CC BY
749
УДК 614.841.41:629.7.042.2
ТРЕБОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ НОРМ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ: ИСТОРИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
С.Л. Барботько
Возгорания самолетов являются крайне редкими и происходят, как правило, в случае серьезных аварий. Однако вероятностью возникновения пожара нельзя пренебрегать, так как это может повлечь большие человеческие жертвы и нанести существенный материальный и экологический ущерб. Чтобы обеспечить безопасность людей, сохранность авиационной техники и минимизировать возможный ущерб, следует обеспечить соблюдение требований пожарной безопасности, изложенных в авиационных нормативных документах. В данной статье рассматривается история развития данных требований и современные методы оценки пожаробезопасности материалов авиационного назначения.
Ключевые слова: пожарная безопасность, полимерные материалы, авиационные требования, методы испытаний
Введение. В настоящее время происходит расширение использования полимерных материалов в высокотехнологичных изделиях различного назначения, в том числе и в авиационной технике. Так как полимерные материалы в подавляющем большинстве являются углерод- и водородсодержащими органическими соединениями, при контакте с открытым пламенем они способны к реакциям экзотермического окисления. При горении полимерных материалов возможно выделение конденсированных непрозрачных частиц (дыма) и токсичных продуктов термоокислительной деструкции. В связи с этим для обеспечения безопасности людей в случае аварийных ситуаций необходимо научно обоснованное нормирование допустимых характеристик пожарной безопасности используемых материалов и типовых элементов конструкций из них.
Сложность процессов горения и большое количество различных поражающих факторов привели к появлению множества методов оценки пожарной опасности материалов. В зависимости от вида изделия и условий его эксплуатации, вероятности возникновения аварийной ситуации, легкости её устранения и возможности обеспечить эвакуацию людей, экономического и экологического ущерба к различным объектам применяются разные требования, в том числе и по обеспечению пожарной безопасности. Одним из наиболее сложных высокотехнологичных объектов является авиационная техника - самолеты и вертолеты.
Барботько Сергей Львович начальник лаборатории, к. т.н., ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)», ГНЦ РФ, г. Москва;
e-mail: [email protected]
© Барботько С.Л., 2014
На борту самолета имеется большой запас углеводородного топлива, полеты имеют огромную протяженность и проходят на большой высоте, для управления приборами и механизмами используется разветвленная электрическая сеть, для отделки интерьера пассажирских салонов применяются полимерные материалы различной химической природы. По соотношению количества топлива на одного человека или килограмм груза самолеты превосходят любой другой вид транспорта, за исключением космического корабля на старте. Вследствие этого существует вероятность перехода нештатной ситуации, возникшей на борту самолета, в аварийное происшествие и его последующее развитие в катастрофу.
Пожар на борту самолета может возникнуть как во время полета (например, вследствие возгорания двигателя, короткого замыкания электропроводки и т.д.), так и на земле в момент взлета или посадки. В последнем случае может произойти разрушение топливных баков и разлив авиатоплива, такие пожары являются наиболее тяжелыми и часто сопровождаются человеческими жертвами.
Анализ зарубежных статистических данных (рис. 1 и 2) [1] показывает, что, несмотря на относительно небольшое количество катастроф, вызванных огнем, пожар занимает четвертое место среди причин смерти авиапассажиров (исключая неизвестные причины), и каждая подобная авария, сопровождающаяся гибелью людей, имеет большой общественный резонанс.
Таким образом, одной из первоочередных задач для обеспечения безаварийной эксплуатации авиационной техники (особенно широкофюзеляжной) и максимальной выживаемости пассажиров является задача соблюдения существующих требований пожарной безопасности, т.е. создание новых, более безопасных материалов и элементов конструкций, а также совершенствование норм и методов оценки.
Выработка топлива Смешанные причины Поломка крыла Обледенение Пролет ВПП Взлет Посадка 0,1 1 0,2 □ 1,3 □ 1,6 □ 1,7 □ 2,1 1 2,8
Взрыв топливных баков 1 3,3
Пожар 4,9
Столкновение в воздухе 1 7,3
Другие/Неизвестно 1 9,4
Столкновение с землей 1 31,1
Потеря управления 1 34,2
1Л со о со 1Л сч о сч о ю о
%
Рис.2. Распределение погибших в авиационных катастрофах по различным причинам [1].
История развития авиационных норм пожарной безопасности используемых материалов.
Проблема обеспечения пожарной безопасности высокоэнергетического оборудования в целом и авиационной техники в частности является очень сложной с технической точки зрения и высокозатратной с экономической.
Развитие методов оценки пожарной безопас-
ности и требований, предъявляемых к материалам, шло одновременно с развитием науки о процессах горения и технологий, обеспечивающих создание новых, более совершенных материалов. Основные этапы развития требований пожарной безопасности для гражданских пассажирских самолетов, включенных в Федеральные (государственные) авиационные нормы России и США, приведены на Рис. 3.
Федеральные нормы ФАА (США)
Скорость распространения пламени по горизонтальному образцу
Горючесть на вертикально расположенном образце
Во
Воспламеняемость подушек пассажирских кресел
Прогораемость панелей багажных отсеков
Тепловыделение и дымообразование панелей потолка, стен и перегородок пассажирских салонов
__ Горючесть ТЗИ при воздействии теплового потока
Прогораемость ТЗИ
Огненепроницаемая кабина
_L
_L
_L
_L
_L
_L
_L
_L
194G 195G 196G 197G 198G 199G 2GGG 2G1G 2G20 гг.
Горючесть ТЗИ при воздействии теплового потока (АП-25, п.6)
Тепловыделение (АП-2б)
Воспламеняемость подушек пассажирских кресел Прогораемость панелей багажных отсеков (АП-25)
Токсичность продуктов горения (НЛГС-3)
Дымообразование (НЛГС-3)
Горючесть на вертикально расположенном образце,
Скорость распространения пламени по горизонтальному образцу (НЛГС-2)
Нормы летной годности /Авиационные правила (СССР/СНГ)
Рис.3. Основные этапы развития норм пожаробезопасности пассажирских самолетов.
