CC BY
62
УДК 614.841.41:629.7.042.2
О ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО КОНТУРА САМОЛЕТОВ
Использование для внешнего контура авиационной пассажирской техники полимерных композиционных материалов (ПКМ) вместо алюминиевых сплавов позволяет обеспечить существенное повышение экономической эффективности авиатранспортного средства за счет снижения его массы, но одновременно может существенно изменить безопасность всей конструкции. В связи с этим показана необходимость анализа возможных последствий при переходе на другой тип материалов. Дана оценка возможному изменению характеристик пожаробез-опасности самолета при широкомасштабном использовании ПКМ в конструкциях внешнего контура большегрузной пассажирской авиационной техники.
Ключевые слова: пожаробезопасность; полимерный композиционный материал; фюзеляж; авиационная техника.
Одним из критериев оценки работы авиационного транспорта является достижение как можно более высокой экономической эффективности при его эксплуатации. При выполнении пассажирских перевозок с использованием гражданской авиации один из путей решения этой проблемы заключается в снижении расхода топлива в расчете на одного пассажира или килограмм груза, которое может быть обеспечено применением более совершенных двигателей, аэродинамических форм внешнего контура, созданием более вместительных транспортных средств либо снижением их массы. Первый и второй способы не имеют отношения к теме данной статьи и поэтому не рассматриваются. Два оставшихся способа фактически могут быть решены путем более широкого применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) при проектировании и изготовлении авиатранспортных средств.
В настоящее время общая доля полимеров в конструкции широкофюзеляжного пассажирского самолета составляет 4.. .10 %, и то в основном они используются для отделки интерьера салонов. Замена алюминиевых сплавов в конструкциях крыла и фюзеляжа большегрузного транспортного самолета на ПКМ обеспечит снижение массы конструкции на 40 % [1]. Создание опытного экземпляра самолета B787 корпорации "Boeing" с фюзеляжем, полностью выполненным из углеродных полимерных композиционных материалов, свидетельствует о том, что широкомасштабный переход на исполь-
© Барботько С. Л., Шуркова Е. Н., 2011
зование ПКМ в конструкциях внешнего контура для изделий как пассажирской, так и транспортной авиации может произойти в ближайшие годы.
Однако использование ПКМ вместо алюминиевых сплавов может существенно изменить безопасность всей конструкции в плане как механики разрушения, так и поведения в условиях пожара [2].
В аварийных ситуациях при взлете или посадке самолета высока вероятность возникновения внешнего пожара от разлившегося авиатоплива. Разработка и эксплуатация широкофюзеляжных самолетов высокой пассажировместимости требует, чтобы конструкция самолета обеспечивала как можно большую продолжительность допустимого периода аварийной эвакуации. Следовательно, необходимо иметь настолько высокую огнестойкость внешнего контура (фюзеляжа и крыла), чтобы исключить возможность проникновения огня во внутренние отсеки самолета при нахождении там людей.
Материалы, применяемые для изготовления внешнего контура авиационной техники, являются сильно- или средненагруженными, т. е. несут большие механические нагрузки и, соответственно, должны иметь высокие физико-механические характеристики. В настоящее время для изготовления внешнего контура самолетов пассажирской транспортной категории (фюзеляж, крыло) преимущественно используются различные алюминиевые сплавы, которые не воспламеняются и не распространяют пламя по своей поверхности. Полимеры
во внешнем контуре применяются преимущественно для изготовления сравнительно небольших деталей — радиопрозрачных обтекателей радиолокационного оборудования, элементов механизации крыла (элероны, закрылки) и хвостового оперения. Таким образом, доля неметаллов, используемых для изготовления деталей внешнего контура современных пассажирских самолетов, незначительна. Поэтому и в отечественных, и в зарубежных авиационных нормах требования по пожаробезопасно-сти к материалам, применяемым для изготовления внешнего контура, не предъявляются.
Алюминиевые обшивки фюзеляжа под действием высокой температуры и пламени прогорают в течение 30.. .90 с. После этого пламя начинает воздействовать на внутренние материалы — теплозвуко-изоляцию (ТЗИ), панели пола, стен, перегородок багажных и пассажирских салонов. После разрушения или прогорания панелей пламя проникает внутрь пассажирского салона, где под воздействием высоких температур возникает объемная вспышка материалов интерьера, что делает выживание людей невозможным. Следовательно, использование для изготовления внешнего контура материалов, обеспечивающих более высокую огнестойкость (устойчивость к сквозному прогоранию), могло бы повысить пожаробезопасность всей конструкции самолета.
