Введение

Анализ авиационных транспортных происшествий показал, что основными факторами, приводящими к жертвам, являются удар о землю и пожар. От воздействия огня погибает ~30% жертв катастрофы [1].

Обеспечение пожарной безопасности авиационной техники влечет за собой два различных  мероприятия: пожарная безопасность в полете и выживаемость при пожаре после катастрофы.

В отличие от пожаров в полете, которые происходят от относительно небольших источников воспламенения и при которых, как правило, требуется некоторое время, чтобы произошло распространение пламени, пожары после катастрофы являются крайне тяжелыми вследствие их быстрого развития [2]. В большинстве случаев пожар происходит из-за возгорания большого количества пролившегося горючего. Основной проблемой пожаров этого типа является проникновение огня в самолет, вследствие чего начинается горение материалов интерьера с выделением токсичных продуктов горения и дыма, что создает плохие условия при эвакуации пассажиров (термоингаляционные поражения верхних дыхательных путей, плохая видимость, паника). Согласно статистическим данным, ~40% пассажиров, которые выживают в авиационном происшествии, потом погибают при пожаре посткатастрофы [3–5]. В связи с этим необходимо обеспечить повышенную стойкость к сквозному прогоранию элементов внешнего контура фюзеляжа самолета. Эта задача может быть решена заменой алюминиевых сплавов, использующихся для изготовления обшивок фюзеляжа авиационной техники, на материалы, обеспечивающие повышение огнестойкости внешнего контура [6, 7].

Постоянное повышение требований к различным характеристикам современных летательных аппаратов (более низкий уровень шума в салоне [8], развитие более высоких скоростей полета, повышенная пожаробезопасность [9] и комфорт пассажиров) приводит к необходимости усовершенствования тепловой звукоизоляции [10]. Следовательно, одним из актуальных направлений полимерного материаловедения являются исследования по разработке материалов с максимально улучшенным комплексом физико-механических свойств, обеспечивающих необходимый ресурс и работоспособность техники и технологического оборудования в экстремальных климатических условиях [11, 12], что отмечено в Стратегических направлениях развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [13–16].

Материалы и методы

Для получения волокон с уникальными свойствами, с целью последующего изготовления на их основе авиационных матов, наиболее приемлемым сырьем являются базальты – высокостабильные по химическому и минералогическому составу экструзивные горные породы магматического происхождения, запасы которых в мире практически неисчерпаемы. Получают базальтовые волокна при одностадийном технологическом процессе из однокомпонентного дешевого сырья [17], что значительно снижает их себестоимость по сравнению с другими волокнами, производимыми по многостадийным технологическим схемам. Главными преимуществами базальтовых волокон являются: широкий диапазон температур применения (от -260 до +900°С), стабильность свойств даже при продолжительной эксплуатации в разнообразных условиях, высокая стойкость в агрессивных средах и вибростойкость, низкая гигроскопичность, хорошая адгезия к различным связующим, пожаробезопасность, экологическая безопасность (не выделяют опасных для здоровья людей веществ в воздушной и водяной средах), долговечность. Материалы и изделия на основе базальтовых волокон отличаются высокими конструкционными, теплозвукоизоляционными, диэлектрическими свойствами, позволяющими широко использовать их в различных отраслях промышленности: космической, авиа-, судо-, автомобилестроении, химической, нефтеперерабатывающей и др. [10, 11, 18–21].

В данной работе проведены исследования по определению характеристик пожарной безопасности (продолжительность остаточного самостоятельного горения, длина прогорания) материала тепловой звукоизоляции (ТЗИ) фюзеляжа с различными защитными покрытиями, а также составляющих компонентов ТЗИ материала (защитных пленок) в условиях воздействия теплового потока согласно требованиям
АП-25 п. 25.856(а) Приложение F, Часть VI [21].

Этот метод испытания предназначен для оценки характеристик воспламеняемости материалов при одновременном воздействии радиационного теплового потока и пламени горелки. Продолжительность воздействия пламенем горелки составляет 15 с. Согласно авиационным нормам, пламя не должно распространяться за пределы расстояния, равного 51 мм влево от точки воздействия пламени, инициирующего воспламенение пилотной горелки. Продолжительность остаточного самостоятельного горения образца не должна превышать 3 с после удаления пламени пилотной горелки.

