飞机外部火灾的模拟实验装置的制作方法

本实用新型涉及飞机外部火灾安全技术领域，尤其是涉及一种飞机外部火灾的模拟实验装置。

背景技术：

飞机是现代高新技术的高度集成，普通民用飞机价格十分昂贵。然而，随着航空业的不断发展，停场飞机的外部火灾事故时有发生，飞机外部火灾问题引起人们的广泛关注和深刻思考。飞机在停场进行牵引、检修、加油及装卸货等过程中，外部环境相对复杂，不可避免会发生火灾事故。外部火灾的火焰的热辐射和热对流均会对飞机表面造成不同程度的损伤，影响飞机外表面完整性、结构支持性、耐腐蚀性等，更有可能影响飞机内部设备受热影响,导致产生难以估量的损伤。

飞机周围的载荷发生火灾所产生的火焰高温热辐射和热对流，对飞机机体内外造成不同程度的损失。飞机周围的火灾载荷来源多种多样，机场周围航站楼廊桥火灾、机场周围施工工地、飞机外挂的相关装置、牵引车辆、泄漏的飞机燃油等等。不同载荷燃烧的火源功率、火源形态、火羽流及射流均不相同，同时着火物与飞机的相对位置不同对飞机造成的影响也不相同，因此，很难判断飞机表面受损最严重区域，更无法确定火灾对飞机内部设备造成的损失情况。

对于开放环境下火灾燃烧，无论是固体火灾、液体火灾、气体火灾、前人通过使用木材、纸箱、正庚烷、航空煤油、甲烷、丙烷等燃料作为实验对象，对其燃烧特性、火焰形态、火羽流及射流等方面开展了大量的深入研究，但是研究主要集中在火灾本身的一些特征上面。尤其是美国的nist和中国科学技术大学火灾重点实验室开展了大量研究，其中nist的hamins等人应用传热原理和能量守恒定律分析燃烧过程中的热传递模式，建立了计算稳态燃烧过程平均燃烧速率的模型。周魁斌基于火焰形态特性提出了一种用于预测火焰辐射的模型。火灾与顶棚、侧壁等相互作用也有大量的实验研究，但都是基于建筑火灾、隧道火灾等受限条件下进行的。hasemi通过实验研究火源撞击平面顶棚无侧墙限制时，火源拓展长度与火源功率关系，并建立了无量纲预测模型。ji等在隧道实验室内研究火源与侧墙的距离对隧道顶棚最高烟气温度的影响，发现顶棚下最高温升与无限制空间时和火灾发生在纵向中心线上时相比有所增加。然而，飞机本身处在开放环境中，且飞机机身为圆筒型，机身表面为弧面，不同相对位置和不同功率火源对飞机造成的何种影响，却鲜有研究。以往的实验数据和燃烧模型均不能很好的预测对弧面顶棚和侧壁的影响。

由于全尺寸火灾实验需要调动大量的人力物力，经济耗费大，受各种因素影响大，条件难以控制，可重复性差，因此不易开展。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种飞机外部火灾的模拟实验装置，可以在实验室中对飞机机身外部不同部位受到不同功率火源的作用时飞机外部表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律进行研究，操作控制简单、成本低、可再现性良好、测量结果可信度高且可重复性强，为机场飞机停放设计、机场灭火救援战术、飞机结构防护等提供科学依据与数据支撑。

根据本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置，包括：

实验台主体，所述实验台主体包括筒型舱和支撑架，所述筒型舱用于模拟实际飞机中部舱段且整体体积小于实际飞机中部舱段，所述支撑架的上端支撑所述筒型舱且所述支撑架高度可调，以使所述筒型舱根据实验需要处于水平状态或倾斜状态，以模拟实际飞机所处的状态；

火源系统，所述火源系统可水平移动且高度可调地布置在所述实验台主体附近，用于根据实验要求提供固体燃料火源、液体燃料火源或气体燃烧火源，以模拟飞机机身外部各区域受到不同功率火源的作用；

数据测量系统，所述数据测量系统包括温度分布测量系统、热辐射通量测量系统和火羽流及射流测量系统；所述温度分布测量系统用于测量实验过程中所述筒型舱外部表面温度分布情况；所述热辐射通量测量系统用于测量实验过程中所述筒型舱外不同位置的热辐射通量变化情况；所述火羽流及射流测量系统用于测量所述筒型舱外部的火焰形态、火羽流及射流特性。

