Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор 9
1.1 Авиакатастрофы и их последствия. 9
1.2 Анализ пожарной опасности воздушных судов 15
1.3 Понятие огнестойкости объекта 20
1.4 Методы повышения огнестойкости 22
1.5 Средства огнезащиты 29
ГЛАВА 2. Функции и требования к защищенным бортовым накопителям информации 33
2.1 Система аварийной регистрации параметров полета. Функции и классификация 33
2.2 Современные защищенные бортовые накопители информации 36
2.3 Устройство исследуемого бортового накопителя информации летательных аппаратов 39
2.4 Факторы приводящие к потере информации. Требования по защите бортовых накопителей информации воздушного транспорта 40
2.5 Особенности огнезащиты бортовых накопителей информации воздушного транспорта 44
2.6 Анализ теплотехнических характеристик бортовых накопителей информации и возможных методов огнезащиты 44
2.7 Анализ возможности использования теплоизоляционных материалов для огнезащиты бортовых накопителей информации 47
ГЛАВА 3. Установки и методики огневых испытаний бортовых накопителей информации воздушного транспорта 63
3.1 Существующие установки и методики высокотемпературных огневых испытаний специальных изделий 63
3.2 Лабораторная установка для огневых испытаний бортовых накопителей в режиме 1100 С 69
3.3 Методика испытаний бортовых накопителей информации воздушного транспорта в режиме 1100С 76
3.4 Лабораторная установка для испытаний бортовых накопителей в режиме 260С 78
3.5 Методика испытаний бортовых накопителей информации в режиме 260С 78
ГЛАВА 4. Разработка огнезащитного состава 79
4.1 Компоненты состава 79
4.2 Планирование эксперимента по оптимизации огнезащитного состава 84
4.3 Исследование влияния различных компонентов на огнезащитную эффективность состава в двух температурных режимах и обработка результатов 86
4.4 Определение оптимального соотношения компонентов 91
4.5 Корректировка состава огнезащитной композиции 93
ГЛАВА 5. Исследование свойств огнезащитного материала 96
5.1 Эффект стабилизации температуры 96
5.2 Математическая модель тепломассопереноса в водосодержащем огнезащитном материале при нагреве 99
5.3 Стабилизация температуры при введении различных жидкостей в пористый теплоизоляционный материал 104
5.4 Влияние плотности набивки водосодержащей огнезащитной композиции на огнезащитную эффективность 106
5.5 Влияние степени герметичности корпуса замкнутого объема на огнезащитную эффективность водосодержащего огнезащитного состава 108
5.6 Влияние геометрической формы изделия защищенного водосодержащим составом на его прогрев 110
ГЛАВА 6. Технологические и конструкционные решения 112
Заключение 119
Список использованных литературных источников 121
- Понятие огнестойкости объекта
- Факторы приводящие к потере информации. Требования по защите бортовых накопителей информации воздушного транспорта
- Лабораторная установка для огневых испытаний бортовых накопителей в режиме 1100 С
- Исследование влияния различных компонентов на огнезащитную эффективность состава в двух температурных режимах и обработка результатов
Введение к работе
Актуальность темы. Бортовые накопители информации в воздушном транспорте (БНИ ВТ) являются очень важными, а порой и единственными, источниками данных о развитии аварий и катастроф воздушных судов.
Средства авиатранспорта являются объектами повышенной опасности, что в большой степени связанно с наличием на борту значительного запаса горючего. Вследствие этого продолжительность возможного пожара при возникновении чрезвычайной ситуации (ЧС) очень велика. Требования, предъявляемые к БНИ ВТ авиатранспорта, постоянно ужесточаются.
Ценность хранимой в БНИ ВТ информации обуславливает необходимость ее защиты от различных внешних воздействий. Необходимые виды защиты выбираются в зависимости от специфики объекта, на котором устанавливается накопитель информации. Общими требованиями являются защита от механических воздействий, от воздействия воды, защита от теплового и огневого воздействия в случае пожара.
