化階段觀察這些特征參數(shù)的變化，可以分析出線纜的絕緣狀況，甚至對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。檢測(cè)手段包括阻抗譜法[15]、超聲波法[25]、擊穿電壓法[26]等。然而，絕緣層老化是一個(gè)緩慢而持續(xù)的過程，無法通過目視檢查輕易發(fā)現(xiàn)。而且，這種老化現(xiàn)象貫穿整個(gè)電纜的使用壽命。由于航空線纜鋪設(shè)空間緊湊，檢修工作難以全面細(xì)致進(jìn)行，使得在飛機(jī)在役情況下難以準(zhǔn)確檢測(cè)絕緣層老化狀態(tài)。傳統(tǒng)方法都是采用人工對(duì)線纜性能進(jìn)行檢測(cè)。由于飛機(jī)上各類電纜數(shù)量龐大、操作時(shí)間長(zhǎng)、操作環(huán)境受限、計(jì)算繁雜且需要人工記錄，致使最終的檢測(cè)結(jié)果缺乏客觀性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究工作應(yīng)該著重于開發(fā)更先進(jìn)和自動(dòng)化的檢測(cè)技術(shù)。對(duì)于裝備大量電纜的飛機(jī)而言，具有重要意義[27]。

線纜絕緣性能下降，漏電、電弧狀況頻發(fā)，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)。1996 年，環(huán)球航空公司的一架飛機(jī)在飛行過程中線纜絕緣失效引發(fā)電弧，進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)，最終整機(jī)在空中爆炸解體。2004 年，法國一架Transall C-160 飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后突然發(fā)生火災(zāi)，造成嚴(yán)重的損失。以上事件均是由所用線纜老化以及絕緣護(hù)套不可靠保護(hù)導(dǎo)致的電弧引發(fā)火災(zāi)。而2018 年，中國川航一架飛機(jī)在飛行過程中，由于風(fēng)擋底部受外部水汽長(zhǎng)期滲入，電源導(dǎo)線絕緣性能降低，最終出現(xiàn)持續(xù)電弧放電，雖然并未引發(fā)火災(zāi)，但電弧局部高溫導(dǎo)致玻璃破碎，風(fēng)擋最終從機(jī)身爆裂脫落。航空線纜絕緣層材料雖然更新?lián)Q代，但由于電壓等級(jí)的提高以及飛機(jī)飛行環(huán)境的特殊性，仍然存在線纜絕緣層受損和老化的問題。這些情況使得航空線纜電弧引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，需要對(duì)電纜絕緣層材料和設(shè)計(jì)加以更為嚴(yán)格的把控和管理。同時(shí)，對(duì)于絕緣層材料的老化和損傷，需要尋找更有效的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)方法，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以確保航空電纜系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.2 由布線不當(dāng)引發(fā)的電氣火災(zāi)

電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)(Electrical wiring interconnection system，EWIS)包括了飛機(jī)上所有電氣和電子設(shè)備之間的所有連接和線纜，是由大量的電纜、連接器、終端、配線架和相關(guān)的組件所組成的復(fù)雜電氣系統(tǒng)。波音787 電力系統(tǒng)線纜分布如圖2 所示[28]。EWIS 出現(xiàn)以下問題均會(huì)給飛機(jī)安全運(yùn)行帶來巨大隱患：裝配缺陷會(huì)導(dǎo)致線路連接不當(dāng)或未正確保護(hù)，從而增加了短路和電弧故障的可能性；線纜附近的電介質(zhì)放電和短路故障會(huì)增加電氣火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)；線纜本身的破損也可能導(dǎo)致短路和電弧故障，從而引發(fā)火災(zāi)；液體泄漏也是導(dǎo)致線纜破損的常見原因，其中液壓油泄漏可能導(dǎo)致電纜絕緣材料老化和腐蝕，進(jìn)而使線纜發(fā)射破裂；外部環(huán)境的影響也可能導(dǎo)致線纜破損，例如沙石、冰塊和泥漿等物質(zhì)的影響可能導(dǎo)致線纜的機(jī)械損傷，航空線纜破損圖如圖3 所示[29]，可能會(huì)導(dǎo)致電氣火災(zāi)或其他嚴(yán)重事故。

圖2 波音787 飛機(jī)電力系統(tǒng)示意圖[28]

圖3 航空線纜破損圖[29]

以下案例為因EWIS 布線不當(dāng)引起的事故案例，2006 年瑞士一架ATR42-300 飛機(jī)發(fā)生電氣火災(zāi)，原因是由于EWIS 裝配缺陷引起短路，產(chǎn)生的高溫破壞了相鄰線纜的絕緣；2009 年英國一架A319-100 飛機(jī)發(fā)生電氣火災(zāi)，原因是由于布線不當(dāng)導(dǎo)致電連接松動(dòng)引起短路；2011 年，俄羅斯一架T-153 飛機(jī)墜毀，事故原因?yàn)殡姍C(jī)布線出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致超過額定負(fù)載10～20 倍的電流，電弧引發(fā)火災(zāi)并迅速蔓延到主艙，飛機(jī)事故現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4 所示[30]；同年，埃及一架波音B777-299 飛機(jī)發(fā)生電氣火災(zāi)，原因是由于布線不當(dāng)使電纜電弧引燃了氧氣供應(yīng)管。2016 年，美國一架E190 飛機(jī)發(fā)生火災(zāi)，原因是由于布線不當(dāng)使異物與線纜接觸引起電弧。此外，本文還討論了由于線纜破損而引起的事故案例。1996 年，美國環(huán)球航空TWA800 號(hào)班機(jī)發(fā)生事故，該飛機(jī)在飛行途中發(fā)生線纜電弧，導(dǎo)致燃油被點(diǎn)燃并引發(fā)爆炸，最終墜入紐約東莫里奇斯附近的海中。事后的調(diào)查報(bào)告表明，線纜絕緣層損壞是始發(fā)因素。1998 年，一架由聯(lián)合航空公司運(yùn)營(yíng)的波音767-300 發(fā)生電氣火災(zāi)，事故原因是電子設(shè)備艙中鋁合金切屑對(duì)線纜造成了損壞。2002 年，一架波音B737-400 在飛行途中發(fā)生電氣火災(zāi)，事故原因是由于線纜破損產(chǎn)生了電弧。2009 年，一架Flybe 航空公司注冊(cè)號(hào)為G-JEDI 的飛機(jī)在飛行途中由于鉚釘摩擦損壞了電纜，引發(fā)電氣火災(zāi)并燒毀了鄰近線纜。2012 年，一架美國的F-22 飛機(jī)在返回基地途中發(fā)生火災(zāi)，原因是一條破損的線纜產(chǎn)生電弧點(diǎn)燃了液壓管道中的液體。2017 年，澳大利亞一架B773 飛機(jī)在飛行途中由于異物摩擦線纜破損引發(fā)電弧，最終導(dǎo)致電氣火災(zāi)。

