航行數據記錄儀加固存儲體的熱防護技術研究

隋 波，孫宏光，宋祎軒

航行數據記錄儀加固存儲體的熱防護技術研究

隋 波1，孫宏光1，宋祎軒2

（1. 海裝沈陽局，遼寧大連 116011；2. 海軍工程大學，武漢 430033）

本文首先介紹了船舶航行數據記錄儀加固存儲體熱防護技術的研究現狀、發展趨勢，然后總結了熱防護技術研究的難點以及方案選擇，最后通過建立數學模型和幾何模型對熱防護技術進行仿真分析與樣機試驗驗證。仿真結果與樣機試驗驗證表明：加固存儲體（PDC）熱防護選用納米隔熱材料作為外層防火隔熱層，選用高比熱容的儲熱材料作為存儲模塊的填充材料，有效的降低了外部溫度的傳導起到對電子盤的損傷，在低溫耐火試驗及高溫火燒試驗中，對數據存儲模塊起到了有效保護作用，本文研究內容為船舶航行數據記錄儀加固存儲體國產化研制提供了關鍵的技術支持。

船舶 航行數據記錄儀 加固存儲體 熱防護技術

0 引言

航行數據記錄儀（Voyage Data Recorder，以下簡稱VDR），是以安全、可恢復的方式，實時記錄并保存船舶航行過程中的運動狀態、指揮命令、操縱和物理狀況等有關信息的完整系統，能夠為船舶事故調查、分析和判定提供客觀證據。

加固存儲體即數據保護容器（Protected Data Capsule，以下簡稱PDC），是VDR系統存儲和保護數據的核心部件。其具有承受振動、沖擊、穿刺、高低溫火燒和深海壓力等極端惡劣環境的能力，能完好無損的保護已記錄的航行數據。

由于國內PDC技術基礎弱，多年來國內船舶VDR系統選用是國外公司的PDC產品。在實際裝備使用過程中，存在容量受限、下載數據受限、環境適應能力差等問題。同時采用國外產品，存在備品備件、維修保障相對成本高、時效性低等諸多問題。經過對國外產品的相關技術長時間的研究，目前國內PDC產品已經趨于成熟，且已有多種型號的PDC在各類船舶大量安裝使用，工作穩定可靠。其中PDC研制關鍵技術之一的熱防護技術的突破，為PDC產品的國產化提供了至關重要的幫助。

1 研究現狀及發展趨勢

1997年11月27日，國際海事組織（IMO）通過《船載航行數據記錄議(VDR)性能標準建議案》[A.861(20)決議]，且在該決議的基礎上制定了VDR的性能標準——IEC61996“船載航行數據記錄儀（VDR）性能要求、檢驗方式及合格的檢驗結果”。2001年4月20日中國海事局解頒布了《船載航行數據記錄儀技術條件和檢驗程序（國內船舶試行）》（海法規定2001第180號，國內簡稱180號文）。且中國船級社（CCS）根據中國海事局180號文和IEC61996制定了國內和國際航行船舶檢驗標準和程序，并分別于2001年7月和12月討論并通過。

PDC是整個VDR的系統的核心部分，是數據的最終存儲介質，是事故責任、船舶性能分析的數據載體。它是一個以網絡作為對外接口，以嵌入式計算機為核心的獨立的系統，其具有功耗低、體積小、性價比高、可擴充性好等諸多優點。國內外PDC生產廠家都需遵循國際標準IEC61996中對PDC的性能要求、檢驗方式及合格的檢驗結果的規定，對PDC進行研制，檢驗并認證。

早期的國內外PDC，無論存儲介質方面，還是隔熱材料方面，均受到技術限制，PDC的體積較大且存儲容量較小，使得PDC只能選擇存儲一些關鍵的信息。隨著技術的升級，新型隔熱材料與體積小、容量大、功耗低、存取速度快的存儲介質的應用，使得PDC向著體積小、重量輕、功耗低、存儲容量大的方向發展。

2 熱防護技術的研究難點和方案選擇

根據《船載航行數據記錄儀技術條件和檢驗程序》和IEC61996相關要求，PDC的熱防護結構需要滿足在260 ℃/10 h低溫耐火燒試驗和1100 ℃/1 h高溫火燒試驗環境之后，存儲介質內保存數據仍然能夠幸存，無數據損失。PDC內部采用專用存儲介質，需要在高溫1100 ℃/1 h或中溫260 ℃/10 h下，保證其內部存儲介質的溫度不超過其能承受的極限溫度。考慮PDC內部隔熱材料空間有限，為此需要從高性能隔熱保溫材料的選擇和PDC內部儲熱設計上實現PDC的熱防護。