Бортовой накопитель информации представляет собой устройство, состоящее из прочного металлического корпуса, выдерживающего большие механические нагрузки, и расположенного внутри его носителя информации, в качестве которого, как правило, выступает микрочип на керамической основе.
Таким образом, актуальность заключается в том, что до настоящего времени не уделялось достаточно внимания решению задачи эффективной огнезащиты небольших изолированных объемов, которыми являются БНИ ВТ.
Цель и задачи. Целью настоящего исследования является разработка системы огнезащиты БНИ ВТ и выявление факторов, влияющих на ее эффективность. Для достижения поставленной цели в работе решались
следующие задачи:
S провести сравнительный анализ современных способов и средств огневой защиты БНИ ВТ; S создать стенд для огневых испытаний БНИ ВТ в режиме тления и пламенного воздействия, разработать методику их проведения; S проанализировать эффективность и возможные механизмы огнезащиты с компонентами, содержащими адсорбированную и кристаллогид-ратную воду; S разработать композиционный состав для огневой защиты БНИ ВТ; / исследовать закономерности прогрева водосодержащих огнезащитных
композиций в замкнутом и открытом объемах; S разработать технические решения, обеспечивающие тепловую и огневую защиту БНИ ВТ.
Объектом исследования является средства и способы тепловой защиты бортовых накопителей информации воздушного транспорта.
Предметом исследования являются огнезащитные свойства и характеристики водосодержащих огнезащитных композиций, находящихся в замкнутом объеме, работающих в условиях ограниченной влагопрони-цаемости.
Методы исследования. Поставленные в работе задачи были решены с использованием экспериментально-аналитических методов с применением дифференциально-термического анализа, математической статистики, и методов математического планирования экспериментов.
Научная новизна результатов заключается в том, что: S создан новый высокоэффективный огнезащитный состав на основе компонентов, содержащих адсорбированную и кристаллогидратную воду; S установлены новые закономерности распределения температур внутри заполненного водосодержащими компонентами объема;
^ получены новые экспериментальные данные, позволяющие раскрыть механизм стабилизации температуры в капилляро-пористых материалах при прогреве в замкнутом объеме. Практическая значимость: "S создана оригинальная малогабаритная лабораторная установка, равномерность температурного поля в которой достигается путем определенного расположения газовых горелок и организации движения раскаленных газовых струй; S разработаны огнезащитные составы, технология их приготовления и снаряжения БНИ ВТ, обеспечивающие их огневую защиту при температуре 1100 С в течение более 75 минут, и при температуре 260 С в течение 15 часов.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации изложены и обсуждены на:
S V межвузовской конференции «Экология энергетика экономика. Безопасность в чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург 2002 г.; S XVTII научно-практической конференции «Снижение риска гибели
людей на полорах», Москва, октябрь 2003 г.; S Международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург, октябрь 2003 г.
Реализация работы. Результаты диссертационного исследования использованы в производственном процессе ОАО «Техприбор», учебном процессе Санкт-Петербургского Института ГПС МЧС России и Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, оптики и механики.
На защиту выносятся следующие научные результаты: ^технические решения, обеспечивающие огневую и тепловую защиту модуля электронной памяти БНИ ВТ в условиях ЧС;
S закономерности влияния различных факторов на эффективность водо-
содержащих огнезащитных составов для замкнутых объемов; ^ результаты экспериментальных исследований разработанного композиционного огнезащитного состава.
Структура и объем работы Диссертация состоит введения, шести глав, заключения, четырех приложений и списка литературы. Общий объем диссертации 147 с, из которых: основного текста - 130 с, библиографии - 103 наименования.
