博文
航空发动机灭火
精选
|||
航空发动机灭火
近年来，航空发动机的事故不断在新闻中出现，笔者最关心的是发动机（即机舱Nacelle）的灭火保护问题，这里继续谈一谈灭火剂的工作原理。另外，远在德国的一位孙同学看了我的博文《说说航空发动机》，给我寄来了两张博物馆的发动机照片（见附录），为了他的热情和好意，我也需要谈一谈航空发动机的安全问题。最后，笔者开博客的目的，不是分享个人（政治）观点，只做消防（技术）科普。最近连续两篇博客置顶，有所争论，让我不胜惶恐，还是谈谈技术比较保险。万里长城今犹在，不见当年臭皮匠。
自从二十世纪中期以来，主动式发动机灭火系统的作用越来越重要。Hansberry在1943年提出的研究报告中提到很早之前就有专用灭火系统，目前的航空安全水平的发展一直是一个渐进的横跨半个世纪的过程，这个过程中涉及到的对许多化学品及相关技术的发展。使问题更复杂的是，在此期间飞机推进方式本身是变化的。美国航空安全的主管单位主要是美国联邦航空管理局（ FAA ），在2007年每三年一度的航空安全会议上，看不到一位国内来的专家，国内目前可能还是空白。
在Hansberry发表于1943年的报告中建议采用主动手段保护飞机发动机，当时有两种灭火剂的设计信息：二氧化碳和哈龙1001 （甲基溴，或溴化甲烷）。释放这些化学物质是通过位于发动机动力部分上环管四周多个喷嘴进行的。应该注意到，这两种灭火剂是可压缩流体。现在仍然如此，用可压缩流体灭火技术在概念上相对固定的。当时的推进模式是径向活塞式引擎。 Hansberry的报告报道了3000次消防测试结果，涉及DC-3 ， Curtiss –Wright-20，Waco WK-37。
第一种在设计阶段就考虑消防设计的飞机是洛克希德的Constitution（海军的XR60-1）。这架飞机是具有径向活塞式发电单元。在这项工作涉及评估的化学品为二氧化碳、哈龙1001和哈龙1011（溴氯甲烷）。此外，在这一评估期间，考虑了飞机发动机机舱的多种灭火的灭火剂输送方法。也就是说，当前保护机舱的灭火的主要方法都已经提出并得到评估。
对洛克希德Constitution的工作，首要重点是涉及找到一更简单更有效的方式来送放灭火剂。在此之前，多孔管是一种相对复杂的送放方式，一直是早期的标准做法。灭火剂位于机舱内部发动机活塞之间的多个小气包内，通过爆炸气包的方式释放。这种气包的方法确定需要做更多的工作，但却没有得到广泛的接受。另一种气体送放的方法通称为高速送放（HRD）。HRD方法消除了复杂的分布管路，但保持了灭火剂存储硬件。第四种方法是，引入处理后的废气进入机舱，以惰性化受保护的空间。在后续报告中由于缺乏明显的工作也显示了尾气概念并没有在航空界得到广泛的兴趣。目前，航空发动机使用的还是复杂管路的输送办法。
由于效率高，干粉化学灭火剂在两种不同场合得到评估。但后来的评估工作并没有进一步表示出对这一方法的兴趣，因为释放后的灭火剂清理工作基于运行的考虑而过于繁琐（也就是说，待机时间长，无法立即在灭火后投入使用）。在灭火剂释放时限制机舱气流供应也有人建议。这种方法被认为是通过减少到机舱的空气供应而增加灭火系统的使用效果。经评估，测试中虽然可以窒息火势，但重新点火现象持续存在。这样，放弃了这一选择。
在1940～1950年代期间，一个新型推进方法涡喷发动机出现了，就是现在的Ryan Fireball（海军FR-4）。涡喷技术的迅猛发展和FR-4发电单元在工作刚开始已经过时。发动机灭火工作，后来转变到评估当时的灭火剂。这项工作包括二氧化碳和几种卤化剂，其中包括三种之前没有的新灭火剂，包括哈龙104，1003，1202。从这一项工作中，送放系统又一次被确定为主要影响系统性能的因素。从这一点出发，对各种卤代灭火剂进行了更多的工作，送放系统演变为一种简单的以管道为基础的安排方式，使喷嘴数量减少到最低限度。哈龙1301出现在1956年年初，在诺斯罗普 F-89 Scorpion的工作中是简单地提到。由于上一次施放的影响，灭火剂释放效果的完整性收到怀疑，所以这项工作没有得到重视。