2.1 高性能隔熱保溫材料選擇

PDC所選用的高性能隔熱保溫材料應滿足以下基本條件：一是隔熱保溫材料的導熱系數要低；二是容重低，空氣含量越高，隔熱效率越高；三是必須阻燃、耐油和低煙。此外，良好的隔熱保溫材料還需滿足環境條件（溫度、壓力等）的要求，且具有無毒、無刺激性氣味、防細菌寄生以及施工方便等性能。船舶上使用尤其要考慮海洋行駛的高濕度、高鹽霧環境等外在因素。因此，PDC隔熱保溫材料還需具備良好的耐鹽霧性和低吸濕性，防止在使用過程中被腐蝕或因吸收水汽導致其熱傳導系數急劇上升[1]。

從熱量傳遞的原理可看出，實現隔熱的原理主要是提高材料中氣體含量以降低熱傳導、引入閉孔結構以降低熱對流及開發熱輻射對溫度依賴性低的材料[2]。

目前市面上主流的隔熱保溫有以下三大類：

1）無機非金屬隔熱材料

無機非金屬隔熱材料主要由多孔性的無機物組成，具有耐熱性能優異、老化穩定性好、阻燃、無毒等優點。國內外船舶上廣泛采用的無機非金屬類隔熱保溫材料主要有纖維類的，如陶瓷棉、玻璃棉、巖棉等；此外，由硅酸鈣板、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖等制成的多孔性材料也成為了無機非金屬隔熱材料的常用選擇。但其有以下不足：1）導熱系數較高導致隔熱性能偏低；2）容重偏高，影響有效載重，不利于節省船舶空間；3）表面的羥基等親水基團易吸潮，使導熱系數增大，同時還會導致析晶，造成纖維材料粉化失效；4）其殘留物的高腐蝕性會造成使用安全隱患，無形增加了后期維護保養成本[2]。

2）有機泡沫隔熱材料

由聚合物材料經發泡形成的結構含多孔的有機泡沫材料構成了隔熱材料一個重要的分支，具有容重低、柔性好、導熱系數低、吸濕性低的優點。常見有機泡沫隔熱材料的性能參數如表1所示。

表1 常見有機泡沫保溫材料性能參數

3）氣凝膠超級隔熱材料

納米氣凝膠（簡稱氣凝膠）材料是一種由氣體分散在有機高分子或無機氧化物、碳化物等固相中形成的一種具有網絡、多孔性結構的固體材料。該材料中孔隙的大小在納米數量級，孔隙率高達80%～99.8%，孔的尺寸為1～100nm，密度可低至3 kg/m3。氣凝膠隔熱材料在常溫常壓下的熱導率最低僅為0.012 W/m·K[3, 4]。資料顯示，由氣凝膠制成的隔熱產品應用于船舶時，不僅可以實現較傳統材料更優的隔熱性能，還能大大降低船舶的體積和重量，因而受到美國海軍部門的重視。Aspen 公司的基于氣凝膠的隔熱氈較現有隔熱材料質量減輕4倍，大大提高船舶的有效載荷；此外，氣凝膠的應用還可提高防火等級，增強船舶的安全性。目前，氣凝膠已在美國多種型號的潛艇、驅逐艦、航空母艦等船舶上得到了應用。美國的Therdyne 公司、Thermal Ceramic 公司，英國的 Microtherm公司以及德國的 Wacker 公司都有氣凝膠系列產品應用于船舶領域。美國“旋翼飛行器的輕質隔熱材料研究”以及“氣凝膠與航天器生存能力”研究計劃研制出了溫度在 350℃～1000℃性能優異的氣凝膠[5]。

根據材料性能的對比及市場現狀，為此選擇納米級防火隔熱材料作為PDC的防火隔熱材料，同時選用防火隔熱涂料對防火隔熱材料進行噴涂，使具備耐鹽霧性能和低吸濕性。

2.2 儲熱技術

PDC內部的存儲介質安裝在存儲模塊內部，存儲模塊內部除有存儲介質外，還有儲熱材料。儲熱材料相比自然界中其他物質比熱容大，當其吸熱揮發過程中，吸收的熱量會大于此過程下同等體積的其他物質。其可以吸收存儲介質上的熱量，降低存儲介質受熱時溫度的上漲速度。

PDC主要組成部分包括安裝底座、釋放機構、數據存儲模塊、高溫隔熱防護層、防護殼體、存儲控制板、電源和通信接口、聲學信標等。高溫隔熱材料采用耐高溫納米級隔熱材料，可以有效的阻止外部溫度的傳導，抑制熱對流，增加熱輻射的吸收和反射；通過高溫隔熱材料后的熱量先由儲熱模塊內部的儲熱、吸熱劑吸收，從而對數據存儲模塊起到隔熱防護作用。

3 熱防護技術的仿真設計及分析

PDC的存儲芯片采用工業級存儲芯片，其存儲溫度最高可達105 ℃。為保證芯片數據的正常讀取，使用納米隔熱材料降低導熱，使用儲能材料吸收傳導進殼體的熱量以滿足“高溫1100℃、158 kW/m2的火焰1 h燒蝕下，芯片溫度低于105 ℃”、“中溫260℃烘烤10 h，芯片溫度低于105 ℃”等條件。根據PDC的防護外殼的外形和尺寸，測算其中心位置，同時考慮其中間存儲模塊盒的外形和尺寸。以石蠟作為內部相變儲能材料為例，對PDC內部進行仿真。