Исторически первыми требованиями пожарной безопасности авиационных материалов были нормы по ограничению горючести. Сначала в США были введены требования, регламентирующие максимально допустимую скорость распространения пламени по горизонтальной поверхности, которые затем были дополнены ограничениями по допустимой продолжительности остаточного горения и длине прогорания для вертикально расположенных образцов.
В Советском Союзе испытания по оценке горючести и созданию слабо горючих материалов для авиационной отрасли были начаты в конце 60-х годов XX века. Успехи в создании ограниченно горючих (огнезащищенных) материалов позволили в 1974 году ввести во вторую редакцию отечественных норм летной годности (НЛГС-2) метод оценки и требования по горючести [2]. Данный метод моделирует воздействие малокалорийного источника огня (спички, сигареты, перегрева вследствие короткого замыкания электропроводки); в качестве источника воспламенения при проведении испытаний материалов применяется газовая лабораторная горелка Бунзена.
Использование данных ограничений позволило существенно снизить вероятность возникновения пожара на борту воздушного судна во время полета. Однако с накоплением опыта применения огнезащищенных материалов выяснилось, что многие антипирены, снижая горючесть материалов, одновременно существенно увеличивают выделение дыма и токсичных веществ. Как следствие это-
го - смертность людей при возгорании воздушного судна вызывается не столько воздействием открытого пламени, сколько токсичными газами. Кроме того, выделение большого количества дыма снижает видимость, затрудняя эвакуацию людей и способствуя возникновению паники. Данная проблема отмечалась многими экспертами авиационных служб, а необходимость принятия нормативных документов за рубежом обсуждалась еще во второй половине 1970-х г.
В 1977 году компания Boeing (а вслед за ней и Airbus Industrie) до введения государственных норм устанавливает дополнительные добровольные требования по дымообразованию к применяемым материалам [3].
В Советском Союзе в конце 1970-х годов также были начаты работы по оценке и снижению дымообразования полимерных материалов авиационного назначения. Успехи в разработке новых материалов позволили в начале 80-х годов прошлого столетия ввести в третье издание Норм летной годности гражданских самолетов СССР (НЛГС-3) требования по ограничению дымообразования, что на тот момент обеспечило более высокий уровень пожарной безопасности отечественных пассажирских самолетов по сравнению с зарубежными [4]. Данные требования были более жесткими и по сравнению с использующимися зарубежными авиастроительными корпорациями.
Для снижения количества людей, погибающих из-за отравления продуктами горения при по-
жаре, ВИАМ совместно с ГосНИИ ГА и НИИ гигиены труда и профессиональных заболеваний с начала 1980-х годов проводились работы по исследованию уровня токсичности и определению газового состава продуктов горения различных полимерных материалов авиационного назначения. Требования по ограничению токсичности продуктов горения также были включены в НЛГС-3.
Анализ опыта применения норм по ограничению горючести показал, что этих требований недостаточно для обеспечения безопасности пассажиров в случае возникновения очага пожара на борту, а тем более при развитии внешнего пожара в случае аварийной посадки. Во второй половине 1980-х годов в США принимается ряд поправок к FAR-25 [5-8].
При пожаре в салоне самолета основным источником дыма и токсичных газов являются подушки кресел, имеющие начинку из пенополиуретана, поэтому было принято решение повысить пожаробезопасность пассажирских авиационных кресел путем ограничения максимально допустимой потери массы при горении [5].
В грузовом отсеке сложно обнаружить на ранней стадии развития пожар, а еще сложнее его ликвидировать - поэтому были введены требования, обеспечивающие повышение огнестойкости панелей стен и потолка грузовой кабины, расположенной под пассажирским салоном [6].
Основным фактором, определяющим скорость развития очага пожара и период времени по температурной выживаемости в замкнутом пространстве, является интенсивность выделения тепла при горении. Проведенные полномасштабные эксперименты показали, что, чтобы обеспечить регламентируемый нормами период эвакуации в 90 секунд, удельное выделение тепла не должно первы-шать 65 кВт/м2. Поскольку при пожаре наиболее интенсивное горение происходит в верхней части объема, то требования по ограничению тепловыделения относятся к панелям стен, потолка и перегородок [7, 9]. В 1988 году в Федеральные авиационные нормы США были введены требования по ограничению дымообразования [8], которые, однако, относились только к панелям стен, потолка и перегородок пассажирского салона и являлись значительно более мягкими, чем действующие в тот период нормы НЛГС-3 в СССР, а также нормативные документы корпораций Boeing и Airbus.
В начале 1990-х годов в России выполнялись работы по гармонизации отечественных авиационных норм с зарубежными, в результате чего были введены в действие Авиационные правила. После перехода на новые нормы требования по ограничению токсичности продуктов горения были отменены, а по дымообразованию - существенно смягчены, но одновременно на территории России и стран СНГ были введены требования по ограничению тепловыделения для материалов панелей пассажир-
ских салонов, горючести подушек пассажирских кресел, огнестойкости панелей багажных отсеков.
Внешний контур современных транспортных пассажирских самолетов (фюзеляж, крыло) выполняется из алюминиевых сплавов, в условиях пожара не горящих и не распространяющих пламя по поверхности. Поэтому в настоящее время требования пожарной безопасности к материалам внешнего контура не предъявляются. Однако обшивка из алюминиевого сплава под действием высокой температуры пламени быстро (в течение 30...240 с) прогорает. Чтобы предотвратить проникновение пламени от горящего топлива внутрь пассажирского салона, в авиационные нормы были введены повышенные требования к материалам тепло- и звукоизоляции (ТЗИ) фюзеляжа [10] по нераспространению пламени даже при воздействии теплового потока и огнестойкости (отсутствию сквозного прогорания и низкой теплопроводности при воздействии мощного высокотемпературного пламени). Однако эти нормы полностью не решают проблему огнезащиты от проникновения внешнего пламени в пассажирский салон, так как при пожаре под воздействием высоких температур происходит деформация несущих металлических конструкций и механическое разрушение матов ТЗИ.