Понятие огнестойкости объекта
По данным статистики международной организации гражданской авиации [4], до 20% аварий воздушных судов происходит с возникновением пожара или взрыва. Из них 42% происходит на аэродроме или в приаэродромной зоне шириной 400 м, 25% - в полосе шириной 400-800 м от аэродрома, 33% - на расстоянии более 800 м. По данным американских служб авиации установлено, что, несмотря на улучшение технологии производства самолетов, удельное количество авиапроисшествий, связанных с пожарами самолетов, снижается в 4,3 раза медленнее, чем общее количество авиапроисшествий, напротив доля авиапроисшествий, связанных с пожаром, возрастает примерно на 0,22% в год. В среднем, гибель пассажиров при одном пожаре воздушного судна возрастает приблизительно на 1% в год [4,5]. Статистика подчеркивает необходимость принятия мер, направленных на повышение безопасности авиаперелетов. Возникает особая потребность в тщательной оценке причин авиакатастроф, особенно связанных с техническими неполадками. Большое влияние на расследования причин катастроф, оказывает информация, записанная на бортовой накопитель информации, и, соответственно, должны быть приняты меры по ее защите и сохранению. Так как часто авиакатастрофы связаны с пожарами воздушных судов, и поэтому, особое внимание уделяется защите бортовых накопителей информации от воздействия огня, особенно учитывая тот факт, что пожарная нагрузка и потенциальная пожарная опасность воздушного транспорта растет [6,7]. 1.2 Анализ пожарной опасности воздушных судов
Пожароопасность воздушных судов обусловлена большим запасом на борту горючих жидкостей, малой огнестойкостью конструкций, возможностью нахождения большого количества людей и грузов. Современные, воздушные суда несут большое количество горючих материалов - в основном твердые и жидкие. В качестве топлива на судах используется керосин, количество которого может достигать несколько десятков тонн и составляет 50-60% взлетной массы самолета. Кроме того, на воздушных судах может находиться до 500 л моторных масел в системе охлаждения двигателей, в гидросистеме – гидрожидкость (от 50 до 200 л), а на таком самолете, как ИЛ-86, гидросистема содержит 3,5 м3. Для внутренней отделки самолетов зачастую используют различные пластмассы и синтетические материалы, общее количество которых, достаточно велико. При пожаре воздушных судов при горении разлитого керосина максимальная температура на пожаре составляет 1100С. Температура горения остальных типичных для воздушных судов горючих веществ и материалов оказывается менее 1100 С [6,2,3,4,7,8]. Имеют место и пожары шасси [4]. Они возникают, в основном, при взлете и посадке воздушного судна и связаны главным образом с горением трех видов материалов: резины, гидрожидкости и алюминиево-магниевых сплавов. Наиболее частой причиной пожаров является разрушение гидросистемы шасси [4]. Гидрожидкость, попадая в разогретый до высокой температуры (300-600С) тормозной барабан, воспламеняется, что приводит к загоранию резины колес. Развивающаяся при этом высокая температура может привести к загоранию магниевых сплавов барабанов колес тележки шасси, которое наступает обычно через 6-8 минут пожара. Пожар шасси может привести к взрыву амортизаторов стойки, распространению пожара в гондолу шасси и на крыло или фюзеляж самолета. В процессе проведения специальных экспериментальных исследований наблюдались случаи, когда действие высокой температуры пожара приводило к взрыву гидроаккумуляторов и амортизирующих стоек. При этом энергией взрыва они отбрасывались на 100-150 м.
Как правило, тепловое воздействие пожара на БНИ ВТ происходит на земле в месте столкновения летательного аппарата с препятствием [6,7]. Опасными факторами пожара для БНИ ВТ являются пламя и тепловое излучение. При решении задач, связанных с разработкой системы защиты БНИ ВТ, важно знать динамику развития пожара, которая характеризуется: скоростью выгорания пожарной нагрузки; продолжительностью пожара; площадью пожара; температурным режимом пожара. Основным фактором, определяющим параметры пожара, является вид и количество пожарной нагрузки. Как правило, для описания и исследования пожаров воздушного судна, за основную пожарную нагрузку принимают массу авиационного керосина [4,9,10,11,12]. Опыт расследования авиапроисшествий показывает, что при столкновении воздушного судна с преградой, топливо разбрызгивается на значительное расстояние, площадь пожара достигает нескольких сотен квадратных метров (400..500 м2 и более) [4,13].