圖4 飛機(jī)火災(zāi)事故照片[30]

EWIS 布線不當(dāng)可能引發(fā)航空線纜火災(zāi)，這對(duì)于其安全性和可靠性而言是至關(guān)重要的考慮要素。在設(shè)計(jì)原則方面，必須遵循幾個(gè)基本原則：① 可靠性原則要求航空電力系統(tǒng)在各種工況下都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。因此，布線系統(tǒng)需要被設(shè)計(jì)成能夠適應(yīng)各種異常情況，如電力波動(dòng)、過載等，以確保系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作；② 安全性原則是確保布線系統(tǒng)能夠抵御電火花、短路、過載等故障，并減少火災(zāi)和其他風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施；③ 重要性原則強(qiáng)調(diào)了對(duì)于關(guān)鍵系統(tǒng)的電源冗余和備份。通過設(shè)計(jì)備用電源系統(tǒng)或采用冗余線路等方法，可確保在故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的連續(xù)性和可用性。在使用規(guī)范方面，遵循美國聯(lián)邦航空局(FAA)和歐洲航空安全局(EASA)提出的嚴(yán)格要求。EWIS 設(shè)計(jì)應(yīng)盡最大可能降低電線電纜線束保護(hù)材料同尖銳物發(fā)生摩擦的概率，保證在固定點(diǎn)單點(diǎn)失效后電線電纜或線束與尖銳物不會(huì)發(fā)生摩擦，并且不與導(dǎo)電體接觸。在使用規(guī)范上，為避免飛機(jī)制造廠人員和維修人員不規(guī)范施工、線路改裝或進(jìn)行排故工作時(shí)出現(xiàn)問題，應(yīng)該遵守航空當(dāng)局制定的規(guī)范，對(duì)維修人員進(jìn)行培訓(xùn)，嚴(yán)格控制施工標(biāo)準(zhǔn)和施工方式。目前大型民用飛機(jī)制造商中波音公司參照的是標(biāo)準(zhǔn)線路施工手冊(cè)(Standard Wiring Practices Manual)，而空客公司主要參考電氣標(biāo)準(zhǔn)施工手冊(cè)(Electrical Standard Practices Manual)。此外，對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)情況，特別是涉及到高電壓的情況，使用規(guī)范要求應(yīng)當(dāng)更加嚴(yán)格。這意味著在設(shè)計(jì)和施工過程中，必須遵循更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)能夠滿足線路施工標(biāo)準(zhǔn)的要求。而在布置方面，許多學(xué)者開展了相關(guān)研究，如針對(duì)飛機(jī)布線及互聯(lián)失效的原因的分析研究[31]，以及用于評(píng)估EWIS 設(shè)計(jì)安全性的評(píng)估方法[32]。一些學(xué)者還提出了不同情況下飛機(jī)EWIS 安全布線方案，例如采用線束保護(hù)措施等使線纜不受電弧影響或控制電弧使其無法在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散[31]以及對(duì)飛機(jī)不同位置使用不同的絕緣材料和電纜[33]。綜上所述，為了確保航空線纜系統(tǒng)的安全性和可靠性，必須遵循可靠性、安全性和重要性原則，并遵守相關(guān)的規(guī)范要求。此外，持續(xù)的研究與創(chuàng)新也是提高EWIS 布線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，以應(yīng)對(duì)不斷變化的需求和風(fēng)險(xiǎn)[33-36]。

在介紹了由線纜電弧引起的飛機(jī)事故后，相關(guān)領(lǐng)域的研究者開始對(duì)線纜電弧引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理進(jìn)行深入研究。雖然目前有關(guān)航空線纜電弧引發(fā)火災(zāi)機(jī)理的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是這個(gè)領(lǐng)域仍然存在諸多未知和挑戰(zhàn)。因此，本文將系統(tǒng)地介紹目前線纜電弧引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理研究現(xiàn)狀，以期為該領(lǐng)域的研究提供有力的支撐。