Современное состояние нормативнометодической базы. В настоящее время требования пожарной безопасности к материалам для авиационной техники изложены в следующих отечественных нормативных документах:
АП-ОЛС - нормы летной годности очень легких самолетов [11];
АП-23 - нормы летной годности гражданских легких самолетов [12];
АП-25 - нормы летной годности самолетов транспортной категории [13];
АП-27 - нормы летной годности винтокрылых аппаратов нормальной категории [14];
АП-29 - нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории [15];
АП-33 - нормы летной годности двигателей воздушных судов [16].
Зарубежными нормативными документами аналогичного назначения являются нормы Федерального авиационного регистра (FAR) США [17] и Европейский сертификационный базис (CS) [18].
Требования к материалам и методы испытаний различаются в зависимости от вида авиационной техники и функционального назначения материала. В пункте 853 Авиационных правил излагаются требования к материалам внутренней отделки кабин, в пункте 854 - к пожарной защите туалетов, в пункте 855 - к багажно-грузовым отсекам, в пункте 856 - к тепловой и акустической изоляции. Ряд пунктов (859, 863, 865, 867, 869 и др.) касается обеспечения противопожарной защиты других частей авиационной техники.
Для оценки материалов и элементов конструкций авиационного назначения используются следующие методы. (Необходимо учитывать, что при совпадении терминов для авиационной отрасли методы испытаний, используемое оборудование, контролируемые параметры отличаются от методов, применяемых для квалификационных испытаний материалов строительного назначения).
1. Оценка стойкости к воспламенению от пламени, способности распространять пламя и сопротивляться сквозному прогоранию (обычно для краткости называется «горючесть»). Включает в себя 6 разновидностей, различающихся размерами и ориентацией образца, продолжительностью экспонирования, контролируемыми параметрами и допустимыми величинами.
2. Воспламеняемость подушек кресел.
3. Оценка способности облицовки грузовых отсеков ограничивать распространение пламени («прогораемость»).
4. Тепловыделение при горении.
5. Дымообразование.
6. Воспламеняемость материалов тепловой/акустической изоляции и распространение пламени по ним.
7. Определение стойкости материалов тепловой/акустической изоляции к сквозному прогоранию (в зарубежных авиационных нормах FAR-25 и CS-25).
8. Огнестойкость и огненепроницаемость.
В зависимости от вида авиационной техники и количества перевозимых пассажиров различаются требования по видам испытаний. Для легких самолетов, всех типов вертолетов и транспортных самолетов с вместимостью не более 20 пассажиров требуется оценка только по характеристикам горючести (метод 1) и огненепроницемости (метод 8). Наиболее жесткие требования предъявляются к самолетам транспортной категории (АП-25).
На рис. 4 и в поясняющей таблице приведены обобщенные требования к материалам в зависимости от их функционального назначения и методы их оценки.
Рис. 4. Схема самолета с указанием основных функциональных типов материалов, различающихся требованиями пожаробезопасности (номера сносок соответствуют номерам пунктов в таблице).
Таблица
Требования пожаробезопасности к авиационным материалам различного функционального назначения для самолетов транспортной авиации (АП-25)
№
п/п
Назначение материала / Наименование элемента конструкции
Пункт
Авиационных
правил
Вид испытаний
Допустимая
характеристика
В местах постоянного пребывания пассажиров: - внутренние панели потолка и стен,
- перегородки,
- поверхности буфетов, - большие шкафы
п.85З, Приложение F Части I, IV, V
Горючесть (вертикально): продолжительность остаточного горения,
- длина прогорания_________
Тепловыделение: максимальная интенсивность выделения тепла, общее количество выделившегося
1пр < 152 мм
< 65 кВт/м2,
Тост < 15 c
тепла за 2 минуты
Дымообразование:
- максимальная оптическая плот__________ность за 4 минуты_______
< 65 кВтмин/м2
< 200
То же, но вне мест постоянного пребывания пассажиров (при условии изоляции от основной пассажирской кабины посредством дверей)
п.853, Приложение F Часть I
Горючесть (вертикально)
!пр < 152 мм
Покрытия пола, текстильные материалы, кожа, материалы подносов и буфетов, литые и термоформованные дета-
п.853, Приложение F Часть I
Горючесть (вертикально)
!пр < 203 мм
Подушки пассажирских кресел
п.853, Приложение F Части I, II
Горючесть (вертикально)
1пр < 203 мм
Потеря массы подушек при воздействии пламени
< 10 %
Осветительные плафонні, табло из пластика
п.853, Приложение F Часть I
Горючесть (горизонтально - скорость распространения пламени)
< 63,5 мм/мин
Материалы остекления
п.853, Приложение F Часть I
Горючесть (скорость распространения пламени)
< 63,5 мм/мин
Панели пола пассажир-с кой кабины и багажногрузового отсека
п.853, 855 Приложение F Часть I
Горючесть (вертикально)
!пр < 203 мм
Горючесть (вертикально)
1пр < 203 мм
Панели стен и потолка багажно-грузового отсека
п.855, Приложение F Части I, III
Г орючесть (под углом 45°)
нет сквозного прогара
Прогораемость при воздействии пламени
Отсутствует проникновение пламени сквозь образец, температура с тыльной стороны < 205 X
9.
Привязные и пристяжные ремни
п.853, Приложение F Часть I
Горючесть (горизонтально - скорость распространения пламени)
< 63,5 мм/мин
10.
Оборудование для крепления груза и багажа
п.855, Приложение F Часть I
Горючесть (горизонтально - скорость распространения пламени)
< 63,5 мм/мин
11.
Материалы системы кондиционирования воздуха
п.853, Приложение F Часть I
Горючесть (вертикально)
!пр < 203 мм
12.
Огнепреграждающие перегородки, пожароопасные зоны
п.п.863, 865, 1191, 1193
Огнестойкость и огненепроницаемость при воздействии пламени
Отсутствует сквозное прогорание
13.
Тепло- и звукоизоляция фюзеляжа
п.856, Приложение F Часть VI
Горючесть при тепловом потоке
!пр < 51 мм
14.