Таким образом, характеристика стойкости материалов внешнего контура к сквозному прогоранию является одной из определяющих для сохранения жизни людей и должна быть регламентирована.
В настоящее время проблема обеспечения огнестойкости внешнего контура пытаются решить за счет требований, предъявляемых к теплозвукоизо-ляции фюзеляжа.
Возможным способом повысить огнестойкость внешнего контура является использование ПКМ, из которых может быть изготовлен и силовой набор фюзеляжа самолета (стрингеры и шпангоуты).
ПКМ на основе стекло- или углеволокон в качестве армирующей матрицы содержат вещества, практически не участвующие в процессе горения в условиях пожара*. Поэтому при выгорании связующего слои стеклоткани или углеродной ткани являются препятствием для проникновения огня и теплового потока, а выходящие навстречу пламени газообразные продукты термодеструкции вследствие абляционного эффекта предотвращают прогрев более глубоких слоев материала. Даже при полном
* Углеродная ткань, несмотря на то что она полностью состоит из углерода, вследствие высокотемпературной обработки достаточно инертна и в условиях восстановительной атмосферы (среда продуктов газификации полимеров) при тепловом воздействии практически не выгорает.
выгорании связующего остаточная прочность армирующей матрицы достаточно высока. Таким образом, переход с алюминиевых сплавов на конструкции из ПКМ может обеспечить повышение огнестойкости внешнего контура.
В то же время подавляющее большинство полимеров при воздействии пламени, особенно сопровождающемся внешним тепловым потоком, способны к воспламенению и распространению пламени по поверхности. В процессе термодеструкции и горения полимеры выделяют токсичные газы и дым, которые могут вызвать отравление людей и затруднить процесс эвакуации. С этой точки зрения использование ПКМ в конструкции самолета фактически эквивалентно добавлению в процесс горения нескольких тонн горючих веществ. При распространении пламени по всей поверхности фюзеляжа из ПКМ аварийные спасательные средства (надувные трапы, канаты, веревочные лестницы) окажутся неработоспособными, да и быстрая эвакуация людей, не прошедших специальную подготовку, сквозь открытое пламя практически невозможна. Через некоторое время после возникновения внешнего пожара пламя все равно проникает внутрь пассажирского салона через иллюминаторы, поэтому даже при сохранении целостности внешней обшивки самолета из ПКМ гибель людей в случае внешнего пожара может достигать 100 % вследствие отравления их токсичными продуктами горения, снижения концентрации кислорода в воздухе, воздействия повышенных температур. Поэтому при разработке и использовании полимерных композиционных материалов для внешнего контура авиационной техники обязательно следует учитывать их пожароопасные свойства.
В настоящее время ПКМ, предназначенные для изготовления сильно- и средненагруженных элементов, имеют полимерную матрицу на основе эпоксидных или полиэфирных смол. Такие композиты способны воспламеняться и распространять пламя по всей поверхности даже от малокалорийного источника воспламенения (например, пламя лабораторной горелки Бунзена, спички, сигареты) и при отсутствии дополнительного теплового потока. Использование антипиренов, как правило, снижает механические свойства ПКМ и приводит к увеличению эмиссии дыма и токсичных газов.
Теплота сгорания подавляющего большинства полимерных связующих существенно выше теплоты сгорания многих металлов, а их воспламенение происходит, как правило, при более низкой температуре. Более того, при воздействии пламени многие полимеры способны распространять пламя даже без дополнительного воздействия теплового потока (см. таблицу). Кроме того, в процессе пожара созда-
Сравнение пожароопасных свойств различных материалов1 [4-8]
Материал Температура воспламенения или термодеструкции, °C Горючесть2 Дымообразующая способность3 Тепло- 4 выделение , кВт/м2 Теплота сгорания5, кДж/г
Алюминий 1000...25006 933,57 Трудно-сгорающий Практически не выделяет дыма <5 30,5
Железо 18117 То же То же <5 7,3
Титан > 2006 19417 « « - -20
Углерод 900.1100 « « <5 32,8
Полиметилметакрилат 300 Сгорающий Существенно-дымящий >800 26,7
Поливинилхлорид 390 Самозатухающий Сильно-дымящий 100.2508 18,2
Фторопласт-4 380.420 Трудно-сгорающий Практически не выделяет дыма 5.10 4,3
ПКМ (стекло- или углепластик) на эпоксидном связующем 350.420 Сгорающий Существенно-дымящий 120.180 32.35
ПКМ на эпоксидном (бромсо-держащем) связующем 350.420 Самозатухающий Сильно-дымящий 90.120 30.32
Стеклопластик на полиэфирном связующем - Сгорающий То же 100.150 -
