民机防火墙适航技术要求及验证方法研究

林家冠

(中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院,上海 201210)

民用飞机发动机短舱等结构的防火墙设计是型号飞机设计的重点，也是型号适航取证的重要审查项目。查阅航空事故资料可以发现，曾发生多起发动机失火后引燃飞机机翼或机身导致飞机坠毁的事故。如2011年1月，俄罗斯一架图-134飞机在滑行时发动机起火爆炸，导致1人死亡，3人受伤；2011年7月，俄罗斯一架安-20飞机飞行途中发动机起火，在实施迫降时发生事故，事故中有7人死亡，4人重伤[1]。

现代运输类飞机设计时要求使用防火墙或防火罩将飞机上火区和其他部位隔开，以防止火区着火后火焰蔓延至其他部位，引起灾难性事故。1985年12月31日，中国民用航空局正式发布了初版的《运输类飞机适航标准》(CCAR-25)[2]，其中第25.1191条款“防火墙”参考美国联邦航空局发布的FAR25部§25.1191制定[3]，规定了运输类飞机防火墙的适航要求。运输类飞机在适航取证过程中必须表明对25.1191条款的符合性。

本文研究了民用飞机防火墙适航技术要求，对25.1191条防火墙适航条款进行解读分析，结合实际型号设计和验证经验，给出了可行的符合性验证方法。

1 防火墙结构

根据CCAR25.1181条款可知，现代运输类涡扇飞机通常把短舱的风扇区、核心区以及整个APU(auxiliary power unit)舱定义为指定火区，如图1所示。通过在短舱和APU舱指定火区边界上设置防火墙、防火罩等防火封严结构，包容和隔离火焰，防止短舱和APU舱内起火后蔓延到飞机其他部位，尽最大可能保障飞行安全和减少损失。短舱内典型的防火墙结构包括风扇罩、吊挂防火墙、进气道后隔板、核心罩、反推前框结构；APU舱内典型的防火墙结构包括机身尾段的框结构(APU舱前/后防火墙)、APU舱壁和舱门内蒙皮等结构(周向防火墙)。

图1 短舱和APU舱火区示意图

2 适航要求

最新的R4版CCAR-25部第25.1191条防火墙条款原文如下。

第25.1191条 防火墙

(a)每台发动机、辅助动力装置、燃油燃烧加温器、其它在飞行中需要使用的燃烧设备以及涡轮发动机的燃烧室、涡轮和尾喷管部分，均必须用防火墙、防火罩或其它等效设施与飞机的其它部分隔离。

(b)防火墙和防火罩应满足下列要求：

(1)必须是防火的；

(2)其构造必须能防止危险量的空气、液体或火焰从该隔舱进入飞机的其它部分；

(3)其构造必须使每一开孔都用紧配合的防火套圈、衬套或防火墙接头进行封严；

(4)必须防腐蚀。

制定该条款的目的是确保指定火区内着火不会对飞机造成灾难性的危害。防火墙是防火安全的重要措施，其主要功能是当发动机着火时，把火限制在发动机短舱内，防止火焰穿入临近的机身或机翼，以减少着火造成的危害。此外，还能阻止废气和热气进入机组和乘客座舱。

在进行防火墙设计时，要着重考虑燃油和滑油管路、整流罩和引气管以及防火墙的其他贯穿点，需要仔细考虑载有可燃液体的管路和接头，特别需考虑防火墙隔板间的对接密封、发动机舱门、舱门密封及排液或通气管与舱门的连接界面等。为了保证整个防火墙的性能，有必要对这些密封件进行专门的燃烧试验，同时需在飞机维修大纲和飞机维修手册等持续适航文件中明确防火墙有关的维护检查任务、检查时间和检查程序，以保证防火墙在飞机服役期间能持续满足防火要求[4]。

3 符合性验证方法

按照《航空器型号合格审定程序》,适航符合性验证方法总共有10种[5]，分别为符合性声明(MC0)、设计说明(MC1)、分析/计算(MC2)、安全评估(MC3)、试验室试验(MC4)、地面试验(MC5)、飞行试验(MC6)、航空器检查(MC7)、模拟器试验(MC8)和设备合格性(MC9)。

对于防火墙,可通过以下方法表明其对第25.1191条款的符合性。

1)设计说明(MC1)：说明指定火区均用防火墙、防火罩等与飞机其它部分隔离，防火墙上所用的材料符合防火要求，封严措施是有效的，是防腐蚀的。

2)试验室试验(MC4)：通过试验室试验表明防火墙、防火罩符合防火要求，封严措施是有效的。

验证条款的符合性方法并非固定的，可结合验证对象的实际情况进行灵活调整，但需与审查方达成一致意见。例如，当被验证的防火墙构型是基于老型号改进的，可不进行试验室试验，而是通过分析/计算(MC2)对防火墙的安装和封严与以往型号的试验或计算结果进行对比分析。对于25.1191(b)(1)条款也可采用MC2方法，对防火墙、防火罩进行热分析和剩余强度计算分析，表明其是防火的。对于25.1191(b)(3)条款还可增加MC7方法，通过检查机上的每个防火墙或防火罩来确定其封严是有效的。表1为建议的25.1191条款的符合性方法表，表中0～9代表MC0～MC9。

3.1 设计说明(MC1)

通过系统描述文件、发动机舱和APU舱架构图及安装布局图，明确指定火区的范围，说明每个指定火区和相邻的其它区域之间有防火墙或防火罩隔开，表明对25.1191(a)条款的符合性。