Тепло- и звукоизоляция нижней части фюзеляжа
п.856, Приложение F Часть VII
Прогораемость при воздействии пламени
Тепловой поток через образец < 22,7 кВт/м2
Внешняя обшивка фюзеляжа, крыло (вне зоны воздействия горячих продуктов выхлопа от двига-___________теля)___________
В настоящее время требования по пожарной безопасности к материалам не предъявляются
Тост < 15 c
Тост < 15 C
ли
Тост < 15 C
Тост < 15 c
Тост < 15 c
Тост < 15 c
Тост < 15 c
Тост < 3 c
Краткое описание используемых методов оценки пожарной опасности полимерных материалов авиационного назначения.
1. Методы оценки горючести. (Приложение F часть I)
Подробное описание оборудования, методик испытаний, контролируемых параметров и допустимых значений приведено в Приложении F часть I АП-25. Как уже отмечалось, имеется несколько вариаций. Проведение испытаний возможно как в единой камере, обеспечивающей различную ориентацию образцов, так и в нескольких испытательных камерах.
1.1. Вертикальная ориентация образца. Образец зажимается в U-образную металлическую рамку, открытую с нижней стороны, и подвергается снизу воздействию пламени газовой лабораторной (Бунзена или Тиррилла) горелки. Размеры открытой части образца составляют не менее 50 мм (по ширине) на 305 мм (по высоте). Испытательная камера аналогична описанной в стандарте ANSI/ASTM F501, ASTM D6413 и ICAO Technical Manual Doc. 9051-AN/896. Метод близок к широко известному методу UL-94, но отличается размерами образцов и продолжительностью воздействия пламени. Как видно из таблицы, в зависимости от функционального назначения материала, продолжительность экспозиции пламенем составляет 12 или 60 с, высота пламени - 38 мм. Нормируемые показатели - продолжительность остаточного (самостоятельного) горения (тления), длина прогорания, наличие и продолжительность горения падающих капель.
1.2. Горизонтальная ориентация образца -определение скорости распространения пламени. Образцы, размером аналогичные используемым при вертикальных испытаниях, зажимаются в U-образную металлическую рамку и поджигаются в течение 15 с с открытого конца. В процессе испытаний контролируется время пересечения пламенем меток, по которому рассчитывается средняя скорость распространения пламени. Метод аналогичен ГОСТ 25076-81 (ISO 3795—76), ASTM D5132. В зависимости от назначения материала максимально допустимая скорость распространения пламени составляет 63 или 102 мм/мин.
1.3. Испытания под углом 45°- определение сопротивляемости сквозному проникновению пламени для материалов багажных отсеков. Используемое оборудование близко к ASTM D1360. Образцы с четырех сторон зажимаются в квадратную металлическую рамку, открытая поверхность составляет 203^203 мм. Пламя газовой лабораторной горелки воздействует в течение 30 с в геометрический центр образца. Контролируются следующие параметры: продолжительность остаточного горения (тления) и наличие проникновения пламени сквозь образец.
1.4. Горизонтальная ориентация образца -определение устойчивости к воздействию пламени одеял в четыре сложения. Размер образцов и держателя - тот же, что и для испытаний под углом 45°. Продолжительность воздействия пламенем горелки - 12 с. Контролируемые параметры - продолжительность остаточного горения, продолжительность горения падающих капель.
1.5. Испытания под углом 60° к горизонту-определение горючести изоляции электропроводов. Длина образца - 762 мм, продолжительность воздействия пламенем горелки - 30 с.
2. Оценка воспламеняемости подушек кресел (Приложение F часть II).
Проводятся испытания элементов, конструктивно подобных пассажирским креслам. Размеры сиденья 457^508x102 мм, спинки 457x635x51 мм. На комплект подушек сбоку в горизонтальном направлении воздействует пламя керосиновой горелки с номинальным расходом топлива 8,5 л/час, температура пламени 1038 °0, тепловой поток на образец 11,9 Вт/см2, продолжительность воздействия пламени - 2 мин. Контролируемые параметры -потеря массы, длина обугливания.
3. Стойкость к сквозному прогоранию багажно-грузовых отсеков (Приложение Ж часть III).
Проводятся испытания элементов, конструктивно подобных облицовочным панелям стенок и потолка. Размер образцов 406x610 мм. Применяется та же, что и в предыдущем методе, керосиновая горелка, но отрегулированная на температуру 927 °0, тепловой поток, воздействующий на образец, 9,1 Вт/см2. Продолжительность экспозиции пламенем составляет 5 мин. В ходже эксперимента не должно быть зафиксировано сквозного проникновения пламени и повышения температуры над поверхностью образца свыше 205 °С
4. Определение тепловыделения материалов кабин при воздействии теплового излучения (Приложение F часть IV).
Для измерения количества выделяемого при горении тепла используется проточный калориметр типа OSU (ASTM E906, конфигурация прибора А). Испытаниям подвергаются образцы в вертикальном положении размером 150x150 мм, на которые действует тепловой поток интенсивностью 35 кВт/м2. Через прибор с постоянным расходом продувается воздух (40 л/с). Образец поджигается снизу пламенем пилотной газовой горелки, продукты термодеструкции дожигаются в пламени верхней многорожковой горелки. Температура на входе в прибор и на выходе из него контролируется многоспайным термодатчиком (термопары аналогичные типу ХА). По изменению температуры отходящих газов на основании калибровочного коэффициента рассчитывается интенсивность выделения тепла в каждый момент времени с интервалом в 1 с. Продолжительность эксперимента составляет 5 мин. Нормируемые показатели: максимальная интенсивность
выделения тепла (кВт/м2) и общее количество выделившегося тепла за первые две минуты (кВт-мин/м2). Получаемые данные, как правило, не коррелируют с данными, получаемыми в проточном калориметре другого типа, широко распространенного в настоящее время в мировой практике для определения выделения тепла при горении (cone-calorimeter по ASTM E1354, использующий для расчетов определения количества выделившегося тепла принцип потребления кислорода при горении). Подробное сопоставление различных приборов для определения тепловыделения приведено, например, в [І9].