Стеклопластик на связующем из поликарбоната 400.420 Самозатухающий Существенно-дымящий 60.90 30.32
Стеклопластик на связующем из полисульфона 420.480 То же Слабодымящий 60.75 30.31
Стеклопластик на фенольном связующем 400.550 « То же 15.70 30.35
Стеклопластик на связующем из полиэфирсульфона 500.550 Трудно-сгорающий Практически не выделяет дыма 15 28,5
Стеклопластик на связующем из полиэфирэфиркетона 550.600 То же То же 5.10 31
Стеклопластик на кремний-органическом связующем 450.600 « Слабодымящий 5.10 -
Стеклопластик на полиимид-ном связующем 550.650 « Практически не выделяет дым 10.35 -
Стеклопластик на алюмо-фосфатном связующем - « То же <5 0
Металлополимерный композит (СИАЛ, GLARE) - « « <5 -
Углепластик для ПКМ фюзеляжа (Toray Composites, США) 450 Трудно-сгорающий9 Среднедымящий 73 -
1 При определении характеристик пожарной опасности использовали образцы материалов толщиной около 2 мм. 2 Метод испытания и классификация — по ОСТ 1 90094 (время воздействия пламенем горелки — 60 с, допустимая продолжительность остаточного самостоятельного горения — не более 15 с, допустимая длина прогорания — не более 152 мм). 3 Метод испытания и классификация — по ГОСТ 24632-81. 4 Приведены данные по максимальной интенсивности тепловыделения (пик) при испытании по методу, изложенному в АП-25 (Прил. F, ч. IV). 5 Для ПКМ приведены теплоты сгорания полимерных связующих (бомбовая калориметрия). 6 Для воспламенения необходимо удаление защитной оксидной пленки. 7 Приведена температура плавления металлов. Температуры плавления сплавов на их основе могут существенно отличаться. 8 Здесь и далее: в зависимости от конкретной марки полимерного связующего. 9 Воспламеняется и распространяет пламя при воздействии теплового потока около 14 кВт/м2.
ются высокие тепловые потоки от пламени к поверхности полимерного материала, обеспечивающие его воспламенение и распространение пламени по поверхности фюзеляжа.
В связи с этим при широкомасштабном использовании ПКМ в конструкциях внешнего контура необходимо, кроме оценки сопротивляемости сквозному прогоранию, определять и предельные тепловые условия распространения пламени по поверхности. Поскольку эксплуатация аварийных средств спасения (надувные трапы, рампы, баллонеты и т. п.) допускается при тепловом потоке на поверхность до 17 кВт/м2, то необходимо, чтобы материалы внешнего контура хотя бы при таком тепловом потоке не распространяли пламя. В настоящее время этим условиям удовлетворяют полимерные матрицы на основе полиэфирэфиркетона, полиимида, бисмале-имида, а также некоторых видов кремнийорганиче-ских соединений.
Поиск более пожаробезопасных полимерных связующих, способных обеспечить и восприятие больших механических нагрузок, ведется во всем мире. Одновременно ведутся исследования по выбору методов оценки пожарной безопасности внешнего контура авиационной техники. Наиболее вероятно, что Федеральным авиационным агентством США, а вслед за ним агентствами Евросоюза и Авиационным регистром МАК будут введены новые требования и методы испытания для материалов внешнего контура. В настоящее время справочник Aircraft Material Fire Test Handbook (США) [3] уже включает 24 метода оценки пожарной опасности материалов, узлов и элементов конструкций авиационного назначения, что явно является избыточным (из них 7 вариантов оценки горючести в зависимости от функционального назначения материала, 8 вариантов методов оценки стойкости к сквозному прогару).
По нашему мнению, подтверждаемому принципами нормирования пожаробезопасности в других отраслях промышленности, для всесторонней оценки полимерных материалов по критериям по-жаробезопасности необходимо не более 5-6 методов определения: горючести (оценка способности к затуханию или распространению пламени по поверхности с предельно допустимой скоростью); критического теплового потока, вызывающего воспламенение; дымообразующей способности; токсичности продуктов горения; количества выделяемого при горении тепла; способности противостоять прогреву и проникновению огня.
Один из возможных путей решения проблемы защиты от сквозного прогорания — использование огнестойкой теплоизоляции. Для обеспечения комфортных условий полета вся внутренняя поверхность фюзеляжа защищается матами теплозвуко-
изоляции. В случае прогорания алюминиевой обшивки пламя начинает воздействовать именно на нее. В целях повышения пожаробезопасности пассажирской авиационной техники в Федеральные авиационные нормы США (РАЯ-25, п. 25.856) в 2003 г. были введены изменения, регламентирующие пожаробезопасность тепловой и акустической изоляции, а именно требования и два новых метода оценки, описанные в прил. Б, ч. VI и VII.
