感光型火警探测器在直升机防火系统中的应用研究

翟雅琼，郑友兰，李基堂，张 涛，余达恒

(1.中航工业天津航空机电有限公司， 天津市 300308； 2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；3.总参陆航部驻天津地区军代室， 天津市 300308； 4. 空军驻天津地区军事代表室， 天津市 300308；)

感光型火警探测器在直升机防火系统中的应用研究

翟雅琼1，郑友兰2，李基堂3，张 涛4，余达恒1

(1.中航工业天津航空机电有限公司， 天津市 300308； 2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001；3.总参陆航部驻天津地区军代室， 天津市 300308； 4. 空军驻天津地区军事代表室， 天津市 300308；)

感光型火警探测器具有不小于90°的锥形视角和数米远的探测距离，以及响应速度快、环境适应性强和非接触式测量等优点，已广泛应用于国外先进飞机的防火系统中。文章对感光型火警探测器的技术原理、特点及国外直升机防火系统中的应用实例进行了分析和研究。

感光型；火警探测器；非接触；紫外；红外

0 引言

飞机无论是在空中还是在地面，着火都是最危险的威胁之一，因此安装防火系统对飞机上的火区进行防护是十分必要的。飞机上典型的火区是发动机舱，由于发动机舱内温度很高，当舱内出现燃油、滑油泄漏，或舱内电气线路故障时，发动机舱内就可能发生着火。一旦发动机舱着火，如果不及时采取措施，不仅会严重损坏发动机，还直接危及飞行安全。现代飞机的发动机舱均设置了火警探测系统，当发动机舱内发生火情时，及时准确地发出火警信号，并触发灭火器实施灭火。

目前常见的用于飞机发动机舱的火警探测器种类主要有双金属式、热敏电阻式、热电偶式和气动线式等。随着火警探测技术和光电子技术的发展，感光型火警探测器以其可靠性高、不受电磁干扰、响应速度快、空间检测和有效抑爆等优点，逐步被应用于国外先进飞机的火警探测系统。

1 感光型火警探测器技术研究

1.1 技术原理

探测火焰可以利用火焰辐射的光作为信号，来自火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在100nm～10μm或更宽的范围内。由于太阳是最强烈的辐射源,太阳辐射的光强比火焰大得多，为了可靠地探测火焰，必须避开阳光的影响。太阳光经过大气层时，由于臭氧层(O3)的吸收，到达地面的阳光中200nm～300nm范围的紫外光衰减殆尽；同时，由于二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)的吸收，到达地面的阳光中中心波长在2.7μm和4.3μm的红外光也被强烈地吸收，如图1所示，这些波长范围被称为“日光盲区”。通过监测“日光盲区”光辐射强度的大小，可以实现对火焰的准确探测[1]。

由于200nm～300nm处于电磁波谱中的紫外波段，因此将响应火焰产生的紫外辐射而工作的探测器称为紫外火焰探测器；而2.7μm和4.3μm处于电磁波谱中的红外波段，因此将响应火焰产生的红外辐射进行工作的探测器称为红外火焰探测器。为了提高探测的可靠性，将两个或三个波段同时作为探测对象，出现了双红外、三红外和红外紫外复合的火焰探测器。

无论是哪种类型的感光型火警探测器，其基本原理是相似的，原理框图如图2所示。

火焰辐射的紫外或红外光透过光学窗口照射到光敏元件上，利用光敏元件的光电效应，将光信号转化为电信号，电信号经火警控制盒采集和调理后，转换为报警电压信号，从而实现探测火警的目的。

1.2 技术特点

感光型火警探测器具有以下特点：

1) 监控范围大

由于感光型火警探测器具有90°或更大的立体探测角度，因此使用较少的探测器就可以监测较大的范围。这个优点对飞机发动机舱、APU舱和货舱的监控是很有利的。但是，在进行安装设计时，应该避免遮挡物直接遮挡探测器窗口。

2) 远距离探测

大范围监控的另一个要素是有能力进行远距离探测。感光型火警探测器的探测距离可以根据需求设计到2m甚至更远，这样将有能力克服一些安装限制，例如探测器可以远离飞机高温区，只要探测光路通畅，即可实现有效的探测，探测系统的安装将更具灵活性。

3) 对光的探测

与其他类型的火警探测器(温度探测器或烟雾探测器)不同的是，感光型火警探测器能够探测到火焰发出的光。由发动机起动或发动机舱缺少通风导致的温度上升将不会给探测器造成干扰。这样就不用根据安装区域的温度场不同而使用不同测温范围的火警探测器，从而增加火警探测器的通用性和备件的灵活性。