通过系统描述文件，说明风扇舱和核心舱指定火区防火墙(如进气道后隔板、风扇罩组件结构、反推内罩等)和APU舱指定火区防火墙(如APU舱周向防火墙、APU舱前/后防火墙等)的材料和厚度满足FAA AC20-135的标准，表明对25.1191(b)(1)条款的符合性[6]。

通过系统描述文件和安装图纸，对短舱和APU舱防火墙的安装和封严进行说明，描述防火墙的设计构型，对于防火墙搭接区域和防火墙上开孔区域使用密封件、密封剂进行密封，表明对25.1191(b)(2)条款的符合性。

通过系统描述文件和安装图纸，说明系统管路在短舱、APU舱防火墙上的开孔采用紧配合的防火套圈、衬套或防火墙接头进行封严，使用具有防火性能的密封剂进行密封，表明对25.1191(b)(3)条款的符合性。

现代飞机的防火墙材料通常为防腐蚀的碳纤维复合材料、钛合金或不锈钢等，因此可不必进行试验验证其防腐蚀性能。通常在系统描述文件和安装图纸中说明防火墙和防火封严具体使用的材料及相应的特性，确认其具有防腐蚀的能力，表明对25.1191(b)(4)项的符合性。

3.2 试验室试验(MC4)

CCAR-25-R4中25.1191条款参考FAA 25部中§25.1191条款的内容制定，因此可使用FAA提供的关于动力装置防火要求的符合性验证指导材料 (AC20-135)来指导防火墙着火试验的开展。AC20-135中对于非结构和非承重的防火墙或防火板采用的材料，下列最小厚度是可接受的，不必进行另外的防火试验：

1)厚度为0.015英寸(0.38 mm)的不锈钢板；

2)厚度为0.018英寸(0.50 mm)的防腐蚀低碳钢板；

3)厚度为0.016英寸(0.40 mm)的钛合金板；

4)厚度为0.018英寸(0.50 mm)的蒙乃尔高强度耐腐蚀镍铜合金板；

5)钢或铜基合金防火墙接头和紧固件。

其它结构形式的防火墙需要进行防火试验，例如反推力结构核心罩体防火试验、短舱风扇罩结构防火试验、短舱防火墙封严防火试验、APU防火墙抗火焰烧穿试验等。

试验的目的就是为了验证指定火区防火墙和防火封严应能承受2 000±150 ℉至少15 min的火焰冲击，防火墙没有出现烧穿和火焰穿透，非受火侧无燃点，验证其满足25.1191(b)条款要求的防火性和密封性。

通常，防火试验采用多个不同构型的试验件模拟短舱防火墙和APU舱防火墙本体、搭接密封、穿孔密封设计特征，验证防火墙的防火性能够满足25.1191条款中的防火要求。典型的防火墙试验件构型及其所验证内容如下。

1)防火墙本体：验证最小厚度防火墙的防火性能。

2)左右防火墙对接：验证防火墙搭接区的防火性，搭接区通常使用密封剂进行贴合面及填角密封，使用紧固件连接，紧固件湿安装，如图2所示。

3)防火墙开孔封严：验证防火墙上系统管路穿孔封严的防火性，开孔处的封严通常使用紧配合的防火套圈、衬套或防火墙接头进行封严，接头应模拟真实的安装方式安装。

4)复合材料和金属防火墙连接：验证复合材料与金属搭接区的防火性，搭接区通常使用密封剂进行贴合面及填角密封，使用紧固件连接，紧固件湿安装。

图2 防火墙试验件构型示例

通常，试验件安装在如图3所示的防火试验台上，燃烧器水平方式安装，调定燃烧器出口端面到试验件受火面距离。安装热电偶和热流计用于测量燃烧器输出的火焰温度和热流密度。对于复合材料的防火墙，试验时要考虑其振动情况，因此试验台应加装振动系统。

图3 防火墙防火试验示意图

对于风扇罩防火墙、反推核心罩防火墙等要考虑飞行工况下防火墙的防火性能。试验台加装气流设备，模拟气流冲刷，相关设备布置如图4所示。

防火墙防火试验的步骤：

1)检查试验件外观，拍摄照片并记录试验件名称、编号、尺寸、环境温度和试验设备等信息(试验件不允许存在裂纹和缺陷)。

图4 模拟飞行工况下防火墙防火试验示意图

2)位置调试，安装试验件、燃烧器、传感器、数据采集器、振动系统、空气冲刷系统等设备，调试位置。

3)火焰参数调试，将燃烧器置于预热位置，点燃燃烧器，预热5 min，预热结束后将热电偶移动到测试位置，确认火焰温度达到2 000±150 ℉。同理，将热流计移动到测试位置，确认火焰热流值不小于10.6 W/cm2。

4)开始试验，在成功完成火焰参数调试后，打开振动系统，打开空气冲刷开关，迅速将燃烧器转动或移动到试验件，使试验件距燃烧器的距离与燃烧器校准期间热电偶和热流计装置距燃烧器的距离相同，开始试验计时。

5)试验5 min时关闭振动系统，试验15 min时关闭燃烧器、关闭空气冲刷开关、拍摄试验件燃烧后的照片，试验结束。

试验结束后，观察到试验件未被烧穿，非受火侧(非火区)无燃点，表明试验件符合25.1191(b)(1)、(b)(2)和(b)(3)条款的要求。

4 结束语

本文对民机防火墙适航条款要求进行了分析和解读，结合型号设计和适航取证经验，总结并给出了可行的符合性验证方法，详细介绍了MC4防火墙着火试验的过程和要点。本文对国内民用飞机防火墙的设计和适航取证工作有重要参考意义。