В ч. VI БАЯ-25 описывается метод оценки распространения пламени по поверхности образца материала при воздействии инициирующего воспламенение пламени газовой горелки и теплового потока заданной интенсивности (17 кВт/м2 в центре образца). Для испытаний используется оборудование, близкое к стандартам АБТМ Е970, АБТМ Е648, КБРА253 и, видимо, частично к ГОСТ Р 51032-97. Материалы должны распространять пламя по поверхности на расстояние не более 51 мм от центра воздействия огня, а продолжительность остаточного самостоятельного горения после удаления пламени горелки не должна превышать 3 с. В настоящее время данный метод оценки материалов введен в Федеральные авиационные требования Евросоюза (СБ-25) и стран СНГ (АП-25).
Однако выполнения требований ч. VI БАЯ-25 недостаточно для обеспечения огненепроницаемо-сти матов ТЗИ. В ч. VII предусматривается воздействие пламени мощной керосиновой горелки с температурой около 1038 °С на маты ТЗИ и измерение теплового потока, проходящего через них. Образцы должны выдерживать воздействие пламени и не иметь сквозного прогорания, по крайней мере, в течение 4 мин, а проходящий через них тепловой поток на холодной стороне образца не должен превышать 22,7 кВт/м2. Эти требования по пожаробез-опасности материалов ТЗИ в настоящее время в Евросоюзе уже приняты, однако введение их на территории России и стран СНГ Авиационным регистром Международного авиационного комитета пока не планируется.
Современная авиационная тепловая изоляция фюзеляжа, отвечающая требованиям авиационных норм по пожаробезопасности, должна выдерживать воздействие пламени в течение длительного времени, однако она не рассчитана на силовые нагрузки. Тепловая изоляция фюзеляжа расположена между силовым набором и панелями стен пассажирского салона или багажного отсека. В силу этих конструктивных особенностей ТЗИ хорошо защищает внутренние части от отрицательных наружных температур, но не способна защитить силовой набор (стрингеры, шпангоуты) от нагрева при внешнем высокотемпературном воздействии. Поэтому в случае внешнего высокоинтенсивного пожара роз-
лива топлива, даже при использовании ТЗИ с высокой огнестойкостью, может быстро наступить потеря несущей способности силового набора, приводящая к разрушению фюзеляжа и, как следствие, к разрывам в тепловой изоляции и прониканию пламени во внутренние части самолета. Поэтому кардинально проблема может быть решена только при использовании внешней обшивки из таких материалов, которые обеспечат ее длительное сопротивление сквозному прогоранию, а также защиту силового набора и сохранение его несущей способности при воздействии пламени и(или) повышенных температур.
Наиболее успешно противостоят воздействию пламени слоистые металлополимерные композиционные материалы (типа зарубежных GLARE или отечественных СИАЛ). При воздействии пламени верхний алюминиевый слой такого материала прогорает, однако нижележащий слой стеклоткани ПКМ создает тепловой экран и препятствует воздействию пламени на следующий слой металла, вследствие чего сквозного прогорания материала не наблюдается в течение длительного времени. Стеклоткань в составе слоя ПКМ способствует и сохранению механических свойств этого гибридного материала. Однако широкомасштабное применение металло-полимерных композиционных материалов пока сдерживается технологическими трудностями в изготовлении листов большого размера.
Использование слоистых металлополимерных композиционных материалов не дает существенного снижения массы при изготовлении фюзеляжа крупных самолетов, а следовательно, не обеспечивает экономии топлива при регулярных авиапере-
возках. Поэтому применять более дорогой материал в целях предотвращения теоретически возможной угрозы пожара изготовители и эксплуатанты авиатехники скорее всего не захотят. При использовании ПКМ взамен алюминиевых сплавов в конструкциях внешнего контура (крыло и фюзеляж), и в частности углепластиков, экономия массы может достигать 20.. .30 %. Это обеспечит существенную экономию топлива или увеличение объемов грузоперевозок. Углепластики успешно противостоят сквозному прогоранию при воздействии высокотемпературного пламени в течение длительного времени (более 15 мин), достаточного для эвакуации людей. Однако при этом необходимо избежать еще и отравления людей продуктами горения (термодеструкции) полимера и распространения огня по всей внешней поверхности самолета.