5. Определение выделения дыма материалами отделки (Приложение F часть V). Проведение испытаний по определению дымообразующей способности полимерных материалов авиационного назначения проводится согласно ГОСТ 24632-8І (за рубежом - ASTM F814), конструкция дымовой камеры аналогична ASTM E662, NFPA 258. При проведении испытаний используются образцы размером 75x75 мм, тепловой поток, падающий на образец, составляет 25 кВт/м2. Как правило, испытания проводятся в режимах «горение» и «пиролиз» (отечественные старые нормы НЛГС-3, зарубежные нормы фирм Boeing, Airbus Industrie, Bombardier), хотя согласно требованиям федеральных (государственных) норм (АП, FAR, CS) требуется проведение испытаний только в режиме «горение». Нормируемые показатели - оптическая плотность дыма, отнесенная к экспонируемой площади образца за 4 мин (все авиационные нормы), 1,5 мин (нормы зарубежных авиакомпаний), 2 мин и максимально достигаемая в процессе эксперимента (отечественные нормы НЛГС-3). Результаты испытаний по ГОСТ 12.1.044-89 п.4.18, пересчитанные с удельной массы на удельную поверхность, не всегда соответствуют результатам по ГОСТ 24632-8І, что объясняется различиями в конструкциях испытательных камер и, соответственно, условиями экспонирования образцов.
6. Определение воспламеняемости и распространения пламени по материалам тепловой/акустической изоляции (Приложение F часть VI). Используемое оборудование аналогично описанному в ГОСТ Р5І0З2-97 и ГОСТ 30444-97, ISO 9239.2 и ASTM E648, ASTM E970 за исключением использованной горелки. Для поджигания используется не многорожковая горелка (согласно ASTM), а поворотная горелка с диаметром факела пламени около І0 мм и длиной факела І27 мм. Тепловой поток на образец в зоне воздействия пламени должен составлять І7 кВт/м2. Для испытаний берутся образцы размером 318x584 мм (например, мягкие стекломаты) или 292x584 мм (например, жесткие пены). Контролируемые параметры: длина распространения пламени и продолжительность остаточного горения.
7. Определение стойкости к сквозному прогоранию матов тепловой/акустической изо-
ляции (Приложение F часть VII к зарубежным авиационным нормам FAR и CS). При проведении испытаний используется керосиновая горелка аналогичная описанной в п.п.2 и 3. Температура пламени горелки должна составлять 1038 °C, тепловой поток, воздействующий на образец, 18,2 Вт/см2. Испытания проводятся при ориентации образца под углом 60° к горизонту, пламя воздействует с нижней стороны. Образцы не должны иметь сквозное прогорание, тепловой поток, проходящий через образец, не должен превышать 2,27 Вт/см2.
8. Определение огнестойкости и огнене-проницаемости. Испытание представляет собой воздействие пламени газовой или керосиновой горелки с температурой 1100 °C. Описание методики приведено в Методах определения соответствия требованиям авиационных норм (МОС). Длительность воздействия пламени составляет 5 мин (огнестойкость) или 15 мин (огненепроницаемость). В ходе испытаний не должно быть зарегистрировано сквозного проникновения пламени.
Перспективы развития норм пожаробезопасности для авиационных материалов. Для повышения энергоэффективности авиаперевозок в настоящее время при изготовлении всего внешнего контура широкофюзеляжной авиационной техники (фюзеляжа и крыльев) планируется переход от алюминиевых сплавов к полимерным композиционным материалам (углепластикам). Новые самолеты смогут перевозить одновременно до 1000 и более пассажиров. Обеспечение пожаробезопасности такого количества людей требует перехода на качественно новый уровень характеристик пожаробезопасности всего изделия и, в частности, огнестойкости внешнего контура.
Согласно программе работ FAA, в США к 2015 году должен быть создан пожаробезопасный огненепроницаемый фюзеляж [20]. В настоящее время в мировом сообществе ведутся работы по выбору методов, критериев оценки и обоснованию требований пожаробезопасности к материалам и конструкции внешнего контура авиационной техники. Аналогичные работы выполняются и в России [21-23].
Методы испытаний материалов (элементов конструкций внешнего контура) должны будут описывать реально возможные условия при внешнем пожаре от разлившегося топлива, а критерии оценки - учитывать реально достижимый (в том числе экономически обоснованный) уровень свойств. При этом не должно произойти снижения характеристик безопасности по сравнению с ныне используемыми материалами (алюминиевыми сплавами). Анализ возможных (перспективных) методов оценки пожаробезопасности материалов внешнего контура - тема отдельной большой статьи. Необходимо только отметить, что требования к пожаробезопасности внешнего контура (несколько различных или один комплексный метод) должны, как минимум, регламентировать сопротивление
сквозному прогоранию, распространение пламени по поверхности в зависимости от величины теплового потока, выделение дыма и токсичных веществ внутрь самолета.
По мере накопления знаний о законах развития пожара, разработки новых материалов и совершенствования технологий их производства происходит и совершенствование требований, норм и методов оценки пожарной безопасности материалов. В настоящее время Федеральным авиационным агентством США (FAA) запланировано введение новых и существенная переработка имеющихся норм по авиационной пожаробезопасности (методов и критериев испытаний). В ближайшие годы планируется вести работу по следующим 12 направлениям [24]:
1. Кресла - испытания керосиновыми горелками подушек.
2. Кресла - испытания структур из ПКМ и металлических сплавов.
3. Пожаробезопасность грузовых самолетов.
4. Испытания с использованием проточного калориметра OSU.
5. Испытания при помощи горелки Бунзена.
Библиографический список
1. Mouritz, A.P., Gibson, A.G. Fire Properties of Polymer Composite Materials / A.P. Mouritz, A.G. Gibson // Springer, Dordrecht, The Netherlands. - 2006. - 398 p.
2. Нормы летной годности гражданских самолетов СССР. - 2-е изд. - ЦАГИ, 1974. - 344 с.
3. ATS 1000.001. Technical Specification. Fire-Smoke Test Specification // Airbus Industrie, 1979. - 54 p.
4. Нормы летной годности гражданских самолетов СССР - 3-е изд. - ЦАГИ, 1984. - 464 с.
