高清可复制 HB 7399-2022 民用飞机机舱内部非金属材料热释放速率试验方法

　　ICS 49.020 V 10

　　民用飞机机舱内部非金属材料热释放速率

　　试验方法

　　Heat release rate test method for cabin nonmetallic material installed

　　in the fuselage for civil aircraft

　　2022-04-24 发布 2022-10-01 实施

　　中华人民共和国工业和信息化部 发 布

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1-2009《标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写》给出的规则起草。

　　本标准代替 HB 7399-1996《民用飞机舱内材料热释放速率试验方法》。

　　本标准与 HB 7399-1996 相比的主要技术变化如下：

　　——标准名称修订为《民用飞机机舱内部非金属材料热释放速率试验方法》;

　　——增加图 1“热释放速率测试全系统图 ”;

　　——上燃烧器增加了 3 孔燃烧器、15 孔燃烧器;

　　——修改试样盒结构;

　　——平均值的计算部分统一修改成试验结果的处理;

　　——修改试验报告。

　　本标准由中国航空综合技术研究所归口。

　　本标准起草单位：中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院、中国航发北京航空材料研究院、上海航空工业(集团)有限公司。

　　本标准主要起草人：吕峥烨、李 根、丁 琨、雍 耀、王 薇、曹 伟、刘世英、吴 双、黄莎莎。

　　本标准及其所代替文件的历次版本发布情况为：

　　——1996 年首次发布为 HB 7399-1996;

　　——本次为第一次修订。

　　民用飞机机舱内部非金属材料热释放速率

　　试验方法

　　1 范围

　　本标准规定了民用飞机机舱内部非金属材料热释放速率试验的试验设备、试样以及试验方法、步骤、试验报告和判据等要求。

　　本标准适用于民用飞机机舱内部非金属材料热释放速率试验。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本标准。

　　2.1

　　热释放量 heat release

　　材料燃烧时所放出热能的量值，以每单位面积的能量(kW ·min/m2)表示。

　　2.2

　　热释放速率 heat release rate

　　材料燃烧时放出热能速率的量值，以每单位面积的功率(kW/m2)表示。

　　2.3

　　热流密度 heat flux density

　　材料燃烧时所经受的辐射热环境的强度，以单位面积的功率(W/cm2)表示。

　　3 试验设备与材料

　　3.1 热释放速率仪

　　热释放速率仪如图 1 和图 2 所示：

　　a) 设备的所有外表面，除了操作箱外，应采用 25mm 厚的低密度耐高温玻璃纤维隔热;

　　b) 试样投放杆采用滑动方式通过气密门，以确保试验箱的气密性。

　　3.2 热电堆

　　热电堆用于测量空气进入或离开试验箱的温度：

　　a) 热电堆由五个冷端和五个热端的铬铝热电偶连接而成，如图 3 所示;

　　b) 热电偶的接点直径为(1.3±0.3)mm，每个接点离绝缘保护层至少 19mm，冷端接点在空气分配板下面，热端接点在烟囱顶部平面下方 10mm 处，其中一个热端接点在烟囱横截面的中心，其余四个热端接点在烟囱横截面的对角线上，离中心热电偶 30mm。

　　3.3 辐射热源

　　辐射热源的要求如下：

　　a) 使用 LL 型、(508×16)mm ，名义电阻 1.4Ω,能产生高达 10W/cm2 热流密度的四个碳化硅元件作为辐射热源，如图 4 所示;

　　b) 辐射热源需配备精密、可调整、稳压电源，能提供 12.5kVA 的功率;

　　c) 当试样表面的热流密度设定在 3.5W/cm2 时，其偏差应不大于 5%，使用一块截去顶端的不锈钢菱形挡板，厚度(1.07±0.05)mm ，在垂直试样的表面形成均匀的热流密度，可用热流传感器测量试样表面中心及其四个角的热流密度值，来确定辐射热源的均匀性;

　　d) 试样表面位置的热流密度应周期性地进行检查，更换加热元件后应再次检查。

　　标引序号说明：

　　1-上热电堆接插件;2-隔板;3-上燃烧器;4-试样;5-火焰观察窗;6-4 根碳化硅棒;7-下引燃燃烧器; 8-8 孔空气分配板;9-48 孔的空气歧管;10-铰链板;11-铰链;12-通气孔;13-下热电堆接插件