4) 快速探测能力

感光型火警探测器的响应时间可以达到几毫秒，但是为了提高探测系统的可靠性，避免假报警，通常会在火警控制器中增加延时设计，一般感光型火警探测系统可在2s到5s内启动，完全符合FAA标准的要求。

使用感光型火警探测器，能立即探测到发动机舱内出现的初期火情。而其他火警探测器，如线式火警探测器和双金属片式火警探测器，需要等到火焰扩散到安装火警探测器的位置或达到平均温度临界值后才能启动报警。

5) 安装灵活

感光型火警探测器安装在飞机上，与被探测的设备无需采用特定的机械连接，这样就能留出宽敞的维修通道进行发动机等设备的维护。相比之下，线式火警探测器的安装要靠近被探测设备，需要沿着发动机或特定的支架安装，在维护发动机前或者在开启的整流罩上进行维修操作时必须拆除探测器，否则容易造成损坏。

2 感光型火警探测器应用

2.1 可行性研究

直升机发动机舱易着火的区域大体可以划为两个：一是发动机的附件机匣冷端区，该区域着火的可能原因是燃油或滑油的泄漏；另一区域是发动机燃烧室热端区，该区域温度高，燃油喷嘴如果泄漏极易引发火灾。燃油着火的显著特点是会产生强烈的光辐射，同时向外辐射热量，因此使用感温型或感光型的火警探测器是可行的。

目前国内外在役直升机的发动机舱火警探测系统大多采用感温火警探测器，并以双金属片式感温探测器居多。双金属片式感温探测器是采用两种感温系数的不同金属片作为感温元件，当周围介质温度达到规定值时，安装在双金属片之间的触点分开，使得探测器两接线柱之间产生电压阶跃信号。这种探测器直接安装在发动机表面上，根据发动机表面不同区域温度场，以及易着火的部位进行布置，单台发动机上布置的火警探测器数量一般在4-9个。发动机不同区域温度不同使得火警探测器的测温范围各不相同。每台发动机上的火警探测器采用串联连接，任何一个火警探测器或几个探测器感受高温后，均会输出火警告警信号。该类型探测器技术成熟、性能稳定、可靠性较高。

但是，感温火警探测器有其局限性，因发动机表面不同区域的温度场不同，探测器探测范围窄，单台发动机需配备不同品种和多数量的探测器；探测器安装在发动机表面，不便于发动机的维护；最重要的是探测器感受的是周围介质的高温，而不是真正的火灾。

随着光电子技术的不断发展和应用，现代国外先进直升机逐步采用感光型火警探测器替代感温式火警探测器。感光型火警探测器最显著的特点是具有空间探测能力，即非接触式的测量，理论上，只要火焰辐射的光进入感光型火警探测器的锥形视野范围，即可报火警，如图3所示。

基于感光型火警探测器空间探测的特点，每个发动机舱一般情况下只需要安装2个探测器，分别监视易着火的两个区域即可。需要注意的是，安装感光型火警探测器时应避免遮挡探测窗口。

2.2 应用实例分析

2.2.1 “黑鹰”直升机上的红外火焰探测器

KAD (Kidde Aerospace and Defense)公司生产的红外火焰探测器[3]利用中心波长为4.3μm的红外波段探测火灾，并采用数字信号处理电路来区分火焰产生的闪烁和发动机工作引起的背景红外信号。数字处理电路还可以区分来自非火源(例如自然光和人造光源)产生的背景。红外火焰探测器具有自检(BIT)功能，自检通过在探测器外壳内安装一个红外光源来实现，当火焰探测器自检时，给测试输入端施加28VDC信号，同时红外光源给探测器施加脉冲热信号，红外火焰探测器即输出报警信号。

KAD公司的感光型火警探测器满足MIL-F-23447的要求，并获得美国联邦航空局(FAA)批准，应用于包括AH-64(“阿帕奇”)、H60(“黑鹰”)、RAH-66(“科曼奇”)在内的多个型号的直升机和F-22、F-18E/F多个型号的战斗机的防火系统。

“黑鹰”直升机发动机舱和APU 舱均安装了KAD公司的红外火警探测器(见图4)。每个发动机舱配备两个红外火警探测器，一个安装在纵向防火墙上部，火警探测器的探测窗口朝下，用于监控发动机附件机匣可能出现因燃油或滑油泄漏引起的火情；另一个安装于发动机底部的动力平台上，火警探测器的探测窗口朝向发动机燃烧室，用于监控发动机热端区的燃烧室燃油喷嘴可能泄漏引起的火情。