3 航空線纜電弧引發(fā)電氣火災(zāi)機(jī)理

飛機(jī)電弧故障是一個(gè)非線性時(shí)變過程，可以利用電弧故障的電壓和電流波形提取其特征值或特征量。高壓直流供電系統(tǒng)是多電/全電飛機(jī)機(jī)載供電系統(tǒng)發(fā)展的新方向，而功率變換器的應(yīng)用會(huì)給飛機(jī)帶來高頻高壓的新需求，因此飛機(jī)飛行過程中既有直流電弧又有交流電弧，典型交流電弧電壓電流波形如圖5 所示[37]，交流系統(tǒng)過零時(shí)電弧會(huì)短暫熄滅，但直流電弧相較于交流電弧，不存在“零休”現(xiàn)象，因此不容易熄滅，能量更大，危害也更大。由于航空配電系統(tǒng)中重量和空間有限，電磁干擾大，工作環(huán)境復(fù)雜，使得飛機(jī)運(yùn)行過程中的電弧多為間歇性電弧，持續(xù)時(shí)間短，難以被檢測(cè)[5]。自20 世紀(jì)70年代開始，航空線纜電弧問題一直備受關(guān)注。BABRAUSKAS[4]在其研究中指出導(dǎo)致航空線纜火災(zāi)發(fā)生的主要因素包括電弧故障、電纜線芯過熱和外部加熱，并分析了作為主要原因的電弧故障形成機(jī)理。KONIG 等[1]提出在進(jìn)行航空線纜電弧試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)電弧的形成機(jī)理進(jìn)行不同類型的試驗(yàn)。MECKLER[38]針對(duì)航空線纜電弧形成的環(huán)境和類型開展了研究。航空線纜電弧主要可以分為兩種，一種是由于互聯(lián)的裸露導(dǎo)體在分離時(shí)產(chǎn)生的電弧，電弧在電力系統(tǒng)出現(xiàn)的位置不同，特點(diǎn)也不同，串聯(lián)電弧由線芯折斷或接頭處接觸不良引起，發(fā)生時(shí)同負(fù)載一起串聯(lián)在電路中，串聯(lián)電弧的出現(xiàn)會(huì)減弱電路中的電流，不易被過流保護(hù)裝置檢測(cè)[39]，并聯(lián)電弧通常發(fā)生于兩根導(dǎo)線之間，或者是在接地回路的電路中，能量高，危害性大[31]；另一種是絕緣失效而形成的碳化路徑電弧。線纜碳化路徑的形成機(jī)理是多樣的。一方面，被施加高壓的絕緣層的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致局部放電，長(zhǎng)期積累會(huì)形成碳化路徑；另一方面，絕緣層表面潮濕或受到污染物引起線纜表面泄漏電流，也會(huì)促進(jìn)碳化路徑的形成[24]。這些因素的共同作用，會(huì)導(dǎo)致碳化路徑在線纜內(nèi)部形成并擴(kuò)大，最終導(dǎo)致電弧故障的發(fā)生。自從首次發(fā)現(xiàn)航空線纜碳化路徑電弧故障以來，相關(guān)研究人員一直著手于提供解決方案來應(yīng)對(duì)這種新的故障，包括修改電纜的設(shè)計(jì)和制造[24,40]以及開發(fā)測(cè)試方法[4,41]。

圖5 典型飛機(jī)交流電弧電壓電流波形[41]

常用航空線纜線芯材料的熔點(diǎn)通常小于1 000 ℃，而電弧溫度可達(dá)數(shù)千甚至數(shù)萬K。航空線纜火災(zāi)事故中出現(xiàn)的金屬導(dǎo)體熔化現(xiàn)象大多是電弧所致。且電弧導(dǎo)致金屬熔化并濺射出熔融物會(huì)加劇碳化路徑上流過的電流，進(jìn)一步產(chǎn)生電弧，并循環(huán)往復(fù)上述過程[42]。另一方面外部高溫環(huán)境可導(dǎo)致線纜絕緣劣化，產(chǎn)生泄漏電流并逐漸引發(fā)電弧，若有機(jī)絕緣材料在火災(zāi)中熔化、脫落、燃燒，也會(huì)加劇電弧形成。電弧可以在幾毫秒到幾十毫秒內(nèi)釋放出大量熱量，溫度可達(dá)數(shù)千到上萬攝氏度，有時(shí)伴隨火花放電，最終會(huì)引發(fā)線纜著火或電氣火災(zāi)。

為了解飛機(jī)電氣火災(zāi)中的線纜引燃機(jī)理，有必要開展電纜燃燒試驗(yàn)，相關(guān)研究有助于理解線纜的點(diǎn)燃特性、煙氣特性，揭示線纜火災(zāi)發(fā)生后的火焰蔓延和煙氣擴(kuò)散機(jī)制，為電氣安全設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。電纜燃燒相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示[43]，相關(guān)研究近況如表4 所示[44]。

表3 電纜燃燒相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)[43]

表4 線纜引燃研究近況

這些團(tuán)隊(duì)的工作揭示了電力電纜燃燒的機(jī)理，而關(guān)于航空線纜燃燒的相關(guān)工作則較少，張政等[51]開展了航空線纜燃燒特性試驗(yàn)，包括使用錐形量熱儀和氧指數(shù)分析儀對(duì)低壓環(huán)境下航空電纜、普通電纜的對(duì)比試驗(yàn)，裝置原理圖如圖6 所示。王志等[52]則對(duì)不同航空含氟樹脂電纜開展了垂直燃燒試驗(yàn)，分析了不同線纜材料下火焰燃燒及蔓延特性，電纜的火垂直蔓延能力，取決于電纜受火焰沖擊后線芯導(dǎo)體的裸露程度及碳化高度，F(xiàn)EP護(hù)套電纜的火蔓延能力更強(qiáng)，PTFE 護(hù)套電纜的工作失效更快。

圖6 航空線纜引燃試驗(yàn)裝置[51]