Согласно требованиям международной организации гражданской авиации за расчетный параметр принимается площадь практической критической зоны, которая связана с линейными размерами самолета следующими эмпирическими соотношениями [9]. при ; (1) при , (2) где l - длина самолета, м; d - диаметр фюзеляжа, м. Зная массу топлива и площадь пожара можно определить продолжительность пожара. Время, определенное таким образом для различных летательных аппаратов, изменяется в широких пределах от 5 до 40 минут и выше. Натурный эксперимент по сжиганию списанного самолета с 20 тоннами топлива показал, что по истечении 17 мин самолет полностью сгорел [9,3] Максимальной продолжительностью возможного пожара, без учета действий по тушению пожара, принято считать время выгорания всего топлива и горючих элементов судна. Обычно время выгорания топлива значительно превосходит время выгорания твердых горючих материалов. Таким образом, временем пожара можно считать время полного выгорания топлива [9,3,4]. В [3] описывается авария самолета АН-124 «Руслан», происшедший 06.12.97 г. При анализе аварии установлено, что в момент падения самолета запас горючего составил 110 тонн. В соответствии со справочными данными, а также опытных данных при падении самолета в момент вспышки может выгореть более 1% горючего, т.е. 1,1 т.
Факторы приводящие к потере информации. Требования по защите бортовых накопителей информации воздушного транспорта
В нашей задаче необходимо найти такой материал, который обеспечивал бы тепловую защиту модуля электронной памяти при одночасовом воздействии на изделие внешнего пламени с температурой 1100оС и десятичасовом воздействии с температурой 260оС. При этом температура в месте установки микросхемы памяти не должна превышать 150оС при нахождении в испытательной установке и после огневого воздействия (в процессе остывания). Температура 150С является критической для многих элементов электронной памяти [13].
Время достижения температуры 150оС в центре шара при одинаковых внешних условиях зависит от теплофизических характеристик выбранного материала, а, именно, от теплопроводности, теплоемкости и плотности. Теплопроводность определяет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности при температурном градиенте равном единице [68].
В общем случае коэффициент теплопроводности имеет различные значения для различных веществ. Для данного вещества теплопроводность зависит от его физических характеристик, температуры, давления, влажности и структуры. Для веществ, имеющих практическое применение, не удалось установить аналитическую зависимость коэффициента теплопроводности от физических характеристик вещества [28,69].
При инженерных расчетах значения коэффициента теплопроводности выбираются из справочных таблиц, составленных по опытным данным.
Опыт показывает, что для материала определенной структуры и влажности, находящегося при атмосферном давлении, теплопроводность зависит от температуры.
Для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость теплопроводности от температуры можно принять линейной , где: -значение коэффициента теплопроводности при температуре ; -постоянная, определяемая опытным путем [68].
Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов лежит в пределах от 0,02 до 2,5 , причем с повышением температуры он возрастает. Как правило, с увеличением плотности материала теплопроводность растет. Она зависит от структуры материала, его прочности и влажности. Наличие пор во многих строительных и теплоизоляционных материалах не позволяет рассматривать их как сплошную среду. Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел в значительной степени зависит от плотности [50,70,71].
Такое положение объясняется тем, что с увеличением плотности материала уменьшается количество воздуха в порах, у которого значительно меньше, чем у твердой части пористого тела. Для влажного материала теплопроводность значительно больше, чем для сухого и для воды в отдельности. Это объясняется конвективным переносом тепла, возникающим вследствие капиллярного движения внутри пористого материала, а также тем, что абсорбционно-связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой.
В нашей задаче при определении коэффициента теплопроводности будем исходить из зависимостей температуры от времени и теплопроводности от температуры. Температура от времени зависит экспоненциально, а от Т линейно. Но, учитывая, что прогрев происходит быстро и температура окружающей среды скоро выходит на стационар, а также принимая наиболее жесткие условия, следует брать теплофизические свойства при 1100оС и 260оС.
Рассматриваемый случай представляет собой решение известной задачи передачи через многослойную стенку. Аналитическое решение задачи отсутствует, поэтому применяют метод последовательного приближения [72].