根据本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置，通过筒型舱模拟实际飞机中部舱段且整体体积小于实际飞机中部舱段，并通过支撑架调整筒型舱倾斜角度以模拟真实的飞机状态，通过点燃固体燃料火源、液体燃料火源或气体燃烧火源等不同种类的燃烧火源以真实地模拟实际飞机外部火灾，通过温度分布测量系统对实验过程中筒型舱外部表面温度分布情况进行测量，通过热辐射通量测量系统对实验过程中筒型舱外不同位置的热辐射通量变化情况进行测量，通过火羽流及射流测量系统测量筒型舱外部的火焰形态、火羽流及射流特性进行测量，由此，可以在实验室中利用本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置的实验数据对飞机机身外部受到不同功率火源的作用时飞机外部表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律进行全面研究，操作控制简单、成本低、可再现性良好、测量结果可信度高且可重复性强。此外，火源系统可水平移动且高度可调，可以有效模拟机身外部不同位置的火灾场景，可以在实验室中对飞机机身外部的不同部位受到不同功率火源的作用时飞机外部表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律进行研究，为机场飞机停放设计、机场灭火救援战术、飞机结构防护等提供科学依据与数据支撑。

根据本实用新型的一个实施例，所述筒型舱由内向外依次包括结构支撑内层、隔热夹层和耐高温防火外层，所述隔热夹层设置在所述结构支撑内层的外表面上，所述高温防火外层设置在所述隔热夹层的外表面上。

根据本实用新型进一步的实施例，所述结构支撑内层为钢圆筒内层，所述隔热夹层采用陶瓷纤维制成，所述耐高温防火外层为采用耐高温防火板制成蒙皮包裹在所述隔热夹层的外表上而形成。

根据本实用新型的一个实施例，所述筒型舱可在0～15°的倾斜角度范围之间连续变化。

根据本实用新型的一个实施例，所述支撑架上设有刻度。

根据本实用新型的一个实施例，所述支撑架配置有液压升降装置，以使所述支撑架高度可调。

根据本实用新型的一个实施例，所述支撑架的下端设有第一滑轮。

根据本实用新型的一个实施例，所述火源系统包括主体框架、油盘、气体燃烧器和点火器；所述主体框架的下端设有第二滑轮，所述主体框架的高度可调；所述油盘、所述气体燃烧器和所述点火器均设置在所述主体框架上，所述点火器用于点燃放置在所述主体框架上的固体燃料、所述油盘中的燃油燃料以及所述气体燃烧器中的气体燃料。

根据本实用新型进一步的实施例，所述火源系统还包括电子天平，所述电子天平设置在所述主体框架上，所述油盘设置在所述电子天平上，所述电子天平测量所述液体燃料的燃烧损失质量并将测得的天平电信号反馈给与所述电子天平相连的数据测量装置，以通过与所述电子天平相连的数据测量装置记录处理所述天平电信号并实时动态地呈现所述液体燃料的燃烧损失质量情况。

根据本实用新型进一步的实施例所述固体燃料为木垛或纸箱，所述液体燃料为航空煤油或正庚烷，所述气体燃料为甲烷或丙烷。

根据本实用新型的一个实施例，所述温度分布测量系统包括布置在所述筒型舱外部表面上的热电偶阵列，所述热电偶阵列用于测量实验过程中所述筒型舱外部表面温度并将测得外部表面温度信号反馈给与所述热电偶阵列相连的数据测量装置，以通过与所述热电偶阵列相连的数据测量装置记录处理测得的外部表面温度信号并实时动态地呈现所述筒型舱外部表面温度分布情况。

根据本实用新型进一步的实施例，所述温度分布测量系统还包括红外摄像机，所述红外摄像机用于以图像方式记录实验过程所述筒型舱外部表面温度变化情况。

根据本实用新型的一个实施例，所述热辐射通量测量系统为热辐射计，所述热辐射计有多个，多个所述热辐射计彼此间隔开地布置在所述筒型舱外部，多个所述热辐射计用于测量实验过程中所述筒型舱外部的不同位置的热辐射通量并将测得的热辐射通量信号反馈给与多个所述热辐射计相连的数据测量装置，以通过与多个所述热辐射计相连的数据测量装置记录处理所述热辐射通量信号并实时动态地呈现所述筒型舱外部的不同位置的热辐射通量变化情况。