上述團(tuán)隊(duì)引燃航空線纜的火源均為輻射加熱類火源，所用試驗(yàn)裝置圖如圖7 所示，輻射加熱類火源相較于一般化學(xué)燃燒火源，雖然不會(huì)在燃燒過程中引入其他化學(xué)物質(zhì)，但以熱輻射致使試樣熱解進(jìn)而燃燒的引燃方式與實(shí)際線纜著火方式有較大差異。由于電弧放電截面小，能量密度高，且溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)燃燒火源和輻射加熱火源，現(xiàn)有線纜燃燒火源仍存在較大局限性，無法模擬電弧放電引燃線纜的過程。因此開展基于電弧放電的火源研究是十分必要的，但國內(nèi)外相關(guān)研究十分匱乏，TAKENAKA 等[53]嘗試通過使電纜線芯斷開以及破裂的方式產(chǎn)生故障電弧以此模擬電纜火災(zāi)，但該火災(zāi)為電弧引燃電纜周圍易燃物而非電纜自身起火。何婧宇等[54]則嘗試通過人為制造電纜絕緣層缺陷并對(duì)電纜通電的方式產(chǎn)生電弧，但該試驗(yàn)電弧僅在電纜表面產(chǎn)生灼燒而未能成功引燃電纜，而LI 等[55]則采用雅各布天梯電弧火源進(jìn)行了電力電纜燃燒試驗(yàn)，其試驗(yàn)裝置如圖8 所示，該裝置能夠順利實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜的可控引燃。電弧引燃線纜的過程可分為電弧點(diǎn)火、出現(xiàn)陰燃、出現(xiàn)明火、線纜燃燒四個(gè)步驟，引燃過程及溫度分布如圖9 所示。

圖7 航空線纜垂直燃燒及火焰蔓延[47]

圖8 電弧火源引燃線纜試驗(yàn)裝置圖[49]

圖9 不同階段電弧引燃線纜照片以及溫度分布

綜上所述，航空線纜間歇性電弧形成原因復(fù)雜，難以被檢測(cè)，一旦發(fā)生后極易引起電氣火災(zāi)。現(xiàn)有線纜著火的相關(guān)研究仍未完全揭示電弧引燃航空線纜的機(jī)理。這一過程涉及多種故障綜合因素，各類故障相互誘發(fā)的機(jī)理及臨界條件還有待進(jìn)一步研究。為了在電弧故障早期排除線纜著火隱患，避免電氣火災(zāi)，研究電弧火源引燃航空線纜機(jī)理是當(dāng)前的重要挑戰(zhàn)。

4 航空電氣火災(zāi)預(yù)警

飛機(jī)防火的重要性不容忽視，這一點(diǎn)在1998年一起MD-11 型瑞士航空公司飛機(jī)墜毀事件中得到了極為慘痛的證實(shí)。該事件造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。事故的起因是客艙娛樂系統(tǒng)電力負(fù)荷過大，而飛機(jī)并未配備相應(yīng)的防火措施，電弧發(fā)生時(shí)相關(guān)設(shè)備未能及時(shí)起到作用，導(dǎo)致了災(zāi)難性的后果。為了避免類似的事件再次發(fā)生，電弧火災(zāi)預(yù)警是一項(xiàng)關(guān)鍵的防火措施。由于航空線纜電弧故障多為間歇性電弧故障，而傳統(tǒng)的斷路器需要線路中足夠的電流才能做出反應(yīng)，無法探測(cè)到間歇性電弧故障。因此，飛機(jī)防火系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用非常重要，有助于快速檢測(cè)火情并實(shí)施相應(yīng)的滅火舉措，提高飛機(jī)的安全性和可靠性。針對(duì)飛機(jī)線纜電弧火災(zāi)的預(yù)警技術(shù)可分為火災(zāi)預(yù)警技術(shù)和電弧故障探測(cè)技術(shù)。

4.1 火災(zāi)探測(cè)技術(shù)

19 世紀(jì)末，英國學(xué)者成功設(shè)計(jì)出第一個(gè)點(diǎn)型感溫探測(cè)器，推動(dòng)了火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，點(diǎn)型感溫探測(cè)器主要用于探測(cè)小范圍區(qū)域內(nèi)溫度變化，包括熱電偶式和雙金屬式探測(cè)器。此后一直到20 世紀(jì)40 年代，感溫探測(cè)器一直占主導(dǎo)地位。20 世紀(jì)50年代，MEILI 等設(shè)計(jì)了離子式感煙探測(cè)器，它由粒子輻射源和電離室組成，通過檢測(cè)煙霧進(jìn)入電離室后空氣電離變化情況來探測(cè)火情。然而，由于離子式探測(cè)器在生產(chǎn)和使用中會(huì)產(chǎn)生放射性物質(zhì)，其使用已大大減少，目前只有少部分飛機(jī)在盥洗室中仍使用離子式感煙探測(cè)器。20 世紀(jì)90 年代開始出現(xiàn)了光電式感煙探測(cè)器，其原理圖如圖10 所示，光電感煙探測(cè)器是基于煙霧進(jìn)入探測(cè)器后對(duì)光線的散射、折射原理設(shè)計(jì)的探測(cè)器。從20 世紀(jì)中期一直到20 世紀(jì)末期，感煙探測(cè)器一直占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)，火災(zāi)探測(cè)器也從一開始的點(diǎn)型發(fā)展為線型，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)也由分立元件逐漸向多線制、總線制探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展。從20 世紀(jì)末至今，隨著電子、計(jì)算機(jī)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)技術(shù)也進(jìn)入到一個(gè)全新的發(fā)展時(shí)代[56]。主要的探測(cè)器分類如圖11所示。