　　图 1 热释放速率设备侧面示意图

　　标引序号说明：

　　1-热电偶平面;2-隔板;3-去尖菱形挡板;4-试验箱体;5-120 孔第二级空气分配板;6-空气分配下部箱体; 7-烟囱;8-外锥体;9-内锥体;10-48 孔的空气歧管;11-8 孔空气分配板;12-热电偶;13-进气口

　　图 2 热释放速率设备正面示意图

　　标引序号说明：

　　1-热端热电偶(排气口)连接(烟囱);2-热电偶接插件(可选择);3-下部试验箱内冷端热电偶(进气口)连接注：Y 代表黄色(+)，R 代表红色(-)。

　　图 3 热电堆示意图

　　标引序号说明：

　　1-反射板;2-菱形板

　　图 4 碳化硅热辐射板侧视示意图

　　3.4 空气分配系统

　　空气分配系统的要求如下：

　　a) 进入设备的空气温度约为(21～24)℃, 流速 0.04m3/s，空气流量用安装在输入管上的孔板流量计测量;

　　b) 空气由两块孔板进行分配后进入试验环境箱，第一块铝板上有 8 个直径为(5.30±0.03)mm 的孔，孔中心距为 102mm，孔边距 51mm，其上方约 152mm 处为第二级空气分配板，板上有 120个等间距、直径为(3.60±0.03)mm 的孔，见图 1 和图 2;

　　c) 在试验箱锥形体底部的供气管 内侧，距离供气管 10mm 处，有 48 个等间距 的直径(3.70±0.03)mm 的钻孔，使设备内空气大约按 3:1 的比例分流，见图 1。

　　3.5 排气管

　　排气管安装在锥体出口上，管道底部平面上方 76mm 处，有一块垂直于气流方向的不锈钢隔板，见图 1 和图 2。

　　3.6 试样盒

　　试样盒由盒体和滴落物槽组成：

　　a) 盒体：

　　1) 试样盒用(0.46±0.05)mm 厚的不锈钢板制造，盒体用固定支架连接在试样投放杆上，如图 5 所示;

　　2) 每个盒体应带有一个 V 型弹簧压板，可根据试样的不同厚度，把固定杆插入盒体上不同位置的孔内，从而改变弹簧压板的位置;

　　3) 每个盒体的前表面有两根垂直不锈钢丝，固定试样盒内的试样。

　　b) 滴落物槽：

　　1) 滴落物槽用法兰盘连接在试样盒上，见图 6;

　　2) 滴落物槽用来防止熔融试样滴落到下燃烧器上;

　　3) 可在滴落物槽内衬上铝箔，铝箔无光面向上。

　　标引序号说明：

　　1-弹簧板;2-定位框;3-不锈钢丝

　　图 5 试样盒示意图

　　图 6 滴落物槽示意图

　　3.7 热流传感器

　　使用水冷式、箔型热流传感器， 测量试验开始时试样表面中心辐射热的热流密度。热流计量程范围为(0～17)W/cm2，精度为±3%。

　　3.8 燃烧器

　　燃烧器分为上燃烧器和下燃烧器，分别放置在试样顶部和底部，见图 1：

　　a) 下燃烧器

　　1) 下燃烧器的位置如图 1 所示，其中心线垂直于试样表面，位于试样下暴露面上方 5mm 处，其端口距离试样表面 10mm;

　　2) 可安装电火花点火器，确保下燃烧器火焰熄灭时间不超过 3s，点火器的电路示意图，见图 7 所示;

　　3) 调节燃气(甲烷-空气)比例，火焰的内焰长度约和燃烧器管径相同。

　　b) 上燃烧器

　　1) 上燃烧器的管长约 381mm ，一端应封闭，应放置在距离试样外露面上缘的上方 20mm 和后方 20mm 处，管上有 3 个钻孔作为燃气孔，同向喷射，中间的孔应指向辐射源并垂直于试样暴露表面且通过其垂直中心线的垂直面;