根据本实用新型的一个实施例，所述火羽流及射流测量系统包括第一高速摄像机和第二高速设摄像机，所述第一高速摄像机和所述第二高速摄像机用于以摄像方式实时测量记录所述筒型舱外部的火焰形态、火羽流及射流特性。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置的热电偶阵列和热辐射计的结构布置图。

图3为本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置的火源系统的结构示意图。

附图标记：

飞机外部火灾的模拟实验装置1000

实验台主体1

筒型舱11支撑架12第一滑轮13

火源系统2

主体框架21第二滑轮211油盘22气体燃烧器23点火器24电子天平25

数据测量系统3

热电偶阵列31红外摄像机32热辐射计33第一高速摄像机34

第二高速设摄像机35

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合图1至图3来描述根据本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置1000。

如图1至图3所示，根据本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置1000，包括实验台主体1、火源系统2和数据测量系统3，实验台主体1包括筒型舱11和支撑架12，筒型舱11用于模拟实际飞机中部舱段且整体体积小于实际飞机中部舱段，支撑架12的上端支撑筒型舱11且支撑架12高度可调，以使筒型舱11根据实验需要处于水平状态或倾斜状态，以模拟实际飞机所处的状态；火源系统2可水平移动且高度可调地布置在实验台主体1附近，用于根据实验要求提供固体燃料火源、液体燃料火源或气体燃烧火源，以模拟飞机机身外部各区域受到不同功率火源的作用；数据测量系统3包括温度分布测量系统、热辐射通量测量系统和火羽流及射流测量系统；温度分布测量系统用于测量实验过程中筒型舱11外部表面温度分布情况；热辐射通量测量系统用于测量实验过程中筒型舱11外不同位置的热辐射通量变化情况；火羽流及射流测量系统用于测量筒型舱11外部的火焰形态、火羽流及射流特性。

具体地，实验台主体1包括筒型舱11和支撑架12，筒型舱11用于模拟实际飞机中部舱段且整体体积小于实际飞机中部舱段，支撑架12的上端支撑筒型舱11且支撑架12高度可调，以使筒型舱11根据实验需要处于水平状态或倾斜状态，以模拟实际飞机所处的状态。可以理解的是，筒型舱11用来模拟实际飞机中部舱段且整体体积小于实际飞机中部舱段，筒型舱11可以按照实际飞机中部舱段1:2的比例构造，例如，筒型舱11的内径可以为2045mm，外径可以为2100mm，长度可以为4000mm,这样，筒型舱11大小适宜，成本低，可以放置在实验室中，以实现在实验室中模拟飞机机身外部各处受到火源的作用，同时，中尺寸的筒型舱11操作控制方便，可再现性良好、测量结果可信度高且可重复性强；通过调节支撑架12的高度以调节筒型舱11至水平状态或倾斜状态，以便模拟真实地飞机的状态。

需要说明的是，通过调节支撑架12的高度可以调节筒型舱11距地面高度在400mm至800mm之间连续变化；火源系统2距地面高度在500mm至1000mm之间变化。

火源系统2可水平移动且高度可调地布置在实验台主体1附近，用于根据实验要求提供固体燃料火源、液体燃料火源或气体燃烧火源，改变火焰功率，以更加真实地模拟飞机机身外部各区域受到不同功率火源的作用；可以理解的是，通过移动火源系统2的位置，调节火源系统2的高度，可以有效模拟不同位置的火灾场景；通过点燃不同种类的燃烧火源，如固体燃料火源、液体燃料火源或气体燃烧火源，可以更加真实地模拟飞机外部火灾。

数据测量系统3包括温度分布测量系统、热辐射通量测量系统和火羽流及射流测量系统。可以理解的是，温度分布测量系统用于测量实验过程中筒型舱11外部表面温度分布情况；热辐射通量测量系统用于测量实验过程中筒型舱11外不同位置的热辐射通量变化情况；火羽流及射流测量系统用于测量筒型舱11外部的火焰形态、火羽流及射流特性，这样，通过数据测量系统3可以对不同位置、不同火源功率的外部火灾对筒型舱11表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律进行系统全面的研究。