圖10 光電感煙式火災(zāi)探測(cè)器工作原理圖

圖11 火災(zāi)探測(cè)器分類

根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)的規(guī)定，飛機(jī)貨艙火災(zāi)探測(cè)器必須在火災(zāi)發(fā)生后1 min 內(nèi)探測(cè)到火災(zāi)，因此要求配備的火災(zāi)探測(cè)器具有足夠的靈敏度。然而，高靈敏度也會(huì)帶來虛警率過高的問題，因此，火警探測(cè)系統(tǒng)未來的發(fā)展目標(biāo)應(yīng)該是進(jìn)一步縮短火警響應(yīng)時(shí)間并減少虛警率。氣動(dòng)熱敏探測(cè)器是一種現(xiàn)代國際上廣泛應(yīng)用的線型探測(cè)器，也稱為“零虛警”探測(cè)器。該探測(cè)器不易受到濕熱、振動(dòng)和電磁干擾的影響，因此虛警率低。它的使用壽命已超過5 億飛行小時(shí)[7]，然而，由于火災(zāi)初期陰燃燃燒，溫度無法在短時(shí)間內(nèi)升高，氣動(dòng)熱敏火災(zāi)探測(cè)技術(shù)存在著探測(cè)滯后性的問題。為了解決這個(gè)問題，圖像感煙探測(cè)技術(shù)被開發(fā)出來，圖像感煙探測(cè)技術(shù)具有響應(yīng)速度快、探測(cè)范圍廣、保護(hù)范圍大等特點(diǎn)，適用于需要快速、低誤報(bào)的封閉空間火災(zāi)探測(cè)，并逐漸在飛機(jī)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

除了上述的幾種火災(zāi)探測(cè)方法之外，當(dāng)前還有很多學(xué)者正在將火災(zāi)探測(cè)技術(shù)向多傳感器、智能化的方向發(fā)展。基于多傳感器火災(zāi)探測(cè)設(shè)備，可以準(zhǔn)確地區(qū)分真假火源，響應(yīng)速率更快，同時(shí)也能大幅度降低誤報(bào)警率。例如，煙氣復(fù)合火警探測(cè)器[57]，感溫、感煙、CO 氣體探測(cè)器[58]，四傳感器火災(zāi)探測(cè)器[59]等，除了使用多傳感器復(fù)合的方法外，火災(zāi)探測(cè)算法同樣是現(xiàn)代火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。通過設(shè)計(jì)智能化算法，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)火警信息的判斷，能夠較為有效地解決報(bào)警靈敏度和誤報(bào)率之間的矛盾，并減少火警誤報(bào)率。例如，使用多變量算法高效計(jì)算火災(zāi)概率[60-62]，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將多火災(zāi)探測(cè)器結(jié)合構(gòu)建新火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)[63-65]，利用智能算法對(duì)火源真假進(jìn)行識(shí)別[66-68]。

目前柯林斯航空航天公司下的KIDDE 公司在飛機(jī)防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中具有一定的領(lǐng)先地位。該公司的Cabin/Lavatory Smoke Detection Model 3000 產(chǎn)品已經(jīng)在波音B787 客艙/盥洗室中使用，采用了雙波長(zhǎng)技術(shù)，最大限度地減少了氣溶膠引起的誤報(bào)，并具備自校準(zhǔn)功能。此外，SIEMENS 公司的FIRE DETECTOR OOHC941 產(chǎn)品也具備多光路設(shè)計(jì)、多傳感器復(fù)合、智能探測(cè)算法等優(yōu)點(diǎn)。這些新技術(shù)的應(yīng)用，將為飛機(jī)防火系統(tǒng)的提升和發(fā)展帶來更廣闊的空間和可能性。兩款產(chǎn)品如圖12 所示[69-70]。

圖12 火災(zāi)探測(cè)器產(chǎn)品

雖然目前火災(zāi)探測(cè)器較為成熟，相關(guān)產(chǎn)品也已投入到飛機(jī)使用中，然而，該方法是在電弧引發(fā)火災(zāi)之后生效預(yù)警，由于飛機(jī)交通客運(yùn)、貨物運(yùn)輸?shù)奶厥庑裕鹎轭A(yù)警需要具備更高的及時(shí)性要求。

4.2 電弧故障探測(cè)技術(shù)

電弧故障探測(cè)技術(shù)是在電弧發(fā)生時(shí)就進(jìn)行預(yù)警。以往的航空電力系統(tǒng)電弧故障檢測(cè)方法包括視覺檢查、阻抗測(cè)量、高電壓測(cè)試、傳感器法、反射計(jì)法等。隨著人們對(duì)航空電力系統(tǒng)故障檢測(cè)的關(guān)注，反射計(jì)法因其能夠在帶電線纜上使用逐漸成為主流線纜故障定位技術(shù)。反射計(jì)法根據(jù)入射信號(hào)類型分為時(shí)域反射法(TDR)、頻域反射法(FDR)、序列時(shí)域反射法(STDR)、擴(kuò)展頻譜時(shí)域反射法(SSTDR)等。21 世紀(jì)初，SMITH 等[5-6]對(duì)反射計(jì)法進(jìn)行了大量的研究，不同電弧檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)如表5 所示。TDR 使用高頻脈沖信號(hào)作為輸入，檢測(cè)速度快，測(cè)量距離長(zhǎng)，產(chǎn)品廉價(jià)、技術(shù)成熟，雖然在高阻性線纜中性能表現(xiàn)較差，但仍在離線定位技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用[6]，其原理示意圖如圖13 所示。SSTDR 使用PN 碼調(diào)制正弦波作為入射信號(hào)，能夠?qū)﹂g歇性電弧進(jìn)行定位，精度高，抗干擾性強(qiáng)[71]。

圖13 STDR 電弧故障定位技術(shù)原理圖

表5 不同電弧檢測(cè)方法的比較[41]