在这一时间段附近的另一项重大的变化是推进方法再次发生变化。在1960年代，民航部门进入了涡扇发动机的时代。为发现未知的复杂性，一项为期两年的工作是评价了普惠发动机 JT3D-1的防火保护。从这项工作中，对灭火剂有效性排名由高到低为哈龙1301，1202，1211，1011。从这个时候起，哈龙1202和1301年经历了持续的评估。大约十年以后，两项额外的工作比较了哈龙1301和1202 。这项工作的结果表明，哈龙1301的性能优于哈龙1202。
当考虑气体灭火剂扑灭未知动态环境下的火灾时，最有效的方法是量化其施放区域的气体浓度。在20世纪50年代中期，美空军资助的一项气体分析仪的研制，后者能够记录发动机机舱的气体排放事件。Statham实验室生产的该装置测量已知温度下二元气体通过一多孔塞时产生的压降。由于一部份的二元气体是空气，第二中气体成分可以通过已知的校正曲线计算出来。第一代气体分析器就是众所周知的GA-1，拥有18个数据采集通道。该Statham实验室分析仪后来改进成有12个数据收集渠道的GA-2。这个装置俗称为statham分析器。今天，一种熟悉的衍生设备是Halonyzer II，用于测量灭火剂释放效率。
在飞机发动机舱的灭火系统，如其他灭火系统一样，包括两个组成部分：检测和灭火剂送放。发动机的消防特殊之处在于，高温，多油，结构复杂，开放空间。高温导致燃料油，润滑油超过闪点，一点就着。发动机内油料复杂，都是可燃的类型。结构复杂意味着有可能在某个犄角旮旯保持火种，因此很难灭火。很多灭火剂都可以用来灭火，但经过经济性，生理毒性，物理特征，化学特征，臭氧危害，温室效应，大气生存周期，运输障碍等评判准则筛选下来，只有哈龙和CF3I两种灭火剂可以用于发动机保护，而后者有毒。目前发动机防火保护的安全水平定义为在整个保护区内哈龙1301最小的6％体积浓度维持半秒。怎么让气体在发动机中多待一会儿呢，需要机械方面的设计，尽可能收缩进气口，减少灭火剂在释放后的泄漏。
哈龙不是对环境有害么？不错，那是对外行和大众的说法。民航和军方，对空中的重量非常敏感，多带一磅重量上天，一年下来就是几千美元的燃料费。所以，美国的哈龙都在向军方和航空业集中，目前一磅哈龙5美元，一磅替代产品七氟丙烷12美元，你该选择哪一个？从供货稳定性考虑，选后者；从军方安全性考虑当然是前者，军方干活不计来源不计成本。哈龙的灭火效率高，适应性极好（不怕严寒酷暑，上天入地），因此在军方仍然使用。据说某些飞机一旦靠近战区（有可能作战），就需要使用哈龙惰性化油箱，防止油箱被一粒子弹击中，产生油箱爆炸的悲剧，如TWA800的空中油箱爆炸事故，就是电线老化，短路放电造成的。美国已经花了很多钱去改进大飞机的安全性，中国还要投钱么？拷贝就行了？拷贝的产品如何通过美（FAA）欧（EASA）的安全评估？
国产大飞机的设计，发动机灭火保护以及其他部位的消防系统，很可能使用UTC下属公司Hamilton-Sunderland的产品（美国专用产品集中度高，非此即彼，还有一家在加州，我忘了名字）。直接购买产品，表面上看这是后发优势，不需要向美国那样投入大量的人力物力去测试，去烧钱。但是，我们不了解其中的奥秘，有可能选择一款淘汰产品。或者像目前那样，设计超重，大量修改，这就是后发的劣势了。国内的管理，不出灾难，万事大吉；出了灾难，不计成本（如某些救灾行为，浪费的钱足以建立好几套应急管理系统了）。为什么我们不做呢？没有这方面的人才，拒绝国外的经验，怕国内政策倾斜，怕国外的高层人才影响了国内的利益分配。僧多粥少，难分配，还是不要回国吧。我们喜欢听话的小海龟，不要难缠的大海龟。如果大海龟们都是哑巴，那该多好管理啊！
有道是，灭火哈龙有奇效，航空应用得推广。回顾哈龙开发史，开发投入可参考。
图1.寄自德国的一款早期航空发动机，好像是活塞式的，有年头了。
图2.这一款类似于商用涡扇发动机，军用涡喷发动机比这个还要复杂（见前面的太行发动机）。
https://blog.sciencenet.cn/blog-302992-340982.html
上一篇：应急管理说辟谣
下一篇：恐慌认识有历史
