闲话飞机发动机失火

11月10日21时40分许，由珠海飞往北京的南方航空公司CZ3739航班，在起飞一个多小时后，因发动机故障起火，紧急迫降广州白云机场。无论从飞机成本还是从机舱（EngineNacelle）的复杂性来说，发动机灭火保护，是所有消防灭火工程的明珠，因此有必要说一说发动机灭火问题。

自从飞机诞生以来，发动机的额灭火问题就一直是消防工程的明珠，这是因为以单位重量的价值来衡量，如果舰船的价值是1单位的话，飞机发动机是1600单位。所有飞机的价值都依赖于发动机的出力和可靠性。如何保护发动机不被火灾摧毁，一直是消防研究的一大难题。

发动机机舱（EngineNacelle），是指容纳飞机发动机的环境，有别于通常所说的客舱、货舱、干舱（仪表电缆控制舱）和湿舱（油箱）。后者的消防问题也很重要，但都无法与机舱的火灾问题相比，因此是重中之重，需要特殊的考量。机舱灭火的特殊之处在于，环境高温，只要热源存在，就不可能灭火（热源也是一种火）。其次，机舱的燃料比较特别，除了燃料（通常是航空煤油），还有各种润滑油和其他可燃物。第三，机舱的环境极其复杂，如果使用任何非气体灭火剂（比如液体或固体），会存在流动的死角，导致无法深入灭火的困境。第四，大部分灭火剂的使用效果，仰赖于灭火剂在着火区维持一定的时间，如果立即流失，那么火势还会复燃。而发动机的最大困境是，无法密封，只能虚掩，因此对灭火剂的选型带来很大的挑战。

图1. 典型航空发动机的内部设计

第一种用于机舱保护的化学剂是四氯化碳（哈龙104），即19世纪末出现的灭火弹。这玩意虽然灭火效果很好，但是毒性很大，很快就被淘汰了。1920年代，英国和德国使用溴化甲烷（哈龙1001）保护飞机和轮船，不过溴化甲烷的可燃性在一定浓度下存在，也就是说，他们不仅是灭火剂，而且在一定浓度下可以燃烧，所以不理想。在二战期间，飞机技术最先进的德国使用的是溴氯甲烷（哈龙1011），但到二战以后才得到广泛的应用。1950年代，美国陆军让普渡大学筛选研究化合物，发现两种哈龙，哈龙1201在常温下倾向于液体，只能当中液体使用，因此用于消防队的添加剂。哈龙1301在常温下是气体，对于气相灭火效果非常好，于是在1970年代开始，得到广泛的使用。1987年蒙特利尔协议之后，哈龙的环境毒性被发现和广泛认可，于是开始研究各种哈龙替代技术。不过，无论使用什么替代产品，哈龙1301的地位是不可动摇的，这是因为，哈龙1301的灭火效率，按质量计算，是所有气体当中最高效的（唯一的例外是某些钾基化合物固体，但固体不能用于发动机的灭火，因为清扫的工作量太大。）；其次，哈龙在常温下是气体，因此可以自驱动，所以所有的气体灭火系统的设计，哈龙系统最简单紧凑。一般的气体灭火剂或者需要其他气体的驱动，或者不能液化（因此体积巨大，如氮气），或者容易上冻，不能保持气态（如二氧化碳），只有哈龙1301，其神奇的物理参数对所有的工作条件都能够适应，作为灭火剂的灭火效率、经济性、可靠性都很好满足要求，所以FAA（美国航空管理局）是美国对哈龙监管的例外部门之一，另外两个部门，一个是阿拉斯加的石油公司，一个是军方武器部门，都是极度依赖哈龙的部门。关键是哈龙的超高的灭火效率，是所有替代产品都无法取代的。

1950年代以来，哈龙的灭火效率一直引人关注。如果哈龙1301是一种普通的不可燃气体，那么它的体积灭火浓度应当是6~7%。可是，由于哈龙的所谓的干扰燃烧化学反应的神奇功能，哈龙的测试灭火浓度只需要3.1%，甚至更低（因为灭火剂的临界浓度仰赖于速度，所以不存在唯一的灭火浓度）。对于飞机发动机的灭火，只需要把发动机空间临时封闭起来（其实是虚掩上进气道），然后把哈龙1301的阀门打开，让哈龙停留数秒钟，火焰自然就熄灭了。通常机舱的灭火设计浓度时6%，是实验临界浓度的2倍，以保障确实能够灭火。

图2. 航空发动机机舱的复杂性

发动机消防的困难在于，燃料无所不在（因为燃油和润滑油的缘故），空间非常狭小，部件密集，本身有热量产生(即点火源无所不在)，无法密封（气体灭火需要密封空间，防止灭火剂流失），精密器件不能污染等限制性条件。所以发动机消防是所有消防问题中的最大困难。美国国家科学技术研究院从事了多年的机舱保护研究，看看下列研究赞助单位，就知道问题的重要：美国国防部（DOD），能源部（DOE）、宇航部（NASA），空军（AF）、海军（Navy），陆军（Army）、海岸警备队（CG）。凡是有设备需要保护的，都需要关心灭火剂的研究。

那么，有没有因为因为发动机失火而损失的飞机呢？说没有是不对的，因为军用发动机存在某些机型只有一台发动机，如果空中起火，就需要停车，而空中发动机停车就会失速，就会损失。民航飞机的发动机的布局通常是足够远，一般不会同时失火，所以只需要关闭发动机，让剩余的动力保持返回就可以了。确实，空中发动机失火时民航飞行员的必修课程内容，是不能掉以轻心的。在笔者的印象中，因为发动机失火而损失的飞机只有一架，就是11年前的法国协和超音速飞机，因为速度太高，停不下来而坠毁，起因是发动机着火，其他飞机的发动机着火问题都是小问题，有常规的处理办法。

1991年以来，消防灭火领域为淘汰哈龙投入了大量的时间和精力，科研结果非常有限。大自然为我们准备了成千上万种化合物，使用超大型计算机筛选这些化合物的结果，这个地球上最佳的灭火剂是水。水，是满足所有安全条件和几乎环境条件的唯一灭火剂，还用说吗？这可是美国轰轰烈烈的灭火剂研究的主要研究成果。寻找哈龙替代产品，首先需要从检测手段入手。当年（1952年）普度研究所筛选出哈龙产品的测试手段已经不足以保证新型灭火剂的性能测试。针对机舱保护，NIST专家首先提出一套风洞加台阶的实验设备，来筛选哈龙替代物。风洞的目的是控制流速和灭火剂的施放浓度，台阶的目的是造成一个局域的火灾，这样火源被台阶保护，风吹不到，辐射增加，所以很难熄灭。这样，机舱内复杂的设备就简化成一个台阶，参数具有可比性。其次，大家在使用了各种化学剂进行比较测试以后，已经非常失望，因为高效的灭火性能往往就是环境的杀手，不能用一种杀手替换另一种杀手。所以需要从物理性能上入手，寻找比较好的灭火剂。但气相原子的吸热能力是差不多的，需要利用液体的气化潜热。在这方面，水是最好的。如何利用？需要雾化（Atomization）。雾化虽好，价格不低。所以好的灭火方案总是有的，但即便宜又环保的产品目前还没有找到。与此同时，理论工作者也忙着开辟新领域，主要是利用数值计算来预测物质的理化性能。当代并行超级计算机的发展，首先使用到数据库和材料科学中。对消防来说，虽然超大型计算机可以超过人脑去下棋，可是我们还是用数千年之前的灭火方法来灭火。看看飞机发动机室如何灭火的，就知道理论虽然无比美好，实际应用总有各种不足。在各种条件的平衡妥协之下，就是已经解决了发动机的灭火问题。空中失火，实在不是什么新闻了。因为失火而坠机的事故，从此协和空难以来从未发生过，以后也很难发生。