　　2) 可用 14 或 15 孔的上燃烧器代替上述 3 孔上燃烧器，管的一端应封闭，管上应钻有 14 或

　　15 个孔作为燃气孔，水平指向辐射加热源，见图 7，孔间距 13mm ，第一个孔距封闭端13mm;

　　3) 调节燃气(甲烷-空气)比例，使火焰长 25 mm，约有 6mm 长的焰尖呈现黄色。

　　标引序号说明：

　　1-开关;2-变压器;3-点火器;4-经 RI 继电器流入

　　图 7 下燃烧器电火花点火器线路示意图

　　3.9 校准燃烧器

　　提供如图 8 所示的 T 型校准燃烧器，用气密接头把校准燃烧器安装在下燃烧器燃气管的端头。T 型校准燃烧器的出气口高度与下燃烧器的出气口高度基本相同。

　　标引序号说明：

　　1-燃烧器管;2-试样盒;3-通气孔

　　图 8 上燃烧器-15 孔燃烧器示意图

　　3.10 湿式测试仪

　　用精确到 0.2L/min 的湿式测试仪来测量通向校准燃烧器的气体流量。

　　3.11 计时器

　　提供计时精度不低于 1s 的秒表或其他计时器。

　　3.12 校准气体管路

　　3.12.1 安装湿式测试仪，保证湿式测试仪处于水平位置，并注满蒸馏水。

　　3.12.2 在湿式测试仪的进气端，应安装一个能控制校准气体流量的装置。该装置应配有可预先调整好气体流量的孔，提供 1L/min、4L/min、6L/min 和 8L/min 流量的校准气体(未作现场水蒸气校正)，并用湿式测试仪的转速来显示。每个孔的输出由流量选择开关控制， 进入单向流动的气体管路，使流到校准燃烧器的校准气体流量可选择为 1L/min、4L/min、6L/min、8L/min。

　　3.12.3 确定每个流量的实际值、修正值、温度(℃)，精确到 0.2L/min，并用于校准计算中。

　　3.13 燃气

　　甲烷：纯度至少为 99%。

　　4 试样

　　4.1 尺寸

　　4.1.1 试样的标准尺寸是150- mm × 150- mm。

　　4.1.2 实际厚度小于等于 45mm 时，试样厚度与实际使用的厚度一致。若实际厚度超过 45mm 时，用45mm 厚的试样进行试验。

　　4.2 数量

　　每种材料至少试验三个试样，对各向异性的材料，每个方向至少试验三个试样。

　　4.3 预处理

　　4.3.1 试验时，每个试样应只暴露一个表面。试验前用单层(0.03±0.01)mm 厚的铝箔紧紧包覆所有未暴露面，铝箔的无光面朝向试样。铝箔应连续，不能撕破。

　　4.3.2 试验前，试样应在(21±3)℃、50%±5%相对湿度的条件下预处理至少 24h。

　　5 校正因子的测定

　　5.1 用如图 9 的校准燃烧器替代下燃烧器。

　　图 9 校准燃烧器示意图

　　5.2 根据湿式测试仪的内部温度，确定环境温度和水蒸气压。

　　5.3 打开气源。

　　5.4 打开空气分配系统，调整进气管路孔板两端压差至 26.7kPa(200mmHg)。

　　5.5 打开辐射加热源，保证热流密度是(3.50±0.05)W/cm2。

　　5.6 用 8 L/min 流量甲烷气，预处理试验箱体 2min。作为校准部分，不记录此时的热电堆输出。

　　5.7 用校准气体管路，选定流向校准燃烧器的甲烷流量为 1L/min(基准流量)，点燃燃烧器。测量热电堆输出的基准电压。

　　5.8 依次把流向燃烧器的气体提高到一个高流量，再降低到基准流量。在每个流量燃烧 2min 后，监测热电堆的输出电压(mV)10s，记录其平均值。甲烷流量提高和降低的顺序： (1-4-1-6-1-8-1 -6-1-4)L/min。

　　5.9 对上述每一个流量上升步骤，即：(1-4，1-6，1-8，1-6，1-4)L/min，用公式(1)得到校准因子：

　　kh

　　式中：

　　kh ——校准因子，kW/ (m2 ·mV);

　　Ta ——环境温度，K;

　　Pa ——环境大气压，mmHg;