3.1 數學建模

1）固體導熱

固體導熱由外殼體向隔熱材料的導熱、隔熱材料向內殼體的導熱以及內殼體向相變隔熱材料的導熱三個組成，三段導熱熱阻串聯。各段導熱均可以用如下非穩態導熱控制方程描述：

式中，為固體的顯焓；為固體的導熱系數；為時間；為固體密度；為固體的體熱源，這里因為沒有發熱源，=0 W/m3。

2）火焰對流傳熱

考慮火焰對殼體的燒蝕主要為對流傳熱，為了簡化模型，本算例忽略火焰燃燒過程的傳質擴散以及化學反應過程，使用相同溫度的熱空氣代替火焰，對航行數據記錄儀殼體進行沖刷。該對流傳熱過程可以用湍流模型描述：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

3）輻射傳熱

殼體外表面與環境之間存在輻射換熱，輻射傳熱過程可以描繪為：

4）相變吸熱

相變隔熱材料包裹在內殼體內進行吸熱，在相變溫度吸收大量的相變潛熱。本算例使用糊狀相變假設對其進行描述：

相變材料的相態由其焓值確定，其焓表示為

Tsolidus為凝固溫度，Tliquidus為熔化溫度，本算例中相變的熔化溫度設定為Tliquidus=100℃，凝固溫度Tsolidus=90℃。

3.2 幾何建模

根據PDC的結構進行幾何建模，采用常溫的壁面模擬外部環境，高溫氣流從側面高速沖刷殼體表面，對殼體進行對流傳熱。

按照試驗件的幾何尺寸進行建模，網格劃分形式詳見圖1。對固體區域與流體區域進行網格劃分，網格總數見表2。

表2 幾何建模說明表

圖1 網格剖分示意圖

根據計算及仿真的結果，篩選市面上的防火材料，選擇的納米隔熱材料性能為：抗壓強度=0 MPa；熱傳導系數=0.025 W/(m·K)（常溫）；熱傳導系數=0.05 W/(m·K)（1000℃）；密度=0.45 g/cm3。

3.3 計算結果分析

1）高溫火燒仿真結果

高溫1100 ℃、1 h高溫火燒后，試驗件的溫度分布如圖2-圖4所示。由圖2可以發現溫度梯度主要存在于隔熱層中，隔熱層外側的金屬外殼體溫度超過1000 ℃，而隔熱層內部芯片與相變材料的溫度低于100 ℃，說明隔熱層性能可以滿足高溫熱測試要求。圖3分別顯示了隔熱層外面的溫度分布，由于金屬外殼體的熱導率較高，所以隔熱層外面溫度與金屬外殼體溫度很接近。圖4顯示了芯片外表面的溫度分布，可以發現芯片的溫度均低于33 ℃，證明隔熱材料的厚度以及隔熱性能足夠優異，可以滿足1100 ℃、1 h高溫火燒考核要求。

圖2 高溫火燒1 h后縱向截面溫度分布圖

圖3 高溫火燒1 h后隔熱層外表面溫度分布

圖4 高溫火燒1 h后芯片外表面溫度分布

2）中溫烘烤仿真結果

260 ℃/10 h中溫烘烤后，試驗件的溫度分布如圖5～6所示。可以發現隔熱材料與芯片的溫度均低于80 ℃，證明隔熱材料的厚度以及隔熱性能足夠優異，可以滿足“中溫260 ℃、烘烤10 h”考核要求。

4 結論

PDC熱防護選用納米隔熱材料作為外層防火隔熱層，選用高比熱容的儲熱材料作為存儲模塊的填充材料，有效的降低了外部溫度的傳導起到對電子盤的損傷，在低溫耐火試驗及高溫火燒試驗中，對數據存儲模塊起到了有效保護作用。

在樣機實驗中原理樣機通過了高溫火燒摸底試驗及低溫耐火摸底試驗驗證，試驗結果完全符合要求。樣機通過了幸存能力鑒定試驗的高溫火燒試驗及低溫耐火試驗驗證，試驗結果完全符合要求，為相關產品實現國產化提供了關鍵的技術支持。

圖5 中溫烘烤10 h后縱向截面溫度分布圖

圖6 中溫烘烤10 h后芯片外表面溫度分布

[1] 段晨,國占東,白宗良等.艦船用隔熱絕緣材料研究現狀[J].艦船科學技術,2016,38(19):1-6.

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Research on thermal protection technology for protected data capsule of voyage data recorder

Sui Bo1, Sun Hongguang2, Song Weixuan3

（1. Shenyang Bureau of Naval Armaments Division, Dalian 116011, Liaoning, China; 2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

U666.15

A

1003-4862（2022）06-0032-05

2022-03-09

隋波（1980-），男，工程師。研究方向：船舶電子專業監造。E-mail: suibo_1999@163.com