當(dāng)前，許多學(xué)者正在探索使用反射計(jì)方法制備新型探測(cè)器，以提高探測(cè)的精度和速度。時(shí)-頻域反射計(jì)法是一種使用快速傅里葉變換以及小波變換的方法兼顧時(shí)域和頻域的信息研究電弧電壓、電流的瞬態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電弧檢測(cè)的方法，大大提高了檢測(cè)效率[72-73]?；煦鐣r(shí)域反射法則使用布爾混沌信號(hào)發(fā)送到線纜中，即可在不干擾正常通信信號(hào)情況下對(duì)電纜進(jìn)行持續(xù)的在線檢測(cè)，相較于STDR 和SSTDR 具有成本低、功耗小和易集成等優(yōu)勢(shì)[74]。高闖等[75]基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)以及SSTDR方法設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)電纜故障在線監(jiān)測(cè)裝置，其板級(jí)速率可達(dá)500 MHz，電弧故障檢測(cè)算法優(yōu)化[76]以及與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合[77]的檢測(cè)方法在近幾年同樣取得了較大的發(fā)展。近年來，還有許多學(xué)者提出將故障檢測(cè)技術(shù)集成到飛機(jī)先進(jìn)配電系統(tǒng)中，例如研發(fā)具有電弧檢測(cè)功能的固態(tài)功率控制器(Solid-state power controller, SSPC)[77]。

由于國外對(duì)SSTDR 技術(shù)研究起步較早，已經(jīng)廣泛應(yīng)用并研制相關(guān)產(chǎn)品，如伊頓(Eaton)、SIEMENS、SCHNEIDER、通用電氣(GE)等跨國公司相繼生產(chǎn)了較多電弧檢測(cè)產(chǎn)品。LIVE WARE公司生產(chǎn)的SSTDR 集成芯片產(chǎn)品Spark ChaserⅡ，其診斷范圍廣，定位精度可達(dá)±1.5%，檢測(cè)周期為10 ms。電纜故障檢測(cè)技術(shù)正朝著高效、準(zhǔn)確、智能化的方向不斷發(fā)展。目前的線纜電弧故障定位技術(shù)中，基于反射計(jì)的方法發(fā)展已較為成熟，STDR 和SSTDR 方法憑借在帶電導(dǎo)線上工作的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更加重要的作用，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐，但由于在原理上加入偽噪聲作為測(cè)試信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)太強(qiáng)干擾線路中有用信息，信號(hào)弱又無法識(shí)別故障的問題。同時(shí)，電弧可能發(fā)生在未裝有電弧檢測(cè)裝置的設(shè)備上，因此如何將電弧故障探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜電纜網(wǎng)絡(luò)上仍是一個(gè)迫切需要解決的問題。理想的電弧故障探測(cè)技術(shù)應(yīng)該保證準(zhǔn)確定位線路故障而不干擾原始信號(hào)的傳輸，保持?jǐn)?shù)據(jù)采集和信號(hào)處理計(jì)算量不太大，能夠應(yīng)用于整個(gè)EWIS。

5 飛機(jī)滅火技術(shù)

據(jù)適航要求，貨艙出現(xiàn)火情時(shí)，貨艙通風(fēng)會(huì)被切斷，然后噴射滅火劑，使其至少達(dá)到5%的體積濃度，以確保整個(gè)貨艙內(nèi)的火焰能夠迅速被熄滅，隨后貨艙內(nèi)滅火劑需要持續(xù)保持至少3%的體積濃度，以抑制火焰直到飛機(jī)安全著陸。典型貨艙滅火系統(tǒng)由防火控制盒、防火控制板、滅火瓶、連接閥、滅火管路和滅火噴嘴組成[78]，其示意圖如圖14 所示。這些系統(tǒng)的存在和使用大大提高了飛機(jī)貨艙的滅火能力，并確保了乘客和機(jī)組人員的安全。

圖14 典型飛機(jī)貨艙滅火系統(tǒng)示意圖[78]

5.1 滅火劑選用

哈龍1301(三氟一溴甲烷)和哈龍1211(二氟一氯一溴甲烷)因其高效的滅火能力、較低的毒性、良好的擴(kuò)散性能和無殘留的特點(diǎn)而備受推崇。然而由于哈龍滅火劑特殊的化學(xué)性質(zhì)會(huì)對(duì)臭氧層造成危害，1994 年的蒙特利爾協(xié)議中，對(duì)哈龍型滅火劑的使用、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等都進(jìn)行了嚴(yán)格的限制[79]。因此航空工業(yè)開始尋找各種可能使用的哈龍?zhí)娲蜏缁饎?。目前哈龍?zhí)娲鷾缁饎┛煞譃闅怏w類、超細(xì)干粉滅火劑(冷氣溶膠滅火劑)以及細(xì)水霧滅火劑。宣揚(yáng)等[80]對(duì)國內(nèi)外各種哈龍?zhí)娲鷾缁饎┻M(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，并從飛機(jī)適用性分析了不同滅火劑的特點(diǎn)。對(duì)于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)/APU 艙，空客公司重點(diǎn)關(guān)注了全氟己酮(Novec1230)滅火劑，但尚未解決低溫下的霧化問題；FAA 推薦使用的CF3I 存在毒性的問題；超細(xì)干粉滅火劑釋放后會(huì)殘留，可能影響電子設(shè)備的使用。目前正在推廣使用的新型滅火劑產(chǎn)品包括3M公司的Novec 649 滅火劑、Novec 1230 滅火劑[81-82]、以及F-500 micelle encapsulator[83]等。雖然替代哈龍的滅火劑已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題和挑戰(zhàn)。因此，需要更多的研究和實(shí)踐來完善新型滅火劑的使用，同時(shí)也需要進(jìn)一步加強(qiáng)滅火技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，以適應(yīng)不斷發(fā)展的航空工業(yè)的需求。