Испытания проводили в камере CSI‑195FAA (фирма Custom Scientific Instruments, США) с панелью теплового излучения, полностью соответствующей авиационным нормам к оборудованию по проведению данного вида испытаний. Стенки и верх камеры покрыты волокнистой керамической изоляцией. Для наблюдения за образцом во время испытаний на передней стенке камеры установлено термостойкое стеклянное окно, под которым имеется дверца для обеспечения доступа к подвижному держателю платформы с образцом. Дно испытательной камеры представляет собой скользящую стальную платформу со средствами крепления держателя испытываемого образца в фиксированном горизонтальном положении. Для испытаний использовали образцы размером 483×273 мм (3 параллельных образца на 1 точку).

В процессе эксплуатации материалы, даже не находящиеся непосредственно на внешнем контуре самолета, подвергаются воздействию климатических факторов (повышенная и пониженная температуры, повышенная влажность, изменение атмосферного давления) [23]. Вследствие этого могут меняться их служебные характеристики (масса, механические свойства, теплопроводность, звукопоглощающая эффективность и др.) [24]. Для предотвращения негативного воздействия факторов климата на теплозвукоизоляционные маты используются различные защитные покрытия.

Для проведения исследований изготовляли образцы перспективного материала тепловой акустической изоляции с различными защитными покрытиями.

Состав образца материала тепловой акустической изоляции: 1 – слой из нетканого иглопробивного материала; 2 – теплозвукоизолирующий слой; 3 – облицовочный термостойкий материал; 4 – защитное покрытие

Звукотеплоизолирующий материал содержит следующие слои (см. рисунок):

– теплозвукоизолирующий слой на основе неорганического волокна, пропитанного термостойким связующим, облицованный термостойким материалом. В качестве неорганического волокна используются базальтовое и кремнеземное волокна, а в качестве облицовочного термостойкого материала – кремнеземная ткань. Базальтовое волокно – благодаря низкому коэффициенту теплопроводности – придает материалу хорошие теплоизоляционные свойства, а кремнеземное волокно обеспечивает стойкость к прогоранию при воздействии пламени (температура плавления волокна выше температуры пламени). Облицовочный термостойкий материал предохраняет теплозвукоизолирующий слой от загрязнения и осыпания, обеспечивая сохранение свойств в процессе эксплуатации;

– слой из нетканого иглопробивного материала на основе арамидных волокон, пропитанного фенолформальдегидной смолой. Данный слой, имея высокую плотность, в сочетании с теплозвукоизолирующим слоем низкой плотности, облицованным термостойким материалом, обеспечивает повышение коэффициента затухания звуковой волны;

– слой защитного покрытия, в качестве которого применяется материал на основе стеклоткани или термостойкой полимерной пленки. В данной работе использовали защитные покрытия различных составов:

– пленка полиимидная ПМА;

– пленка фторопластовая Ф-4МД;

– материал СТФ-26;

– материал на основе стеклоткани, пропитанной фторопластом Ф-42;

– полиэфирсульфоновая пленка.

Испытаниям подвергали как отдельные образцы защитных покрытий, так и в составе материала, поскольку термохимические характеристики составных компонентов могут оказывать значительное влияние на характеристики пожаробезопасности материала тепловой акустической изоляции.

Результаты

Результаты исследований представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Результаты испытаний на пожаробезопасность образцов

материала тепловой акустической изоляции

Таблица 2

Результаты испытаний на пожаробезопасность образцов защитных

покрытий тепловой акустической изоляции

Обсуждение и заключения

Установлено, что испытанные образцы материала тепловой акустической изоляции с защитными покрытиями – пленки полиимидная ПМА, Ф-4МБ, стеклоткани СТФ-26 и СТФ-42 – соответствуют требованиям АП-25 п.25.856(а) Приложение F, Часть VI, образцы материала с покрытием на основе полиэфирсульфоновой пленки не соответствуют требованиям данного документа.

Установлено также, что испытанные образцы защитных покрытий теплозвукоизоляционного материала (полиимидная пленка ПМА; пленка Ф-4МБ; ткань СТФ-26, пропитанная связующим Э-30; стеклоткань СТФ, пропитанная фторопластом Ф-42) соответствуют требованиям АП-25 п. 25.856(а) Приложение F, Часть VI.

Таким образом, показано, что в зависимости от вида используемого защитного покрытия существенно меняются регистрируемые характеристики воспламеняемости и распространения пламени при воздействии внешнего теплового потока. Вследствие этого даже негорючий материал с неправильно подобранным защитным покрытием может не соответствовать требованиям нормативных документов и не может быть допущен к применению на изделиях авиационной техники.