复合材料结构飞机发动机短舱防火设计与试验验证

李仁鹏

（中航通飞研究院有限公司，广东珠海519040）

复合材料结构飞机发动机短舱防火设计与试验验证

李仁鹏

（中航通飞研究院有限公司，广东珠海519040）

飞机发动机短舱的防火设计一直是飞机结构设计的关键技术之一。随着复合材料在飞机上的应用越来越广，复合材料在发动机短舱上的应用也越来越受到重视。通过按照适航规章的要求，用复合材料进行发动机短舱的防火设计，并进行试验进行验证，复合材料是可以用在发动机短舱的设计上的，而且可以满足发动机短舱对于防火的要求。

复合材料；防火；耐火；适航；发动机短舱

0　引言

飞机发动机短舱为飞机结构重要部件之一。发动机短舱主要用于包容发动机及发动机的系统附件等，对发动机及其附件进行保护；承受气动载荷，起整流作用；在发动机或发动机附件起火时起到包容火焰，保护周围结构及系统的作用。飞机动力装置失火，会对飞机的飞行安全造成严重的威胁。2011年1月1日，俄罗斯一架客机在起飞滑跑时，发动机突然起火燃烧，事故造成3人死亡，43人受伤。因此对于发动机短舱的防火设计，并做试验验证是必要的。

1　复合材料发动机短舱的防火设计

1.1火区的划分

按CCAR23规定，火区的范围指压气机和附件部分；包含有输送可燃液体或气体管道或部件的燃烧室、涡轮和尾喷管部分；压气机、附件部分、燃烧室、涡轮和尾喷管地区部分之间没有隔离的整个动力装置舱。发动机短舱指定火区如图1所示。并用防火墙将火区进行隔离。

1.2结构材料的选择

按CCAR23规定，发动机整流罩至少要是耐火（经受1093℃（2000℉）的火焰灼烧5分钟）的。复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、降噪减振等优点。充分发挥复合材料的上述优点，发动机罩选用复合材料夹芯结构的。

按CCAR23规定，位于发动机舱防火墙后面的部件、导管和接头，必须在防火墙靠近火区一侧的部分受到温度不低于1093℃（2000℉）的火焰作用15分钟时，不会受到足以使飞机发生危险的损坏。所以对于防火墙来说不单要起到防火的作用还要起到隔热的作用。发动机舱与复合材料机身结构之间的防护墙选用不锈钢板加隔热棉进行防火和隔热处理。前支撑框和后支撑框处的防火墙，用复合材料作为受力框结构，附加不锈钢板和隔热棉进行防火和隔热处理。

2　复合材料发动机短舱的防火试验

对于复合材料结构的防火性能设计，没有现有的数据作支撑，同时需要考察防火钢板加防火棉加复合材料结构的结构形式，及其防火性能和隔热性能。

2.1试验方案

根据CCAR23及AC20-135，选取复合材料夹芯板（0.4mm复材+6.35mm芯材+0.4mm复材）和复合材料层压板（1.3mm）做耐火试验件；防火墙组件：防火钢板（0.4mm）加防火棉（6.35mm）加复合材料结构（1.75mm复材+25.4mm芯材+1.75mm复材）的防火墙做防火试验，测量其背部的温度。复材面板用碳纤维环氧树脂，芯材用芳纶纸蜂窝。

试验件尺寸610mm×610mm，火焰覆盖样板的范围不能小于127mm×127mm，火焰的热通量密度不能小于10.5W/cm2。热电偶的精度±2.8℃，热量计的精度±3%。防火墙后部布置6个热电偶。

2.2试验过程

试验支架如图2所示。复合材料结构在高温、高冲击的火焰灼烧下，表面树脂会被引燃，火焰会在很短的时间内变得非常大，随后表面树脂碳化，火焰趋于稳定。因此复合材料结构试验支架需要加装更大的防护板，阻止火焰向试板背部蔓延。

图1　发动机短舱的火区分布

图2　试验支架

2.3试验结果

如图3所示，复合材料层压板经过5分钟的耐火试验后，受火面3层树脂烧脱，第4层出现严重碳化，并成粉末状脱落，第5层碳化，第6层翘曲变形。火焰没有烧穿。

图3　层压板烧蚀

如图4所示，复合材料夹芯结构经过5分钟的耐火试验后，受火面2层树脂烧脱，芯材严重碳化、并成粉末状脱落，非受火面内侧层碳化，外侧层翘曲变形。火焰没有烧穿。

防火墙组件，经过15分钟的防火试验后，没有烧穿。防火墙背部温度不超过75℃。

图4　夹芯板烧蚀

3　结语

复合材料结构具有可燃性，用在发动机短舱结构中要注意结构的密封性，防止火焰蔓延。但随着复合材料结构表面树脂的碳化，火焰会很快自熄。复合材料完全可以满足发动机短舱的防火设计要求。通过金属板加防火棉的形式做的防火墙起到很好的隔热效果。

［1］周颂平.民用涡扇飞机短舱结构防火设计［J］.科技传播2013（6）.

［2］孙立.复合材料在发动机短舱中的应用［J］.航空维修与工程2010（2）.

李仁鹏（1982-），男，工程师，学士，从事飞机复合材料结构设计、维修研究工作。