5.2 滅火劑濃度測(cè)量技術(shù)

當(dāng)飛機(jī)滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，滅火劑將從噴嘴中噴射到空氣中彌散。然而，由于噴嘴位置和滅火區(qū)域不同，空氣流動(dòng)的情況也不同，加上障礙物的存在，導(dǎo)致滅火劑在不同區(qū)域的濃度分布不同。只有當(dāng)滅火劑濃度達(dá)到一定值，才能有效撲滅火災(zāi)。因此，滅火劑濃度分布是評(píng)估滅火系統(tǒng)有效性和設(shè)計(jì)合理性的重要指標(biāo)。然而，由于國外長(zhǎng)期對(duì)中國實(shí)施技術(shù)封鎖政策，滅火劑濃度測(cè)量技術(shù)方面受到了影響。FAA 認(rèn)證的設(shè)備只有Statham analyzer 和Halonyer兩種。近年來，國內(nèi)相關(guān)研究逐漸興起，GUAN等[84]研發(fā)了壓差法滅火劑濃度測(cè)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)哈龍1301 及其替代滅火劑七氟丙烷的濃度測(cè)量，YUAN 等[85]研發(fā)了基于紅外吸收原理的滅火劑濃度測(cè)量系統(tǒng)。這些新技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠提高滅火劑濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也有望進(jìn)一步推動(dòng)滅火劑的研發(fā)和應(yīng)用。

5.3 飛機(jī)滅火系統(tǒng)

飛機(jī)防火系統(tǒng)由防火控制器、火災(zāi)探測(cè)器和滅火系統(tǒng)組成[10]，飛機(jī)防火架構(gòu)框圖如圖15 所示。提升滅火系統(tǒng)性能對(duì)于提升飛機(jī)總體的安全性具有積極意義。防火控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)探測(cè)器的預(yù)警信號(hào)，并作出邏輯決斷，而滅火控制板控制著各滅火子系統(tǒng)的工作[86]。根據(jù)飛機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，可按照功能特點(diǎn)、人流量劃分子防火區(qū)域，如表6所示[71]，不同防火區(qū)域的防火手段也不同。

圖15 飛機(jī)防火架構(gòu)框圖

表6 飛機(jī)子防火區(qū)域類型

當(dāng)前民用飛機(jī)的滅火系統(tǒng)存在以下問題和挑戰(zhàn)。例如，在某些情況下，探測(cè)器的故障或誤報(bào)可能會(huì)導(dǎo)致誤判或誤操作，進(jìn)而影響滅火效果和飛機(jī)安全。此外，滅火系統(tǒng)在高海拔、極端氣溫等特殊環(huán)境下的可靠性和適應(yīng)性也需要進(jìn)一步加強(qiáng)和研究。對(duì)于滅火系統(tǒng)的研究，可以采用仿真軟件模擬滅火系統(tǒng)性能或通過數(shù)學(xué)建模對(duì)滅火系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析[87]。目前，民用飛機(jī)常采用將防火系統(tǒng)控制軟件集成到航電綜合計(jì)算機(jī)的機(jī)電綜合控制方法，防火控制器接收到各探測(cè)器的報(bào)警和故障信號(hào)后進(jìn)行邏輯判斷，并自動(dòng)控制滅火裝置的工作[88]。在此基礎(chǔ)上，還有必要加強(qiáng)對(duì)防火系統(tǒng)的維護(hù)和檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，確保飛機(jī)防火系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持久性。

6 飛機(jī)火災(zāi)預(yù)防管理建議

在2015 年的一起事件中，美國DHC8-200 飛機(jī)發(fā)生了一起火災(zāi)，其起因是由于機(jī)組人員缺乏相關(guān)電氣防火知識(shí)和培訓(xùn)，未能及時(shí)阻止火災(zāi)的發(fā)生。該火災(zāi)源于擋風(fēng)玻璃接線板的問題，但其蔓延是由于機(jī)組人員無法處理該情況所導(dǎo)致的。這一案例引發(fā)了對(duì)于飛機(jī)火災(zāi)預(yù)防管理重要性的關(guān)注。為了確保飛機(jī)和乘客的安全，有必要采取一系列的預(yù)防措施和管理策略。以下是針對(duì)飛機(jī)火災(zāi)預(yù)防管理的建議。

(1) 完善飛機(jī)電氣制造、安裝規(guī)范。為了預(yù)防線纜破損引發(fā)的事故，航空工程師們需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和布置電氣系統(tǒng)，并采用高質(zhì)量的線纜和絕緣材料。此外，定期維護(hù)和檢查也非常重要，以確保線纜的完整性和可靠性。如果發(fā)現(xiàn)線纜破損或其他問題，必須立即進(jìn)行維修或更換，以確保航空器的安全運(yùn)行。從20 世紀(jì)末開始，學(xué)者們就開始探索電弧故障和電氣火災(zāi)的關(guān)系[18]，進(jìn)入21 世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者繼續(xù)研究，并提出了有關(guān)飛機(jī)線纜選擇、設(shè)計(jì)和布線方法的合理化建議[35]。隨著EWIS 的重要性進(jìn)入人們的視野，有關(guān)線纜電氣火災(zāi)的流程文件應(yīng)包含電氣設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)?yōu)化、強(qiáng)化接地系統(tǒng)，加強(qiáng)關(guān)鍵部位防范，提高電氣施工質(zhì)量、線纜設(shè)計(jì)規(guī)范等[89]。