5. Amendment 25-59, Effective November 26, 1984 // Federal Register. - V.49. - Oct 26. - 1984. - P.43188
6. Amendment 25-60, Effective June 16, 1986 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration.
14 CFR Part 25 Docket № 24185 // Federal Register. - V.51. - May 16. - 1986. - P.18236-18247
7. Amendment 25-61, Effective August 20, 1986 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration.
14 CFR Part 25 Docket № 24594 // Federal Register. - V.51. - July 21. - 1986. - P.26206-26221; August 7, 1986 P.28322
8. Amendment 25-66, Effective September 26, 1988 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration. 14 CFR Part 25 // Federal Register. - V.53. - N 187. - September 27. 1988. - P.37542-37671
9. Amendment 25-83, Effective March 6, 1995 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration.
14 CFR Part 25 Docket № 26192 // Federal Register. V.60. №22.
February 2. 1995. P.6616-6629
10. Amendment 25-110, Effective September 2, 2003 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration. 14 CFR Part 25 Docket № FAA-2000-7909 // Federal Register. -V.68. - N 147. - July 31. - 2003. - P.45046-45084
11. Авиационные правила. Часть ОЛС. Нормы летной годности очень легких самолетов // Межгосударственный авиационный комитет. ОАО «Авиаиздат», 2006. - 100 с.
12. Авиационные правила. Часть 23. Нормы летной годности гражданских легких самолетов // Межгосударственный авиационный комитет. ОАО «Авиаиздат», 2000. - 145 с.
13. Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории // Межгосударственный авиационный комитет. ОАО «Авиаиздат», 2009. - 267 с.
14. Авиационные правила. Часть 27. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов нормальной категории //
6. Метод радиационной панели для ТЗИ.
7. Прогораемость матов ТЗИ.
8. Метод радиационной панели для трубопроводов.
9. Метод радиационной панели для электропроводов.
10. Метод радиационной панели для обшивок фюзеляжа.
11. Испытания эвакуационных трапов.
12. Измерение теплового потока.
В России также запланированы и успешно претворяются в жизнь научные исследования по разработке новых более безопасных авиационных материалов и методов их оценки, выполнению квалификационных испытаний [25-35].
Учет законов развития пожара, возникающих опасных факторах, грамотное нормирование требований к материалам и элементам конструкций на их основе способны ослабить или предотвратить развитие очага пожара и, соответственно, повысить безопасность пассажиров и экипажа во время полета и их выживаемость в случае летного происшествия, не дать ему перерасти в катастрофу с человеческими жертвами.
References
1. Mouritz, A.P., Gibson, A.G. Fire Properties of Polymer Composite Materials / A.P. Mouritz, A.G. Gibson // Springer, Dordrecht, The Netherlands. - 2006. - 398 p.
2. Normyi letnoy godnosti grazhdanskih samoletov SSSR. - 2-e izd. - TsAGI, 1974. - 344 s.
3. ATS 1000.001. Technical Specifica-tion. Fire-Smoke Test Specification // Airbus Industrie, 1979. - 54 p.
4. Normyi letnoy godnosti grazhdanskih samoletov SSSR - 3-e izd. - TsAGI, 1984. - 464 s.
5. Amendment 25-59, Effective November 26, 1984 // Federal Register. - V.49. - Oct 26. - 1984. - P.43188
6. Amendment 25-60, Effective June 16, 1986 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration. 14 CFR Part 25 Docket № 24185 // Federal Register. - V.51. - May
16. - 1986. - P.18236-18247
7. Amendment 25-61, Effective August 20, 1986 / Department of Transporta-tion. Federal Aviation Administration. 14 CFR Part 25 Docket № 24594 // Federal Register. - V.51. - July
21. - 1986. - P.26206-26221; August 7, 1986 P.28322
8. Amendment 25-66, Effective September 26, 1988 / Department of Trans-portation. Federal Aviation Adminis-tration.
14 CFR Part 25 // Federal Register. - V.53. - N 187. - September
27. 1988. - P.37542-37671
9. Amendment 25-83, Effective March 6, 1995 / Department of Transportation. Federal Aviation Administration. 14 CFR Part 25 Docket N° 26192 // Federal Register. V.60. .№22. February 2. 1995. P.6616-6629
10. Amendment 25-110, Effective September 2, 2003 / Department of Transportation. Federal Aviation Ad-ministration.
14 CFR Part 25 Docket № FAA-2000-7909 // Federal Register. -V.68. - N 147. - July 31. - 2003. - P.45046-45084
11. Aviatsionnyie pravila. Chast OLS. Normyi letnoy godnosti ochen legkih samoletov // Mezhgosudarstven-nyiy aviatsionnyiy komitet. OAO «Aviaizdat», 2006. - 100 s.
12. Aviatsionnyie pravila. Chast 23. Normyi letnoy godnosti grazhdanskih legkih samoletov // Mezhgosu-darstvennyiy aviatsionnyiy komitet. OAO «Aviaizdat», 2000. -145 s.
13. Aviatsionnyie pravila. Chast 25. Normyi letnoy godnosti samoletov transportnoy kategorii // Mezhgosu-darstvennyiy aviatsionnyiy komitet. OAO «Aviaizdat», 2009. -267 s.
Межгосударственный авиационный комитет. ОАО «Авиаиздат», 2000. - 102 с.
15. Авиационные правила. Часть 29. Нормы летной годности винтокрылых аппаратов транспортной категории //
Межгосударственный авиационный комитет. ОАО «Авиаиздат», 2003. - 130 с.
16. Авиационные правила. Часть 33. Нормы летной годности двигателей воздушных судов // Межгосударственный авиационный комитет. ОАО «Авиаиздат», 2012. - 78 с.
17. Federal Register. 14 CFR Part 25 - Airworthness
standards. Transport category airplanes // Federal Aviation Administration //
http:www.faa.gov/regulations_policies/faa_regulations; http:www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx (дата обращения 15 июля 2014 г.)