根据本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟实验装置1000，通过筒型舱11模拟实际飞机中部舱段且整体体积小于实际飞机中部舱段，并通过支撑架12调整筒型舱11倾斜角度以真实地模拟实际的飞机的状态，通过点燃固体燃料火源、液体燃料火源或气体燃烧火源等不同种类的燃烧火源真实地模拟实际飞机外部火灾，通过温度分布测量系统对实验过程中筒型舱11外部表面温度分布情况进行测量，通过热辐射通量测量系统对实验过程中筒型舱11外不同位置的热辐射通量变化情况进行测量，通过火羽流及射流测量系统测量筒型舱11外部的火焰形态、火羽流及射流特性进行测量，由此，可以在实验室中利用本实用新型实施例的飞机外部火灾的模拟试验装置1000的实验数据对飞机机身外部受到不同功率火源的作用时飞机外部表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律进行全面研究，操作控制简单、成本低、可再现性良好、测量结果可信度高且可重复性强。此外，火源系统2可水平移动且高度可调，可以有效模拟机身外部不同位置的火灾场景，可以在实验室中对飞机机身外部的不同部位受到不同功率火源的作用时飞机外部表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律进行全面的研究，为机场飞机停放设计、机场灭火救援战术、飞机结构防护等提供科学依据与数据支撑。

根据本实用新型的一个实施例，筒型舱11由内向外依次包括结构支撑内层、隔热夹层和耐高温防火外层，隔热夹层设置在结构支撑内层的外表面上，高温防火外层设置在隔热夹层的外表面上。可以理解的是，结构支撑内层、隔热夹层和耐高温防火外层由内向外依次设置以形成筒型舱11，这样，保证筒型舱11的形状接近飞机形状，测量结果可靠准确，结构强度高且完整性好。

根据本实用新型进一步的实施例，结构支撑内层为钢圆筒内层，隔热夹层采用陶瓷纤维制成，耐高温防火外层为采用耐高温防火板制成蒙皮包裹在隔热夹层的外表上而形成。可以理解的是，结构支撑内层用来为筒型舱11提供支撑，钢圆筒内层可以采用碳钢制成，例如钢圆筒可以为5mm厚的碳钢，强度高，支撑效果好；隔热夹层用来为筒型舱11内部隔热，隔热夹层可以为40mm厚的陶瓷纤维，隔热效果好；耐高温防火外层作为飞机外壳的防火层，耐高温防火外层可以为10mm厚的耐高温防火板制成的弧形蒙皮，这样，有效地保证筒型舱11的形状更加接近飞机形状，测量结果可靠准确，结构强度高且完整性好。

根据本实用新型的一个实施例，筒型舱11可在0～15°的倾斜角度范围之间连续变化。具体地，筒型舱11的倾斜角度可以为0°、5°、10°或15°，以便模拟真实的飞机的状态。

根据本实用新型的一个实施例，支撑架12上设有刻度。可以理解的是，通过刻度可以方便地对筒型舱11的倾斜角度进行控制。

根据本实用新型的一个实施例，支撑架12配置有液压升降装置，以使支撑架12高度可调。可以理解的是，筒型舱11的质量较重，通过在支撑架12上配置液压升降系统可以方便地调整支撑架12的高度，结构简单合理。

根据本实用新型的一个实施例，支撑架12的下端设有第一滑轮13。这样，可以方便地移动实验台主体1的位置。

根据本实用新型的一个实施例，火源系统2包括主体框架21、油盘22、气体燃烧器23和点火器24；主体框架21的下端设有第二滑轮211，主体框架21的高度可调；油盘22、气体燃烧器23和点火器24均设置在主体框架21上，点火器24用于点燃放置在主体框架21上的固体燃料、油盘22中的燃油燃料以及气体燃烧器23中的气体燃料。可以理解的是，在主体框架21的下端设置第二滑轮211且主体框架21的高度可调，这样可以根据实验要求方便地移动火源系统2，改变火源系统2与筒型舱11的相对位置，调节火源系统2的高度，以便模拟不同位置的真实的火灾场景，点火器24的点火位置可调，当需要点燃液体燃料时，点火器24移动至油盘22周围以点燃液体燃料，当需要点燃固体燃料时，点火器24移动至固体燃料周围以点燃固体燃料，当需要点燃气体燃料时，点火器24移动至气体燃烧器23周围以点燃气体燃料，操作方便，结构简单。