Для решения задач нестационарной теплопроводности, особенно при нагревании или охлаждении тел простой геометрической формы (плоская стенка, цилиндр, шар) часто используют метод конечных разностей [70,28,69]. В основе этого метода лежит допущение о возможности замены, например в уравнении теплопроводности, бесконечно малых изменений температуры во времени и пространстве малыми, но конечными, ее изменениями. Тем самым непрерывно протекающий процесс изменения температуры в теле при его нагревании или охлаждении заменяется скачкообразным процессом. Отличительной особенностью применения численных методов является дискретизация пространственной и временной областей на первом же этапе решения задачи. При дискретизации выбираются условные точки в пространственной и временной областях.
Лабораторная установка для огневых испытаний бортовых накопителей в режиме 1100 С
В ходе приготовления состава выяснилось, что состав недостаточно хорошо формуется и быстро затвердевает.
Проведены испытания полномасштабных макетов БНИ ВТ, защищенных разработанным составом, на установках и по методикам, описанным в предыдущей главе. Макеты оснащались огнезащитным составом, в центр изделий устанавливались термопары. Время достижения критической температуры при испытаниях в режиме 260С составляло 6 - 6,3 часов; при испытаниях в режиме 1100С - 35-40 мин. Причем, при испытаниях в режиме воздействия температуры 1100С эффект стабилизации температуры в районе 100 С был не явно выражен, т.е так называемая «полка» была смазана. При извлечении образцов из испытательных установок, наблюдалось: дальнейший рост температуры в центре изделий на 10-15 С. при испытаниях в режиме 260С и 15-20С при испытаниях в режиме 1100С; в местах сопряжения полусфер корпуса макета часть состава была выдавлена наружу, причем в установках обнаружены следы брызг состава; в образце, прошедшем испытания в режиме 1100С, примерно 30% по объему огнезащитного состава расплавилось и частично вытекло. Рост температуры внутри образца обусловлен инерционностью тепловой волны. Выдавливание части состава и его разбрызгивание свидетельствует о повышении давления внутри образца вследствие большого сопротивления выходу водяного пара. Выдавливание и разбрызгивание части огнезащитного состава из корпуса через неплотности при испытаниях, по видимому, связано с отсутствием дренажных отверстий для выхода пара, в результате чего создавалось избыточное давление пара, который выходя через неплотности, захватывал часть состава. В ходе дальнейших исследований были проведены эксперименты в которых в корпусах макетов имелось различное количество отверстий. При этом выдавливания и разбрызгивания части состава не происходило. Кроме того, увеличивалось время достижения критической температуры. Это подтверждает вышеизложенное предположение о необходимости дренажных отверстий. Малое время огневой защиты при 1100С обусловлено тем, что огнезащитная масса при температуре испытания плавилась и вытекала. Для устранения этого недостатка было принято решение несколько видоизменить состав композита в сторону повышения тугоплавкости путем уменьшения содержания связующего и увеличения более тугоплавкого компонента. В результате дополнительных аналитических и экспериментальных исследований состав был откорректирован следующим образом: компонент Х1 - 25% компонент Х2 - 5 % компонент Х3 - 45 % компонент Х4 - 25 %
Данный состав более технологичен, лучше формуется и не плавится при высоких температурах. Он представляет собой полусухую творожистую массу, хорошо поддающуюся прессованию и формовке. Испытания образцов, защищенных этим составом показали, что время наступления критической температуры при температурном воздействии 1100С составило 48 минут, при температурном воздействии 260 С - 7 часов 20 минут. Необходимо исследовать свойства данного состава и выявить факторы, влияющие на его огнезащитную эффективность. Это позволит наиболее эффективно использовать разработанный состав для создания тепловой защиты БНИ ВТx
Многие исследователи процесса прогрева водосодержащих материалов упоминают об эффекте стабилизации в течение продолжительного времени температуры защищаемой поверхности при монотонном росте температуры окружающей среды (например, газовой среды — по стандартному температурному режиму). Кривые зависимости температуры защищаемой поверхности от времени в этих случаях имеют «полку» на уровне 100 С [54,42,6,56,90,91,92,45,48,93,94,95,96]. Наблюдается, на первый взгляд, парадоксальное явление: при монотонном росте температуры нагреваемой поверхности огнезашиты такого типа температура защищаемой поверхности в течение довольно продолжительного времени практически не растет.