(2) 完善應(yīng)急管理制度提供全面培訓(xùn)。在發(fā)生飛機(jī)火災(zāi)時(shí)，缺乏科學(xué)合理的應(yīng)急預(yù)案會(huì)導(dǎo)致火勢(shì)加劇，造成嚴(yán)重?fù)p失，機(jī)組人員需要接受全面的培訓(xùn)，包括電氣防火知識(shí)和緊急情況處理程序。他們應(yīng)該熟悉飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的潛在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并熟悉正確操作滅火設(shè)備和應(yīng)對(duì)火災(zāi)事件的方法。除了航空領(lǐng)域，其他領(lǐng)域也同樣重視火災(zāi)應(yīng)急管理。盧世敏[90]的統(tǒng)計(jì)表明，在66 起建筑電氣火災(zāi)事故中，72.7%的事故存在突發(fā)狀況處理不當(dāng)?shù)那闆r。因此應(yīng)急預(yù)案的完善編制和實(shí)施至關(guān)重要。

(3) 強(qiáng)化飛機(jī)火災(zāi)救援能力。由于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，火災(zāi)救援相對(duì)于其他場(chǎng)所更加困難。為了應(yīng)對(duì)不同區(qū)域的特點(diǎn)，王凱[9]詳細(xì)總結(jié)了飛機(jī)滅火對(duì)策和救援方法。在飛機(jī)事故發(fā)生后，搜救進(jìn)度的快速展開備受關(guān)注。為了應(yīng)對(duì)這種情況，國外的一些學(xué)者開始重視對(duì)飛機(jī)救援和消防人員的培訓(xùn)[91]。提高救援速度，搶救被困幸存者仍然是最重要的問題。

7 關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

(1) 目前已有成熟的技術(shù)用于單根電纜的電弧故障預(yù)警，但在復(fù)雜電纜網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用仍處于起步階段。國外學(xué)者采用智能算法和反射法相結(jié)合的方法來定位電纜網(wǎng)絡(luò)故障，但運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，無法實(shí)時(shí)在線定位。在一些電弧引發(fā)的飛機(jī)事故中，電弧可能發(fā)生在未裝有電弧檢測(cè)裝置的設(shè)備上，因此如何將電弧預(yù)警技術(shù)應(yīng)用于所有電氣設(shè)備上仍是一個(gè)迫切需要解決的挑戰(zhàn)。

(2) 結(jié)合電弧故障預(yù)警技術(shù)與新型電路保護(hù)裝置，以提高航空電氣系統(tǒng)的安全性。新型電路保護(hù)裝置SSPC 具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如無機(jī)械損耗、高可靠性、低功耗和遠(yuǎn)程控制等，適用于航空航天應(yīng)用。將電弧故障檢測(cè)功能整合到SSPC 中，可以實(shí)現(xiàn)三位一體的電氣系統(tǒng)保護(hù)裝置，包括繼電器、斷路器和電弧故障斷路器。這是提高航空電氣系統(tǒng)安全性的重要舉措，同時(shí)也是當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)。

(3) 尋找新的哈龍?zhí)娲鷾缁饎?。鑒于民用航空對(duì)安全和運(yùn)營(yíng)的特殊要求，相對(duì)于其他行業(yè)，尋找可替代哈龍1301 滅火劑的任務(wù)仍然是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。因此，需要對(duì)滅火效率、重量、噴霧性能以及清潔性等方面進(jìn)行深入的研究。

(4) 精準(zhǔn)火災(zāi)探測(cè)器研究?；馂?zāi)預(yù)警技術(shù)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是提高火災(zāi)探測(cè)器的靈敏度和降低誤報(bào)率。目前，通過采用精準(zhǔn)探測(cè)算法和多傳感器融合等技術(shù)，可以有效地提高探測(cè)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)真假火源的準(zhǔn)確識(shí)別。未來進(jìn)一步改進(jìn)這些技術(shù)并設(shè)計(jì)新型精準(zhǔn)火災(zāi)探測(cè)器，仍然是民用航空領(lǐng)域火災(zāi)預(yù)警技術(shù)的研究重點(diǎn)。

(5) 電弧火源引燃航空線纜機(jī)理研究。目前，航空領(lǐng)域火災(zāi)預(yù)防技術(shù)主要集中在火災(zāi)發(fā)生后的及時(shí)檢測(cè)和滅火上，而對(duì)于火災(zāi)發(fā)生前的預(yù)警手段還處于起步階段。因此，通過對(duì)電弧引發(fā)火災(zāi)機(jī)理的研究，探索引發(fā)火災(zāi)的關(guān)鍵因素，從根源上避免電氣火災(zāi)，成為當(dāng)前航空電氣火災(zāi)安全研究的重要挑戰(zhàn)。在這方面的研究中，需要進(jìn)一步探究線纜電弧引發(fā)火災(zāi)的機(jī)理，了解電弧形成和擴(kuò)散的過程、影響電弧發(fā)展的因素以及電弧引發(fā)火災(zāi)的關(guān)鍵因素。通過這些研究，可以為發(fā)展預(yù)防電氣火災(zāi)的新技術(shù)和方法提供理論基礎(chǔ)，有效提升航空電氣火災(zāi)的安全性。

8 總結(jié)與展望

本文以飛機(jī)線纜電弧火災(zāi)事故為起點(diǎn)，分析了事故發(fā)生的原因，介紹了線纜電弧火災(zāi)發(fā)生的機(jī)理，并對(duì)常用的電弧故障檢測(cè)措施以及防火措施進(jìn)行了概述，提高了讀者對(duì)電弧故障危害嚴(yán)重性的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)飛機(jī)電弧火災(zāi)防護(hù)的理解。通過采取相應(yīng)的防護(hù)措施，可以提高民用飛機(jī)的安全性。未來隨著科技的不斷進(jìn)步，民用飛機(jī)線纜電弧火災(zāi)防護(hù)技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的提高和發(fā)展。