18. Certification Specifications for Large Aeroplanes -CS-25 // ED Decision 2003/2/RM Final 17/10/2003, / European Aviation Safety Agency. - 2003. - 473 p.
19. Барботько, С.Л. Об определении теплот сгорания и тепловыделения при горении полимерных материалов / С.Л. Барботько, Р.М. Асеева, Б.Б. Серков, А.Б. Сивенков, Е.Ю. Круглов // Пожаровзрывобезопасность. - Т. 21. - 2012. - N 5. - С.25-
34.
20. Sarkos, G. Evolution of FAA Fire Safety R&D Over the Years // The Fifth Triennial Fire & Cabin Safety Research Conference, Atlantic City, NJ, October 29 - November 1. 2007 / http:www.fire.tc.faa.gov/2007Conference/files/General_Fire/TueAM/ SarkosFAAFire/SarkosFAAFirePres.pdf - (дата обращения 17 июля 2014 г.)
21. Барботько, С.Л., Нагаев, А.С. К вопросу об обеспечении пожарной безопасности внешнего контура самолетов / С.Л. Барботько, А.С. Нагаев // Сб. докладов VIII науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон-2010». Часть II. - М.: ЦАГИ, 2010. - С. 107-110.
22. Барботько, С.Л. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов для внешнего контура авиационной техники / С.Л. Барботько, Е.Н. Шуркова, О.С. Вольный, Н.С. Скрылев //Авиационные материалы и технологии.
- 2013. - № 1. - С. 56-59.
23. Барботько, С.Л., Шуркова, Е.Н. О пожарной безопасности материалов, используемых для изготовления внешнего контура самолетов / С.Л. Барботько, Е.Н. Шуркова // Пожаров-зрывобезопасность. - 2011. - Т. 20. - № 10. - С. 19-24.
24. Marker, T. Update Handbook Chapters // International
Aircraft Materials Fire Test Working Group, Cologne, Germany, June
23, 2010 /
http:www.fire.tc.faa.gov/pdf/materials/June10Meeting/marker-0610-Part25Update.pdf - (дата обращения 17 июля 2014 г.)
25. Каблов, Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года / Е.Н. Каблов // Авиационные материалы и технологии. -2012. -№ 4. - С. 7-17.
26. Каблов, Е.Н. ВИАМ: Продолжение пути / Е.Н. Каблов // Наука в России. - 2012. - № 3. - С. 36-44.
27. История авиационного материаловедения. ВИАМ
- 80 лет: Годы и люди / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. - М.: ВИАМ, 2012. - С. 279-299; 349-372; 391-396.
28. Barbotko, S.L. Ways of providing fire safety of aviation materials // Russian Journal of General Chemistry. - 2011. - Т. 81. -№ 5. - С.1068-1074.
29. Шуркова, Е.Н. Исследование возможности снижения тепловыделения при горении композиционного материала путем изменения его структуры / Е.Н. Шуркова, О.С. Вольный, Т.Ф. Изотова, С.Л. Барботько //Авиационные материалы и технологии.
- 2012. - № 1. - С. 27-30.
30. Барботько, С.Л. Оценка пожарной безопасности полимерных композиционных материалов авиационного назначения / С.Л. Барботько, В.Н. Кириллов, Е.Н. Шуркова //Авиационная промышленность. - 2013. - № 2. - С. 55-58.
31. Барботько, С.Л. Пожаробезопасность авиационных материалов / С.Л. Барботько //Авиационные материалы и технологии. - 2012. - № 4. - С. 431-439.
32. Бейдер, Э.Я., Петрова Г.Н., Изотова Т.Ф., Барботько С.Л. Стеклопластики на термопластичной матрице / Э.Я. Бейдер, Г.Н. Петрова, Т.Ф. Изотова, С.Л. Барботько //Труды ВИАМ, 2013. - № 7.
14. Aviatsionnyie pravila. Chast 27. Normyi letnoy godnosti vintokryi-lyih apparatov normalnoy kategorii //
Mezhgosudarstvennyiy aviatsi-onnyiy komitet. OAO «Aviaizdat», 2000. - 102 s.
15. Aviatsionnyie pravila. Chast 29. Normyi letnoy godnosti vintokryi-lyih apparatov transportnoy kategorii //
Mezhgosudarstvennyiy aviatsionnyiy komitet. OAO «Aviaizdat», 2003. - 130 s.
16. Aviatsionnyie pravila. Chast 33. Normyi letnoy godnosti dvigateley vozdushnyih sudov //
Mezhgosudarstvennyiy aviatsionnyiy komitet. OAO «Aviaizdat»,
2012. - 78 s.
17. Federal Register. 14 CFR Part 25 - Airworthness
standards. Transport category airplanes // Federal Aviation Administration //
http:www.faa.gov/regulations_policies/faa_regulations; http:www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx (data obrascheniya 15 iyulya 2014 g.)
18. Certification Specifications for Large Aeroplanes
- CS-25 // ED Decision 2003/2/RM Final 17/10/2003, / European Aviation Safety Agency. - 2003. - 473 p.
19. Barbotko, S.L. Ob opredelenii te-plot sgoraniya i teplovyideleniya pri gorenii polimernyih materialov / S.L. Barbotko, R.M. Aseeva, B.B. Serkov, A.B. Sivenkov, E.Yu. Kruglov // Pozharovzryivobezopasnost. - T. 21. - 2012. - N 5. -S.25-34.
20. Sarkos, G. Evolution of FAA Fire Safety R&D Over the Years // The Fifth Trienni-al Fire & Cabin Safety Research Confe-rence, Atlantic City, NJ, October 29 - November 1. 2007 / http:www.fire.tc.faa.gov/2007Conference/files/General_Fire/Tue AM/SarkosFAAFire/SarkosFAAFirePres.pdf - (data ob-rascheniya 17 iyulya 2014 g.)
21. Barbotko, S.L., Nagaev, A.S. K voprosu ob obespechenii pozharnoy bezopasnosti vneshnego kontura sa-moletov / S.L. Barbotko, A.S. Nagaev // Sb. dokladov VIII nauch. konf. po gidroaviatsii «Gidroaviasalon-2010». Chast II. - M.: TsAGI, 2010. - S. 107-110.
22. Barbotko, S.L. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimernyih kompozitsionnyih materialov dlya vneshnego kontura aviatsionnoy tehniki / S.L. Barbotko, E.N. Shurkova, O.S. Vol-nyiy, N.S. Skryilev //Aviatsionnyie ma-terialyi i tehnologii. -
2013. - № 1. - S. 56-59.
23. Barbotko, S.L., Shurkova, E.N. O pozharnoy bezopasnosti materialov, ispolzuemyih dlya izgotovleniya vneshnego kontura samoletov / S.L. Barbotko, E.N. Shurkova // Pozharov-zryivobezopasnost. - 2011. - T. 20. - № 10. - S. 19-
24.
24. Marker, T. Update Handbook Chapters // Interna-
tional Aircraft Materials Fire Test Working Group, Cologne, Germa-ny, June 23, 2010 /
http: www. fire .tc.faa. gov/pdf/materials/June 10Meeting/marker-0610-Part25Update.pdf - (data obrascheniya 17 iyulya 2014 g.)
25. Kablov, E.N. Strategicheskie naprav-leniya razvitiya materialov i tehno-logiy ih pererabotki na period do 2030 goda / E.N. Kablov // Aviatsion-nyie materialyi i tehnologii. -2012. - N°
4. - S. 7-17.
26. Kablov, E.N. VIAM: Prodolzhenie pu-ti / E.N. Kablov // Nauka v Rossii. - 2012. - № 3. - S. 36-44.
27. Istoriya aviatsionnogo materialovedeniya. VIAM -80 let: Godyi i lyudi / Pod obsch. red. E.N. Kablova. - M.: VIAM, 2012. - S. 279-299; 349-372; 391-396.
28. Barbotko, S.L. Ways of providing fire safety of aviation materials // Russian Journal of General Chemistry. - 2011. -T. 81. - № 5. - S.1068-1074.
29. Shurkova, E.N. Issledovanie voz-mozhnosti snizheniya teplovyideleniya pri gorenii kompozitsionnogo materiala putem izmeneniya ego strukturyi / E.N. Shurkova, O.S. Volnyiy, T.F. Izotova, S.L. Barbotko //Aviatsionnyie materialyi i tehnologii. - 2012. - № 1. - S. 27-30.
30. Barbotko, S.L. Otsenka pozharnoy bezopasnosti polimernyih kompozi-tsionnyih materialov aviatsionnogo naznacheniya / S.L. Barbotko, V.N. Ki-rillov, E.N. Shurkova //Aviatsionnaya promyishlennost. - 2013. - № 2. - S. 55 58.
31. Barbotko, S.L. Pozharobezopasnost aviatsionnyih materialov / S.L. Bar-botko //Aviatsionnyie materialyi i tehnologii. - 2012. - № 4. - S. 431-439.
33. Нестерова, Т.А. Многослойный защитнодекоративный материал для декорирования деталей в салонах самолетов и вертолетов / Т.А. Нестерова, С.Л. Барботько, М.Ф. Николаева, Ю.А. Гертер // Труды ВИАМ, 2013. - № 8.
34. Шуркова, Е.Н. Сравнительная оценка пожаробезопасности ПКМ для изготовления конструктивных элементов летательных аппаратов / Е.Н. Шуркова, О.С. Вольный, А.Н. Луценко, С.Л. Барботько // Пожаровзрывобезопасность. - 2014. -Т.23. - № 2. - С.20-27.
35. Швец, Н.И. Фенолформальдегидное связующее пониженной горючести / Н.И. Швец, О.Б. Застрогина, С.Л. Барботько, В.М. Алексашин // Пожаровзрывобезопасность. - 2013. - Т.22.
- № 5. - С.26-32.
32. Beyder, E.Ya., Petrova G.N., Izotova T.F.,
Barbotko S.L. Stekloplastiki na termoplastichnoy matritse I E.Ya. Beyder, G.N. Petrova, T.F. Izotova, S.L. Barbotko IITrudyi VIAM, 2013. - М 7.
33. Nesterova, T.A. Mnogosloynyiy za-schitno-dekorativnyiy material dlya dekorirovaniya detaley v salonah samoletov i vertoletov I T.A. Neste-rova, S.L. Barbotko, M.F. Nikolaeva, Yu.A. Gerter II Trudyi VIAM, 2013. - N° 8.
34. Shurkova, E.N. Sravnitelnaya otsenka pozharobezopasnosti PKM dlya izgo-tovleniya konstruktivnyih elementov letatelnyih apparatov I E.N. Shurko-va, O.S. Volnyiy, A.N. Lutsenko, S.L. Barbotko II Pozharovzryivobezopas-nost. -
2014. - T.23. - М> 2. - S.20-27.
35. Shvets, N.I. Fenolformaldegidnoe svyazuyuschee ponizhennoy goryuchesti I N.I. Shvets, O.B. Zastrogina, S.L. Barbotko, V.M. Aleksashin II Pozharov-zryivobezopasnost. - 2013. -T.22. - М 5. - S.26-32.
AVIATION NORMS REQUIREMENTS AND METHODS OF ASSESSMENT OF FIRE SAFETY FOR AVIATION MATERIALS: HISTORY, CURRENT STATE AND DEVELOPMENT PERSPECTIVES
Barbotko S.L.,
PhD in Engineering, All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials; Russia, Moscow
Fires of airplanes are the extremely rare, and occur, as a rule, in case of serious failures. However the probability of their emergence cannot be neglected, as they can lead to simultaneous emergence of large number of human victims and drawing essential material and ecological damage. For ensuring survival of people and safety of aviation engineering it is necessary to provide fire safety and survival of people and aviation engineering, minimization of possible received damage. It can provide observance of requirements offire safety stated in aviation normative documents. In this article the history of development of requirements and modern used methods of assessment of fire safety of materials of aviation assignment is considered.
Key words: fire safety, polymeric materials, aviation requirements, test methods