Исследование влияния различных компонентов на огнезащитную эффективность состава в двух температурных режимах и обработка результатов
В настоящей работе исследовались возможные технические решения, которые позволили бы обеспечить выполнение нормативных требований к БНИ ВТ с использованием разработанного состава. Экспериментально нами установлено, что повысить эффективность рассматриваемой тепловой защиты можно путем введения в толщу композита прослоек из алюминиевой фольги. На рис. 24 представлены фотографии разреза слоя огнезащитного состава с прослойками из фольги после испытаний в режиме 260С.
Расстояние между металлическими прослойками составляло 10 мм. В образцах было по 2 прослойки, которые разделяют всю массу состава на три части. При этом, время достижения критической температуры (150 С) в центре образца увеличилось на 25-30%.
Введение в композиционную огнезащиту тонкой промежуточной прослойки из непрозрачного для теплового излучения материала с хорошей отражательной способностью приводит к дополнительному снижению теплового потока в защищаемую конструкцию [42]. Кроме того, описанные в 3 разделе 5 главы настоящей работы исследования, показали, что при наличии в пористом материале жидкой фазы, скорость его прогрева до температуры кипения этой жидкости повышается по сравнению с «сухим» материалом [99]. При этом, чем ниже температура кипения этой жидкости, тем выше скорость прогрева до температуры кипения жидкости. Это, видимо, связано с движением паров жидкости в сторону более холодных слоев пористого материала и ее конденсацией там. То есть, помимо прогрева за счет теплопроводности, происходит тепломассоперенос от более нагретых слоев пористого материала к более холодным. Очевидно, что пары жидкостей с более низкой температурой кипения, легче проникают сквозь пористый материал в его более глубокие слои, нежели пары жидкостей с более высокой температурой кипения. Введение прослоек из фольги в толщу материала, по видимому, задерживает продвижение паров воды к центру образца, что замедляет прогрев его до 100С. Кроме того, рассматриваемые прослойки замедляют процесс сушки изделия. Этим, возможно, и обусловлено повышение огнезащитной эффективности разработанного огнезащитного состава. Все предыдущие исследования показали, что повысить время достижения критической температуры в центре БНИ ВТ, защищенного огнезащитным составом на основе кристаллогидратов и солей, разлагающихся при высокой температуре, возможно путем правильной организацией движения паров воды и продуктов разложения из изделия в окружающую среду. С этой целью, между огнезащитным составом и металлическим корпусом изделия был внедрен слой теплоизоляционного пористого материала ТКМ-2П толщиной 2 мм. Как известно [51], современные вспенивающиеся огнезащитные составы, значительно снижают тепловой поток к защищаемому изделию за счет образования при нагреве слоя так называемого пенококса, представляющего собой пористую структуру с малой теплопроводностью. Толщина вспененного слоя во много раз больше чем начальная толщина покрытия. Возможно применение таких покрытий для наружной обмазки защищенного БНИ ВТ, выгодно скажется не только на снижении теплового потока к изделию, но и на организации движения продуктов разложения, создавая дополнительное препятствие тепловому потоку и снижению скорости сушки
В настоящей работе исследована возможность повышения эффективности тепловой защиты посредством нанесения на наружную поверхность изделия огнезащитного вспучивающегося покрытия (ОВП).
При выборе ОВП необходимо учесть, что толщина его слоя должна быть минимальной, при этом огнезащитная эффективность и толщина вспененного слоя - насколько возможно максимальной. Это связано с возможными механическими воздействиями на БНИ ВТ, что может привести к повреждению части слоя ОВП. Очевидно что способность ОВП к адгезии и толщина слоя покрытия играют первоочередную роль в возможности сохранения покрытия после механических воздействий.