　　Pv ——湿式测试仪水温的水蒸气压力，mmHg;

　　F1 ——较高流量校准气体的实测值，L/min(4、6、8);

　　F0 ——基准流量甲烷的实测值，L/min(大约 1L/min);

　　V1 ——较高流量时的热电堆电压，mV;

　　V0 ——基准流量时的热电堆电压，mV。

　　5.10 求出五个结果的平均值，计算出相对标准偏差的百分比。若相对标准偏差的百分比大于 5%，要重新测定校准因子。若相对标准偏差百分比小于 5%，这个平均值就作为校准因子。

　　6 试验步骤

　　6.1 按第 4 章要求准备试样。

　　6.2 按第 5 章要求得到校准因子。

　　6.3 确认并调整进气管路孔板两端的压差至 26.7kPa(200mmHg)，进入设备的空气流量为 0.04m3/s。

　　6.4 接通碳硅棒电源，使之在试验位置上的试样前表面中心的辐射热流密度为(3.50±0.05)W/cm2。

　　6.5 按 3.8 检查燃烧器的位置，点燃燃烧器，确认上、下燃烧器的甲烷-空气的混合比例和燃烧器火焰状况。下燃烧器若使用电火花点火器，使其处于工作状态。

　　6.6 每次试验前，从预处理箱内取出一个试样。在试样背面和压板之间放置定位框。

　　6.7 在辐射热防护门关闭的情况下，将试样放入操作箱。关闭外层气密门并起动记录装置。试样在操作箱内放置(60±10)s。

　　6.8 在试样被放入燃烧室前的最后 20s 时间里，至少每秒记录一次热电堆的输出电压(mV)，作为基准流量热电堆读数(mV)的平均值 V。

　　6.9 在记录了基准读数后，在 3 s 时间内，打开辐射热防护门，把试样送入燃烧室，关闭辐射热防护门。在试验的持续时间内，至少每秒记录一次热电堆的输出电压Vt (mV)。

　　6.10 试验过程中应观察并记录燃烧器火焰的熄灭情况。在试验过程中， 在任意时刻，上燃烧器中三个火焰或超过三个火焰同时熄灭，且熄灭时间超过 3s 或下燃烧器火焰在任意时刻的熄灭时间若超过 3 s，则该次试验的任何试验数据无效。

　　6.11 试验进行 5min 后，应终止试验，取出试样。

　　6.12 用热电堆输出的电压读数，按公式(2)得出任意时刻的热释放速率。

　　Rt = kh × (Vt - V)……………………………………………(2)

　　式中：

　　Rt ——某一时刻 V 的热释放速率，kW/m2;

　　Vt ——某一时刻 t 的电热堆电压，mV;

　　V ——基准流量时的电热堆电压，mV。

　　6.13 测定和记录 5min 试验期间的最大热释放速率。

　　6.14 测定和记录最初 2min 时间的总热释放量。

　　6.15 每个试样试验后，清洁热电堆的热端接点，去除烟灰。不得变动热电偶的位置， 以确保后续试验时，热电偶仍处在相同的位置上。

　　6.16 重复 6.6～6. 15，直至试验结束，对各向异性的材料取最大试验结果。

　　7 试验结果的处理

　　7.1 计算并记录所有试样的“5min 试验期间最大热释放速率的平均值 ”。

　　7.2 计算并记录所有试样的“最初 2min 时间的总热释放量的平均值 ”。

　　8 试验报告

　　试验报告应至少包括以下主要内容：

　　a) 材料描述(材料名称、材料牌号、材料批号、材料标准等);

　　b) 送样单位;

　　c) 试样尺寸及数量;

　　d) 预处理条件;

　　e) 环境条件;

　　f) 批准放行证书/适航批准标签编号(适用于适航验证试验);

　　g) 试验用上燃烧器类型;

　　h) 校准因子;

　　i) 本标准编号;

　　j) 试验结果;

　　k) 现象说明;

　　l) 试验日期和人员。

　　参考文献

　　[1] CCAR25-R4 运输类飞机适航标准

　　[2] FAR25-R4 Department of transportation, Federal aviation administration regulation

　　[3] DOT/FAA/AR-00/12 Aircraft Materials Fire Test Handbook