2.2.2 NH90直升机上的紫外-红外火焰探测器

根据欧洲直升机公司(Eurocopter)对感光型火警探测器的研发经验，早期阶段，他们采用4.3μm的红外火焰探测器作为发动机舱的火警探测器，但随后发现当发动机开车时，假报警率很高。因为发动机舱通风不理想造成的局部温升会辐射出4.3μm左右的电磁波，从而造成红外火焰探测器假报警。进一步的研究使欧洲直升机公司对感光型火警探测器获得了更多了解，他们进行了一些试验，对单紫外(UV)、单红外(IR)、双红外(IR-IR)、紫外红外(UV-IR)复合火焰探测器进行了不同光源的响应特性研究，试验结果如表1所示。

表1 各种感光型火警探测器对不同光源的响应[4]

欧洲直升机公司从试验结果得到验证，认为单一的红外火焰探测器对热的物体是敏感的，增加一个红外波段的双红外火焰探测器并不能解决这一问题，因此不适用于发动机舱的火警探测。非日盲型单紫外火焰探测器虽然对日光敏感，但在发动机舱和主传动舱环境中不可能存在日光，因此单一的紫外火焰探测器是适合应用于直升机发动机舱和主传动舱的。

同时，欧洲直升机公司并未放弃红外火焰探测器在具有特殊特征的火焰方面(闪烁和CO2吸收波长)的检测能力，而最终选择了红外紫外复合的探测方式。这使得感光型火警探测器在性能和可靠性方面更具优势，同时，对日光和热的不敏感使得紫外红外复合火焰探测器具有应用于飞机其他部位(货舱等其他无人机舱或非密闭舱)的可能性。

L’HOTELLIER公司的红外紫外复合火焰探测器于2002年底定型，应用于欧直公司NH90直升机的发动机舱和主传动舱的防火系统。NH90直升机应用了第一个航空红外紫外复合火警探测器，也是最早应用红外紫外复合火警探测器的直升机[4]。

3 技术难点分析

3.1 恶劣环境的要求

飞机发动机舱等无人舱恶劣的工作环境，要求感光型火警探测器具有很强的耐高温和耐振动能力。根据TSO-C79的要求，应用于飞机发动机舱的火焰探测器至少应在150℃的高温环境下长期工作。这对火焰探测器中的敏感元件提出了更高的要求。同时，在机上由发动机工作而引起的振动环境，要求火焰探测器进行抗振结构设计，以避免长期振动对器件造成的损伤。

3.2 火焰特征识别及干扰源剔除的要求

假报警是飞机防火系统最频发的故障，而对于感光型火警探测器，机上的许多干扰源(例如炽热的发动机、雷电、电弧灯)都有可能引起探测器假报警。因此感光型火警探测器的设计需要精确地识别火焰特征光谱，并结合火焰的闪烁频率特征，通过合理的逻辑处理单元剔除假报警信息，才能实现可靠的报警。

4 结论

本文介绍了感光型火警探测器的技术原理和特点，对国外感光型火警探测器在直升机上的应用和发展情况进行了分析和介绍，探讨了感光型火警探测器应用于直升机发动机舱的可行性和技术难点，为直升机感光型火警探测器设计和应用提供参考。

[1] 吴龙标，方 俊，谢启源. 火灾探测与信息处理[M]. 北京:化学工业出版社， 2006:99-158.

[2] Kidde Aerospace and Defense. Optical Fire Detection for Engine Nacelle and Auxiliary Power Units[Z].

[3] www.kiddeaerospace.com. [EB/OL].

[4] Mr PASTORE O. EUROCOPTER，Aéroport de Marseille Provence，13725 Marignane Cedex[Z].Franc .

An Application Study on Optical Fire Detector for Helicopter Fire Protection System

ZHAI Yaqiong1, ZHENG Youlan2, LI Jitang3, ZHANG Tao4, YU Daheng1

(1.AVIC Tianjin Aviation Electro-Mechanical Co., Ltd，Tianjin 300308, China; 2.China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China; 3.Department of the General Staff Army Aviation Military Representative in Tianjin，Tianjin 300308, China; 4.Air Force Military Representative Office in Tianjin, Tianjin 300308, China)

With the advantages of more than 90°solid angle and a distance of detection, fast response speed, adaptability to environment, non-contact measurement, and so on, the optical fire detectors have been widely used on the fire protection systems of overseas advanced aircrafts. This paper studies the basic principle, characteristics and application examples of the optical fire detectors. Some references were useful for the design of optical fire detection system.

optical；fire detector；non-contact；ultraviolet；infrared

2016-08-12

翟雅琼(1984-)，女，河北省张家口市人，工学硕士，高级工程师，主要从事飞机火警探测器的研制工作。

1673-1220(2017)01-066-04

V228.6;V233.3

A