В настоящее время широкомасштабные работы по выбору и разработке новых методов и критериев оценки пожарной опасности ПКМ для внешнего контура, поиску и созданию новых полимерных материалов авиационного назначения, наиболее полно отвечающих всему комплексу предъявляемых к ним требований, проводятся в зарубежных лабораториях [8-17]. Так, например, согласно планам Федерального авиационного агентства США (БАА) создание пожаробезопасного фюзеляжа запланировано к 2015 г. [18]. В России ведущей организацией по разработке авиационных материалов авиационного назначения ФГУП "ВИАМ" такие работы также ведутся, и есть надежда, что отечественные материалы и самолеты не будут уступать зарубежным, в том числе и по пожаробезопасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Decadal Survey of Civil Aeronautics: Foundation tor the Future / Steering Committee tor the Decadal Survey of Civil Aeronautics, National Research Council. — 2006. — 212 p.
2. Дагаева А., Филиппов И. "Боинг-787" под подозрением // Аэронавтика и космос. — 2007. — № 38. — С. 24.
3. Aircraft Materials Fire Test Handbook // DOT/FAA/AR-00/12. — 235 p.
4. Барботько С. Л., Воробьев В. Н. Пожаробезопасность авиационных материалов и элементов конструкций : справочник / Под общ. ред. Е. Н. Каблова. — М. : ВИАМ, 2007. — 543 с.
5. Копылов В. В., Новиков С. Н., Оксентьевич Л. А. и др. Полимерные материалы с пониженной горючестью / Под ред. А. Н. Праведникова — М. : Химия, 1986. — 224 с.
6. Асеева Р. М., Заиков Г. Е. Горение полимерных материалов. — М. : Наука, 1981. — 280 с.
7. Перельман В. И. Краткий справочникхимика / Под общ. ред. Б. В. Некрасова — М.-Л. :Химия, 1951.— 676 с.
8. Flammability Properties of Aircraft Carbon-Fiber Structural Composite // D0T/FAA/AR-07/57. —43 p.
9. Full-Scale Test Evaluation of Aircraft Fuel Fire Burnthrough Resistance Improvements // D0T/FAA/AR-98/52. — 41 p.
10. Marker T. Update on Toxicity of Burnthrough-Compliant Insulation // 5th Triennial International Aircraft Fire and Cabin Safety Research Conference, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
11. Ochs R. I. Development ot a Lab-Scale Flame Propagation Test tor Composite Fuselages // 5th Triennial International Aircratt Fire and Cabin Satety Research Conterence, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
12. Le Neve S. Fire behavior ot structural composite materials // 5th Triennial International Aircratt Fire and Cabin Satety Research Conterence, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
13. Speitel L. C., Marker T. Development ot a Laboratory-Scale Test tor Evaluating the Decomposition Products Generated Inside an Intact Fuselage During a Simulated Postcrash Fuel Fire // 5th Triennial International Aircratt Fire and Cabin Satety Research Conterence, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
14. Webster H. In-Flight Burn-Through Tests. Aluminum vs. composite materials // 5th Triennial International Aircratt Fire and Cabin Satety Research Conterence, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
15. Marker T. Burnthrough Overview // 5th Triennial International Aircratt Fire and Cabin Satety Research Conterence, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
16. Development ot a Laboratory-Scale Test tor Evaluating the Decomposition Products Generated Inside an Intact Fuselage During a Simulated Postcrash Fuel Fire // DOT/FAA/AR-TN-07/15. —48p.
17. Flammability ot Polymer Composites // DOT/FAA/AR-08/18. — 22 p.
18. Sarkos G. Evolution ot FAA Fire Satety R&D Over the Years // 5th Triennial International Aircratt Fire and Cabin Satety Research Conterence, October 29 - November 1, 2007. Atlantic City, New Jersey.
Материал поступил в редакцию 21 июля 2011 г.
Электронный адрес авторов: slbarbotko@yandex.ru.
Издательство «П0ЖНАУКА»
А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, А. Н. Членов. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ: учебно-справочное пособие / Под общ. ред. д-ра техн. наук А. Н. Членова. -М.: 000 "Издательство "Пожнаука", 2010. - 210 с.
В учебно-справочном пособии изложены основы современного подхода к проблеме комплексного обеспечения безопасности объектов хозяйствования с помощью технических средств и систем; приведены сведения о технической эксплуатации комплексных систем безопасности, а также справочно-методическая информация для решения практических задач по эксплуатации. Дано основное содержание эксклюзивной разработки — ГОСТ Р 53704-2009 "Системы безопасности комплексные и интегрированные", входящего в отраслевой комплект нормативно-технической документации по данной проблеме.
Книга предназначена для практических работников в области систем безопасности и может быть использована как учебное пособие для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.
121352, г. Москва, а/я 43;
тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru
Представляет книгу
