大型客机隔热隔音棉的轻量化设计

沈世元+韩峰

【摘 要】本文研究了一种隔热隔音棉的轻量化设计，并且，针对目前复合材料越来越广泛应用的趋势，本文前瞻性地研究了机身复材化的情况下，尤其是对防火焰烧穿的下半部分的抗火焰烧穿特性，并利用数值模拟的手段初步计算出了某型号复材机身飞机在典型的一些火焰烧穿工况下的温度场。

【关键词】大型客机；轻量化设计；隔热隔音；抗火焰烧穿

0 前言

对于民机行业来说，无论是欧洲的空中霸主Airbus、美国的航空巨头Boeing，还是年轻的中国COMAC，针对航空工业这一块的蛋糕的争夺已日趋白热化。舱内噪声作为衡量乘机舒适度的一个指标，在商业竞争中具有不可忽略的地位。提到舱内噪声，就不得不提到隔热隔音系统的设计。

发展机身复材化已经是大势所趋，各种对复材的研究也如同雨后春笋一般遍地开花。复合材料为民机设计带来的优势有很多，在这里就不一一列举，而本文关心的复合材料抗火焰烧穿性能就是可以为舱内降噪工作带来巨大收益的一个不可忽略的关键特性。

1 隔热隔音棉的轻量化设计

如图1，隔热隔音棉在飞机上的作用犹如一圈“保护层”，她在让乘客们享受舒适安静的舱内环境同时，还可以在飞机坠落燃烧等紧急情况当中防御火焰对舱内的侵蚀，形成防火焰包络，保证外部火焰5分钟之内不烧进客舱，为舱内乘客的逃离争取宝贵的时间，保护乘客的生命安全。

大量的实例表明，货舱地板以下，机身最底部区域，水汽、油污及灰尘在此处因受隔热隔声层阻挡与吸附而大量聚集，影响底部结构排水孔的排漏功能。需要进行改进优化设计。优化方案有但不限于：

（1）挡水瓦抬高隔热隔声层；

（2）在货舱地板满足防火焰烧穿的前提下，去除此部分隔热隔声层。

对于方案1来说，只是为了解决问题而解决问题，并无额外的收益；而方案2如果做到了可行之后，如图2所示，会获得如下收益：

A）机身下半部分的隔热隔声层可采用普通包覆膜代替抗火焰烧膜，原材料成本全机下降1/3，重量减少约30kg（单通道级飞机）；

B）机身下半部份的隔热隔声层安装件可采用轻量化的非金属件，设计成本下降1/2， 重量减少8～12kg（按4000个安装位置计算）；

C）机身件隔热隔声层安装位置，采用卡片式或粘接式安装件（相比机身隔框开孔与支架），避免结构强度的安全性评估（4000个开通孔位置），避免设计大量支架。

2 复材机身隔热隔音系统轻量化设计

飞机底部抗火焰烧穿的轻量化设计的主体思路为：在深刻理解条款的基础上，以机身整体为设计对象，寻求性能等效的切入点，实现飞机型号的轻量化设计。本设计源于金属机身的C919，但可以通过优化设计，完全无缝推广到同为金属机身的ARJ21-700（减重约15～18kg）；采用相同的设计思路，基于复材基于复材机身抗火焰烧穿性能验证通过基础上，可以实现复材机身飞机整体的轻量化（预计最大可达150kg），具体思路如下图3：

该思路形成一种民用飞机机体整体抗火焰烧穿设计构型，并在此基础之上形成民用飞机机体整体抗火焰烧穿集成验证方法，并逐步形成民用飞机机体整体抗火焰烧穿材料应用与设计构型库。其中，对于支线飞机如ARJ21-700，防火方面的适航验证思路已然成熟，对于例如C919的干线飞机，图10为大体一致的验证思路流程图。

3 复材机身仿真

在进行设计与分析时，工程上需要寻求一种可行的，分析火焰蔓延、烧穿路径、热通量等的仿真方法，支持工程选型与配合验证工作。

做试验固然是获得理论验证的方法之一，然而从成本的角度来说，计算机数值模拟可以以一种更加经济、更加直观、更有说服力的方法展现试验结果，让试验报告更有深度。如果要对整个舱段甚至全机进行燃烧试验，那么数值模拟无疑是一个更好的选择。

在进行数值仿真之前，我们需要做一些假设。复合材料有20%的耐火树脂（热解）和80%的耐火碳纤维，在燃烧过程中，复合材料的热解燃烧导致火焰体积增加。假设风速为10m/s，风向为右。机身直径3.6m，机身长度20m，火源由油箱漏油形成，呈柱状火，截面直径18.9m。采用的软件为FDS（Fire Dynamics Simulator），是由美国国家标准研究所建筑火灾研究实验室开发的一款开发的模拟火灾中流体运动的计算流体动力学软件。

下面三张分别是在t=5s、30s和180s时的仿真云图。

几个共性模拟结论：

（1）仿真结果和大部分实验测量结果吻合较好。

（2）火焰形状主要由燃料池尺寸、风速、风向决定。

（3）复合材料机身的实验火焰体积比铝机身的实验火焰的大很多。

（4）复合材料机身表面火焰传播速度随风速增加，峰值可以达到0.6m/s。

5 总结

本文在充分理解条款的基础上，对隔热隔音棉的铺设方式进行了轻量化设计，提高了飞机隔热隔声层及机腹底部区域结构的安全性与维护性，同时做到了减重和降低成本，并让货舱隔音棉的安装方式（紧固件）有了更大的设计空间，使得应用机型更加具有商业竞争力。

对于金属机身：对于C919，全机重量可节省26.9kg；对于同为金属机身的ARJ21-700，可推算得减重约为15～18kg。

对于复材机身：在基于复材基于復材机身抗火焰烧穿性能验证通过基础上，可以实现复材整体机身的轻量化，预计最大可达150kg。复合材料运输机结构的相应外部防火问题，必须包括可存活的坠撞着陆后外部集中火焰的影响。机身结构应给乘客提供足够的逃逸时间，且不会伴以火焰弥漫或释放对逃逸乘客有毒或使燃烧加剧的气体和/或物质。此外，还必须把这些考虑扩展到机翼和油箱结构，必须防止其结构崩溃或泄漏燃油（包括考虑燃油载荷对结构特性的影响）。对运输类飞机来说，CCAR 25.856（b）的标准提供了建立所需安全性水平的基准。

[责任编辑：朱丽娜]endprint