大型客機隔熱隔音棉的輕量化設(shè)計

沈世元+韓峰

【摘 要】本文研究了一種隔熱隔音棉的輕量化設(shè)計，并且，針對目前復(fù)合材料越來越廣泛應(yīng)用的趨勢，本文前瞻性地研究了機身復(fù)材化的情況下，尤其是對防火焰燒穿的下半部分的抗火焰燒穿特性，并利用數(shù)值模擬的手段初步計算出了某型號復(fù)材機身飛機在典型的一些火焰燒穿工況下的溫度場。

【關(guān)鍵詞】大型客機；輕量化設(shè)計；隔熱隔音；抗火焰燒穿

0 前言

對于民機行業(yè)來說，無論是歐洲的空中霸主Airbus、美國的航空巨頭Boeing，還是年輕的中國COMAC，針對航空工業(yè)這一塊的蛋糕的爭奪已日趨白熱化。艙內(nèi)噪聲作為衡量乘機舒適度的一個指標(biāo)，在商業(yè)競爭中具有不可忽略的地位。提到艙內(nèi)噪聲，就不得不提到隔熱隔音系統(tǒng)的設(shè)計。

發(fā)展機身復(fù)材化已經(jīng)是大勢所趨，各種對復(fù)材的研究也如同雨后春筍一般遍地開花。復(fù)合材料為民機設(shè)計帶來的優(yōu)勢有很多，在這里就不一一列舉，而本文關(guān)心的復(fù)合材料抗火焰燒穿性能就是可以為艙內(nèi)降噪工作帶來巨大收益的一個不可忽略的關(guān)鍵特性。

1 隔熱隔音棉的輕量化設(shè)計

如圖1，隔熱隔音棉在飛機上的作用猶如一圈“保護層”，她在讓乘客們享受舒適安靜的艙內(nèi)環(huán)境同時，還可以在飛機墜落燃燒等緊急情況當(dāng)中防御火焰對艙內(nèi)的侵蝕，形成防火焰包絡(luò)，保證外部火焰5分鐘之內(nèi)不燒進客艙，為艙內(nèi)乘客的逃離爭取寶貴的時間，保護乘客的生命安全。

大量的實例表明，貨艙地板以下，機身最底部區(qū)域，水汽、油污及灰塵在此處因受隔熱隔聲層阻擋與吸附而大量聚集，影響底部結(jié)構(gòu)排水孔的排漏功能。需要進行改進優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化方案有但不限于：

（1）擋水瓦抬高隔熱隔聲層；

（2）在貨艙地板滿足防火焰燒穿的前提下，去除此部分隔熱隔聲層。

對于方案1來說，只是為了解決問題而解決問題，并無額外的收益；而方案2如果做到了可行之后，如圖2所示，會獲得如下收益：

A）機身下半部分的隔熱隔聲層可采用普通包覆膜代替抗火焰燒膜，原材料成本全機下降1/3，重量減少約30kg（單通道級飛機）；

B）機身下半部份的隔熱隔聲層安裝件可采用輕量化的非金屬件，設(shè)計成本下降1/2， 重量減少8～12kg（按4000個安裝位置計算）；

C）機身件隔熱隔聲層安裝位置，采用卡片式或粘接式安裝件（相比機身隔框開孔與支架），避免結(jié)構(gòu)強度的安全性評估（4000個開通孔位置），避免設(shè)計大量支架。

2 復(fù)材機身隔熱隔音系統(tǒng)輕量化設(shè)計

飛機底部抗火焰燒穿的輕量化設(shè)計的主體思路為：在深刻理解條款的基礎(chǔ)上，以機身整體為設(shè)計對象，尋求性能等效的切入點，實現(xiàn)飛機型號的輕量化設(shè)計。本設(shè)計源于金屬機身的C919，但可以通過優(yōu)化設(shè)計，完全無縫推廣到同為金屬機身的ARJ21-700（減重約15～18kg）；采用相同的設(shè)計思路，基于復(fù)材基于復(fù)材機身抗火焰燒穿性能驗證通過基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)復(fù)材機身飛機整體的輕量化（預(yù)計最大可達150kg），具體思路如下圖3：