需要说明的是，可以在主体框架21上配置液压升降的装置以方便调节主体框架21的高度；油盘22的尺寸和形状可变。

根据本实用新型进一步的实施例，火源系统2还包括电子天平25，电子天平25设置在主体框架21上，油盘22设置在电子天平25上，电子天平25测量液体燃料的燃烧损失质量并将测得的天平电信号反馈给与电子天平25相连的数据测量装置，以通过与电子天平25相连的数据测量装置记录处理天平电信号并实时动态地呈现液体燃料的燃烧损失质量情况。由此，通过电子天平25测量液体燃料的燃烧损失质量，判断不同的燃烧损失质量对筒型舱11外部表面温度分布及热辐射通量变化规律、火羽流及其射流相互作用的演化规律的影响，提高实验的准确性。

根据本实用新型进一步的实施例固体燃料为木垛或纸箱，液体燃料为航空煤油或正庚烷，气体燃料为甲烷或丙烷。这样，可以根据实验需要选择不同种类的燃料，改变火焰功率，更加真实地模拟不同类型的外部火灾。

需要说明的是，固体燃料为木垛标准件或纸箱标准件。

根据本实用新型的一个实施例，温度分布测量系统包括布置在筒型舱11外部表面上的热电偶阵列31，热电偶阵列31用于测量实验过程中筒型舱11外部表面温度并将测得外部表面温度信号反馈给与热电偶阵列31相连的数据测量装置，以通过与热电偶阵列31相连的数据测量装置记录处理测得的外部表面温度信号并实时动态地呈现筒型舱11外部表面温度分布情况。可以理解的是，通过在筒型舱11外部表面上布置热电偶阵列31，并将热电偶阵列31测得的外部表面温度信号反馈给与热电偶阵列31相连的数据测量装置，可以方便准确对筒型舱11外部表面温度分布情况进行研究。

根据本实用新型进一步的实施例，温度分布测量系统还包括红外摄像机32，红外摄像机32用于以图像方式记录实验过程筒型舱11外部表面温度变化情况。具体地，将红外摄像机32布置在筒型舱11和火源系统2之间并对筒型舱11进行拍摄，以图像的方式记录实验过程中筒型舱11外部表面温度变化情况，能够进一步准确地对筒型舱11外部表面温度的分布情况进行研究。

根据本实用新型的一个实施例，热辐射通量测量系统为热辐射计33，热辐射计33有多个，多个热辐射计33彼此间隔开地布置在筒型舱11外部，多个热辐射计33用于测量实验过程中筒型舱11外部的不同位置的热辐射通量并将测得的热辐射通量信号反馈给与多个热辐射计33相连的数据测量装置，以通过与多个热辐射计33相连的数据测量装置记录处理热辐射通量信号并实时动态地呈现筒型舱11外部的不同位置的热辐射通量变化情况。具体地，多个热辐射计33在筒型舱11外部的垂直方向和水平方向上间隔开地分布，通过热辐射计33测量实验过程中筒型舱11外部的不同位置的热辐射通量并将测得的热辐射通量信号反馈给与多个热辐射计33相连的数据测量装置，通过数据测量装置记录处理热辐射通量信号并实时动态地呈现筒型舱11外部的不同位置的热辐射通量变化情况，这样可以方便地研究筒型舱11外部各区域在不同功率的火源的作用下的热辐射通量变化规律。

根据本实用新型的一个实施例，火羽流及射流测量系统包括第一高速摄像机34和第二高速设摄像机35，第一高速摄像机34和第二高速摄像机用于以摄像方式实时测量记录筒型舱11外部的火焰形态、火羽流及射流特性。具体地，火源系统2布置在筒型舱11的一侧附近，第一高速摄像机34和第二高速摄像机布置在实验台主体1的附近，其中，第一高速摄像机34与筒型舱11一端端部正对，以使筒型舱11的一端端面处于第一高速摄像机34的摄像范围的居中部位；第二高速摄像机偏离于筒型舱11另一端端部且位于筒型舱11的一侧，以使筒型舱11的一侧面和另一端面处于第二高速摄像机的摄像范围内，通过第一高速摄像机34和第二高速摄像机对筒型舱11外部火焰进行图像采集，以实时测量记录筒型舱11外部的火焰形态、火羽流及射流特性，这样可以方便地研究筒型舱11外部火焰在不同功率的火源的作用下的火焰形态、火羽流及射流特性的变化规律。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

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