該思路形成一種民用飛機機體整體抗火焰燒穿設(shè)計構(gòu)型，并在此基礎(chǔ)之上形成民用飛機機體整體抗火焰燒穿集成驗證方法，并逐步形成民用飛機機體整體抗火焰燒穿材料應(yīng)用與設(shè)計構(gòu)型庫。其中，對于支線飛機如ARJ21-700，防火方面的適航驗證思路已然成熟，對于例如C919的干線飛機，圖10為大體一致的驗證思路流程圖。

3 復(fù)材機身仿真

在進行設(shè)計與分析時，工程上需要尋求一種可行的，分析火焰蔓延、燒穿路徑、熱通量等的仿真方法，支持工程選型與配合驗證工作。

做試驗固然是獲得理論驗證的方法之一，然而從成本的角度來說，計算機數(shù)值模擬可以以一種更加經(jīng)濟、更加直觀、更有說服力的方法展現(xiàn)試驗結(jié)果，讓試驗報告更有深度。如果要對整個艙段甚至全機進行燃燒試驗，那么數(shù)值模擬無疑是一個更好的選擇。

在進行數(shù)值仿真之前，我們需要做一些假設(shè)。復(fù)合材料有20%的耐火樹脂（熱解）和80%的耐火碳纖維，在燃燒過程中，復(fù)合材料的熱解燃燒導(dǎo)致火焰體積增加。假設(shè)風(fēng)速為10m/s，風(fēng)向為右。機身直徑3.6m，機身長度20m，火源由油箱漏油形成，呈柱狀火，截面直徑18.9m。采用的軟件為FDS（Fire Dynamics Simulator），是由美國國家標(biāo)準研究所建筑火災(zāi)研究實驗室開發(fā)的一款開發(fā)的模擬火災(zāi)中流體運動的計算流體動力學(xué)軟件。

下面三張分別是在t=5s、30s和180s時的仿真云圖。

幾個共性模擬結(jié)論：

（1）仿真結(jié)果和大部分實驗測量結(jié)果吻合較好。

（2）火焰形狀主要由燃料池尺寸、風(fēng)速、風(fēng)向決定。

（3）復(fù)合材料機身的實驗火焰體積比鋁機身的實驗火焰的大很多。

（4）復(fù)合材料機身表面火焰?zhèn)鞑ニ俣入S風(fēng)速增加，峰值可以達到0.6m/s。

5 總結(jié)

本文在充分理解條款的基礎(chǔ)上，對隔熱隔音棉的鋪設(shè)方式進行了輕量化設(shè)計，提高了飛機隔熱隔聲層及機腹底部區(qū)域結(jié)構(gòu)的安全性與維護性，同時做到了減重和降低成本，并讓貨艙隔音棉的安裝方式（緊固件）有了更大的設(shè)計空間，使得應(yīng)用機型更加具有商業(yè)競爭力。

對于金屬機身：對于C919，全機重量可節(jié)省26.9kg；對于同為金屬機身的ARJ21-700，可推算得減重約為15～18kg。

對于復(fù)材機身：在基于復(fù)材基于復(fù)材機身抗火焰燒穿性能驗證通過基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)復(fù)材整體機身的輕量化，預(yù)計最大可達150kg。復(fù)合材料運輸機結(jié)構(gòu)的相應(yīng)外部防火問題，必須包括可存活的墜撞著陸后外部集中火焰的影響。機身結(jié)構(gòu)應(yīng)給乘客提供足夠的逃逸時間，且不會伴以火焰彌漫或釋放對逃逸乘客有毒或使燃燒加劇的氣體和/或物質(zhì)。此外，還必須把這些考慮擴展到機翼和油箱結(jié)構(gòu)，必須防止其結(jié)構(gòu)崩潰或泄漏燃油（包括考慮燃油載荷對結(jié)構(gòu)特性的影響）。對運輸類飛機來說，CCAR 25.856（b）的標(biāo)準提供了建立所需安全性水平的基準。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint