飞机货舱烟雾探测系统假火警信号分析.docx

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飞机货舱烟雾探测系统假火警信号分析

飞机货舱烟雾探测系统假火警信号分析

【题名】飞机货舱烟雾探测系统假火警信号分析

【作者】尹鹏飞

【分类号】

【关键词】舱,烟雾探测,光电探测器,离子探测器

【文摘】货舱是现代飞机的一个重要组成部分，在飞行过程中，机组成员一般不能进入货舱，因此在现代运输机的货舱中几乎都装有火警探测系统。

根据FAA的条例规定，货舱火警探测系统必须在火灾开始的60秒内向机组成员发出警告，烟雾是火灾的早期特征之一，具有流动性，因此货舱火警探测采用的是烟雾探测技术。

烟雾探测技术研究的目的是在不同的环境背景下，针对燃烧所生成的烟雾的物理特征表现，对火灾进行早期可靠的识别与报警，并对非火灾因素进行排除，消除误报与漏报。

当前飞机货舱烟雾探测采用了光电烟雾探测和离子烟雾探测技术，本文分析了光电烟雾探测和离子烟雾探测的基本工作原理、结构形式和触发逻辑，从中外货舱烟雾探测系统工作情况的统计结果，分析了目前货舱火灾烟雾探测系统中使用的探测器存在的一些问题，提出了货舱烟雾探测器引发假火警信号的原因及应对措施，并展望了火灾烟雾探测技术的发展趋势。

【正文】

飞机货舱烟雾探测系统假火警信号分析

学生尹鹏飞指导老师向淑兰

摘要

货舱是现代飞机的一个重要组成部分，在飞行过程中，机组成员一般不能进入货舱，因此在现代运输机的货舱中几乎都装有火警探测系统。

根据FAA的条例规定，货舱火警探测系统必须在火灾开始的60秒内向机组成员发出警告，烟雾是火灾的早期特征之一，具有流动性，因此货舱火警探测采用的是烟雾探测技术。

烟雾探测技术研究的目的是在不同的环境背景下，针对燃烧所生成的烟雾的物理特征表现，对火灾进行早期可靠的识别与报警，并对非火灾因素进行排除，消除误报与漏报。

当前飞机货舱烟雾探测采用了光电烟雾探测和离子烟雾探测技术，本文分析了光电烟雾探测和离子烟雾探测的基本工作原理、结构形式和触发逻辑，从中外货舱烟雾探测系统工作情况的统计结果，分析了目前货舱火灾烟雾探测系统中使用的探测器存在的一些问题，提出了货舱烟雾探测器引发假火警信号的原因及应对措施，并展望了火灾烟雾探测技术的发展趋势。

关键词:

货舱、烟雾探测、光电探测器、离子探测器

Thestudyoffalsefiresignalfrom

cargosmokedetector

Abstract:

Cargocompartmentisaveryimportantpartofthemodernaircraft.InflightCargocompartmentsareinaccessible.SoalmostallCargocompartmentsareequippedwithfiredetectorsystem.AccordingtoFAAregulation,Firedetectorsystemmustgivecrewfirealarmsin60secondsatthebeginningoffire.Smokeisoneoffire’searlyperiodcharacteristic,withmobility.Thenfiredetectingtechnologyofcargocompartmentissmokedetector.Thepurposeofstudyingthefiresmokedetectingtechnologyisthatunderthedifferentcircumstancemakereliabledistinguishand

alarmofthefireonearlystage,andeliminatethefalsealarm.Currentlyfiredetectortechnologyofcargocompartmentisinoizationtypeandphotoelectricitytype.Inthisarticle,Ianalysetheprinciple、configurationandtogglelogicofphotoelectricityandinoizationdetector.FromthestatisticalresultofchinaandAmericancargocompartmentfiredetector，.thetextalsoanalysesomeexistingproblemsofthedetectorusedinthefiresmokedetectingsystems,putforwardthereasonwhythecargosmokedetectorgivesthefalsefirealarmandraisesthemeasurestocopewithit.AtlastIprospectthetendencyofthefiresmokedetectortechnology’sdevelop.

Keywords:

cargocompartmentphotoelectricitydetector

inoizationdetector

引言

民用飞机的货舱分为B、C、D、E四级。

B级货舱是与客舱衔接在一起的货舱，也可以认

为是从客舱中分割出来的，它的大小由各个公司的要求不同而不同，在飞行过程中，这种货

舱机组成员是可以进入的，因此在这种货舱中既没有火警探测也没有灭火系统;C级货舱是

一般民用运输机上所配备的货舱，它的空间较大一些，位置在客舱地板的下面，在飞行过程

中机组成员是不可以进去的，所以在C级货舱中既装有火警探测系统又装有灭火系统。

D

级货舱是指通风极少的、体积28.3立方米及其以下、用于中短航程的小型民航机的货舱，主

要装载旅客的行李。

它的着火危险性小，高空巡航时，氧气稀薄可以进一步减少货舱持续燃

烧的可能性，因此D级货舱既没有火警探测系统也没有灭火系统。

E级货舱是专门从事货

运的运输机上的货舱，货舱体积较大，在飞行过程中机组成员也可进入，所以只装有火警探

测系统。

各级货舱的特点，有无火警探测系统和灭火系统如表1所示。

表1.各级货舱对比表

货舱级别特点火警探测灭火系统

B飞行中可接近，货舱和客舱衔接在一起无无

C飞行中不可接近，货舱在客舱的地板下，体积较大有有

D飞行中不可接近，货舱在客舱的地板下，体积较小无无

E飞行中可接近，专用货机的货舱有无

但是，随着货物的空运成为收入增长的来源，货舱装运的项目及物资的组合情况已有了变化。

民用产品、工业原材料以及运往航空维修站的飞机的零部件常和行李一起放在客舱下的行李

舱内，因此货舱失火的风险意识增强，美国联邦航空局做出条例的修改，要求所有在美国注

册的飞机的D级货舱即依靠缺氧来防火的货舱改为C级或E级货舱。

到底采用何种形式取决与飞机是客机还是货机。

若是货机按E级改造，加装火警检测系统。

若是客机按C级改造，加装火警检测系统和灭火系统。

所以除了B级货舱以外，其余的货舱都必须装有火警探测装置。

因此货舱火警探测是现代飞机火警探测系统的一个重要组成部分。

根据FAA的条例规定，货舱火警探测系统必须在火灾开始的60秒内给机组成员发出警告，烟雾是火灾的前兆和伴随产物，也是早期火灾探测的基础，为了满足条例所要求的及时报警，现代飞机货舱火警探测大部分采用烟雾探测技术。

烟雾探测器是一种火警探测必不可少的设备,在许多较大型的运输机中,货舱、电子电气设备舱和卫生间都安装有烟雾探测器。

这些烟雾探测器能帮助驾驶员掌握火警情况,以便及时采取灭火措施,取保飞行安全，因此可以说烟雾探测器是驾驶员的眼睛、助手、飞机安全的保护神。

正由于该设备的重要性，因此它本身的工作的正确与否又直接关系到整架飞机，包括机组人员、乘务、旅客及货物的安全。

1货舱烟雾探测的现状

在现代飞机上，烟雾探测的方法主要有两种，一种是离子感烟，另一种是光电感烟。

离子感烟探测器于1941年诞生于瑞士，曾在火警探测领域得到广泛的应用。

自二十世纪七十年代光电感烟探测方法问世以来，光电烟雾探测器在货舱的火警探测中也一直扮演着重要的角色。

现代飞机货舱火警探测绝大部分采用光电感烟，但也有飞机采用离子感烟。

无论采用离子感烟还是光电感烟，货舱火警探测系统发出假火警的比例是处于上升的趋势，真正的火警信号的比例占总火警信号的比例非常小。

根据FAA技术中心的DavidBlake等人对在美国注册的飞机的假火警信号的统计表明（图1）:

在美国从1974年到1999年飞机货舱火警探测系统发出假火警处于上升趋势，特别是1996年到1999年，假火警信号大幅上升。

『插图1』

在中国根据民航总局定期出版的《飞行事故征候和航空地面事故统计》统计表明:

从1995年到2001年，假火警信号也存在，因为中国飞机的数量和起降的架次都远远少于美国，所以绝对数量比美国同期要少的多。

表2中国民用航空飞机在1995,2001发生假火警的次数统计

年份1995199619971998199920002001

假火警的次数405612412

用条形来进行表示，得到图2所示的结果:

图2中国民用航空飞机在1995,2001发生假火警的次数统计

比较图1和图2，可以得到以下结论，虽然中国民用航空飞机发生假火警的绝对数量比美国少，但是两者的变化趋势相同，即随着时间的推移，到近几年飞机货舱假火警的信号数量在增加。

以上的统计结果是否同时也说明飞机货舱中发生火灾的可能性增加。

实际表明情况并非如此，在美国1995,1999年期间，平均每200次火警信号中只有1次是真火警，即货舱的火警探测系统每发出200次火警警告信号只有一次是货舱真正出现火情。

而中国的民用运输机从1995,2001年货舱在飞行过程中并没用发生过一次真正的火灾，也就是说货舱火警信号的假火警率为100,。

因为中国飞机和飞行时间较少，统计时间有限，不足以作为货舱假火警率的结论。

但综合中国与美国的分析结果，我们可以得到以下的结论，即:

民用飞机中货舱火警探测系统发出假火警信号的比例相当高。

2货舱假火警信号对飞行安全的影响

在飞行过程中，机组无法判定货舱火警的真伪，因为大部分民用运输机的货舱在飞行过程中机组人员无法进入,所以一旦货舱火警信号出现，只能进行货舱火警的应急处理程序:

由飞行员释放货舱灭火瓶的灭火剂，就近机场着陆，落地后再进行机上人员紧急撤离。

我们可以估算一次货舱假火警造成的直接经济损失（新增的起降费，处置延误航班费用等），在美国窄体客机进行一次非计划机场备降，大约多消耗30000美金，宽体客机大约多消耗50000美金。

但无法估计应急程序对飞行安全造成的影响。

假火警信号会分散机组的注意力，影响机组情绪，一般机组对因火警而紧急迫降的机场情况不太熟悉，以上种种因素都会大大增加恶性飞行事故发生的可能性。

另外，在进行紧急撤离时，还常发生机组人员和乘客的伤亡情况。

比如在2000年11月20日，美国航空公司的一架A300型飞机在美国佛罗力达州迈阿密机场进行紧急撤离时，一名乘务人员在开左边第一个紧急出口时，因为飞机座舱余压还没有释放完，所以被座舱压力射出飞机而死亡。

这架飞机计划由迈阿密飞向海地，升空后8分钟，机组成员发现座舱自动增压系统出现故障，当时飞机的高度是16000英尺，机长通过中央电子监视系统显示仪（ECAM），发现前放气活门的完全打开，通过中央电子监视系统调出增压系统，发现放气活门的位置以琥珀色显示，放气活门打开了95,，座舱高度以2000英尺每分钟进行爬升，座舱高度指示是7000英尺，机组决定进行手动压力调节，大约11分钟后，机长报告空管中心，飞机将返回迈阿密机场，在此时，飞行员开始作美国航空公司的座舱增压手动控制检查单。

大约着陆前3分钟，机长又向空管中心报告，这架飞机着陆后需要灭火人员的紧急救援，因为他看到驾驶舱顶板上的货舱火警灯亮了，同时乘务人员发现卫生间的烟雾探测系统的灯也亮了。

机组决定着陆后进行紧急撤离，做了地面紧急撤离的检查单。

飞机落地乘务人员听到紧急撤离的命令后，试图打开应急出口进行紧急撤离，但乘务员没有打开，乘务长再次试图打开，突然门裂开，乘务长被射出飞机，摔死在停机坪上。

经过地面人员检查，飞机的货舱和卫生间没有任何的着火迹象。

说明系统货舱和卫生间的烟雾探测系统出现了假火警信息，导致了机组进行完全没有必要的紧急撤离，在慌乱中，座舱余压没有释放完就打开紧急出口，造成人员伤亡。

所以探索和研究减少货舱火警系统发出假火警信号的方法，对提高飞行安全有重大意义。

本

文通过对货舱光电及离子烟雾探测器的工作原理及报警电路的触发逻辑分析，提出了货舱火警探测系统发出假火警信号的原因，及降低假火警信号的方法。

3货舱光电烟雾探测

3.1货舱光电探测系统结构

飞机货舱烟雾探测系统，利用取样管或抽风机把空气吸入烟雾探测器。

两个烟雾探测器连接于取样管的负压腔或抽风机之间，系统一般设置两台抽风机，互为备用，只要一台抽风机工作，空气就会从货舱流经抽风机进入探测器内部。

（图3）

图4烟雾探测器工作原理

3.2光电烟雾探测器的工作原理

飞机货舱光电式烟雾探测器的组成如图4所示，其核心结构是烟雾室，抽风机将货舱空气通过空气进口抽入烟雾室，再从空气出口流出，这样烟雾室就可以对货舱空气进行采样分析。

烟雾室中还有测试灯，信号灯，光电管等元件。

其中探测烟雾的核心部件是光电管，光电管利用光电效应进行光,电转换，当没有光照射到光电管上时，其光电流几乎为0，当有一定数量的光线照射在光电管上时，其内部的电子获得能量，产生与光照相对应的光电流输出，此电流信号经过放大后去触发报警电路。

在烟雾室中光电管的安装位置正好与信号灯光束成90o，而烟雾室是一个既不透光、内部又不能对光有反射的组件，当货舱没有发生火灾，采样空气不含有烟雾小颗粒时，信号灯发出的光线既不能直接照射到光电管上也不能通过反射和折射的方式照射到光电管上，所以光电管中电流很小，不能触发报警电路;当货舱因失火产生烟雾时，烟雾室的采样空气含有烟雾小颗粒，由于小颗粒对信号灯的光线进行反射或者散射，使光电管受到光照，产生光电流输出，此电流的大小随烟雾量的增加而成比例增加，经过放大电路放大后，触发告警电路。

在驾驶舱中货舱火警灯亮，火警铃响，通知机组成员货舱失火。

3.3环境对光电探测器的影响

由光电式烟雾探测器的工作原理可以看出，探测器不仅对烟雾粒子敏感，而且对任何能够对光线产生反射和折射的进入烟雾探测器内部的小粒子，都会输出火警信号，而我们知道货舱是飞机上容易受外界环境影响的地方，所装货物千差万别，可能产生小粒子干扰光电式烟雾探测器的工作，从而会产生假火警信号。

4货舱离子式烟雾探测

4.1货舱离子式烟雾探测器的结构和组成

离子式烟雾探测器一般由电池，两块电极，一些电路零件和一个粒子的辐射源[通常是鋂,241（Americium-241）]。

两块电极分别接在电池的正负级上。

如图5所示。

图5离子控测器

4.2离子式烟雾探测器的工作原理

首先它是利用鋂,241（Americium-241）释放的α射线使电离室内两块电极板之间的空气中的氧气、氮气被电离，也就是说让它们失去电子。

这样带负电的粒子（也就是电子）会被电极板的阳极所吸引，相反的，带正电的离子，会被电机板的阴极所吸引，这样在两块儿电极板之间就会有微弱的电流通过。

一旦发生了火警，烟雾粒子进入到探测器，也就是烟雾小颗粒进入到两个电极板之间，由于其吸附作用增加了正、负粒子的复合几率，且烟雾粒子的阻挡降低了α射线的电离能力，改变了电离室内空气的电离状态，从而宏观的表现为电离室的等效电阻增加，两极板之间的电流减弱，探测器中的电子感应器一旦探测到电流的减小，就会发出火警信号。

4.3离子式烟雾探测器的实际设计

常用的是典型离子感烟器具有检测电离室和补偿电离室双室结构，目的是通过取相对变化量以减少环境因素带来的干扰。

因为环境中的温度、湿度、风速、以及飞机在飞行过程中的机动运动等非烟雾因素都会影响到电离室中空气的电离状态，造成假火警信号。

双室结构离子式烟雾探测器的工作原理如图6所示，它是采用两个室，标准室和检测室。

烟雾粒子可以通过检测室，但因为标准室中有滤网不能通过标准室，两个室是串连在同一端电压U3上的，电路敏感的是两个室的电压差（即U1与U2的差别），在没有烟雾时检测室两端的电压U1等于标准室两端的电压U2不会触发火警;当货舱中出现烟雾时，烟雾可以进入检测室，引起检测室中空气的电离状态的改变，使检测室中电流减小，从而导致检测室两端电压U1的变化，而标准室中的电离状态并没有改变，所以标准室两端的电压不变，这样U1?

U2，就会发出火警讯号;采用双室结构的离子式烟雾探测器受到外界环境因素变化的影响要小一些，因为当温度，湿度，速度等变化引起两个室中空气的电离状态变化是相同的，U1、U2的变化也是相同的，所以双室结构的离子探测器有较强的抗外界环境干扰的特性。

但是对于灰尘，油滴等干扰因素任不能排除。

而且，它还有一个缺点是不符合环保的要求，由于电离室的设计采用了放射性元素，其生产、储运和报废的过程有污染环境的危险。

5探测器的电路连接及触发逻辑

民航客机的货舱一般装有一个或者二个光电式（离子式）烟雾探测器。

下面以一个光电式烟雾探测器的电路连接情况说明（如图7所示）。

图7光电式烟雾探测器的电路连接图

5.1电路分析

该电路由五部分组成:

光电烟雾探测器（图7中的虚框所示），恒温放大器，电流敏感继电器，探测器测试按钮，火警铃和火警灯电路（在图中没有具体画出电路）。

整个电路是通过烟雾探测电路断路器连接在直流重要汇流条上，一旦飞机电源系统供电正常，断路器处于接通位置，货舱火警探测系统得到电能供应。

光电烟雾探测器具有测试功能，当按下探测器测试按钮（活动触点位于2位），信号灯和测试灯串连在调压器与接地点所构成的电路中，信号灯和测试灯同时亮，由烟雾探测器的结构可知，光电管和测试灯基本上安装在一条直线上，光电管受到来自测试灯的光照，流过光电管的光电流增加，信号输入到恒温放大器，经过放大器放大后，触发了电流敏感继电器，使电流敏感继电器的触点闭合，28V的直流电，通过继电器的触点，将信号送到火警灯和火警铃电路中，驾驶舱的火警面板上货舱的火警灯亮火警铃响，表示此探测器及连接线路正常。

在飞行过程中，探测器测试按钮的活动触点处于1位，测试灯的两端都是零电位，所以测试灯不亮，而信号灯一端接在调压器的正端，另一端通过测试按钮1位触点接地，在飞行过程中保持燃亮。

当飞机货舱没有发生火灾时，信号灯和光电管垂直安放，而且采样的空气是洁净的，因而光电管接收不到光线，放大器没有信号输出，报警电路不会被触发。

当货舱发生火灾时，空气中存在烟雾粒子，当这些粒子进入烟雾室中，对信号灯的光线进行反射或散射，使光电管接收到光照，光电流增加，通过放大器放大信号使电流敏感继电器的触点闭合，火警灯和火警铃电路被触发，系统发出货舱火警信号。

5.2逻辑分析

有的飞机的货舱装有两个探测器，两个烟雾（离子）探测器之间可以选择输出逻辑关系，一些飞机选用“或”逻辑，还有一些飞机选用“与”逻辑。

选择“或”逻辑的火警探测系统对任何一个烟雾探测器送出的火警信号，都可以触发报警电路。

选择“与”逻辑的火警探测系统则不同，其逻辑关系如表3.所示:

探测器1探测器2结果

1有火警有火警触发

2有火警无火警不触发

3无火警有火警不触发

4无火警无火警不触发

5故障有火警触发

6有火警故障触发

7故障无火警不触发

8无火警故障不触发

9故障故障故障信息显示

表3两个烟雾探测器采用“与”逻辑的情况

由此表可以看出当货舱中两个烟雾探测器都处于良好的工作状态的情况下（表3中的1,4编号），报警电路被触发要求两个烟雾探测器都输出火警信号。

即若有火警信号送到驾驶舱，必定是两个光电探测器都发出了火警信号。

为了避免因为某一个探测器出现故障，送不出火警信号的情况发生，增加了逻辑情况（5—8）,如果某一烟雾探测器故障，另一烟雾探测器仍然可以单独工作，报警电路的触发仅由正常工作的烟雾探测器决定。

最后一种逻辑情况（9）是当两个烟雾探测器都出现故障，通过故障信息显示，告诉机组人员货舱火警探测系统失效。

5.3以波音公司生产的飞机为例说明烟雾探测系统在飞机上的装备与工作情况5.3.1设计方面

波音飞机的烟雾探测器的改装设计采用了双回路的光电系统。

该系统经验证可在60秒检测前、后货舱的烟雾。

这种双回路系统减少了出现虚假火警报告的产生，因为在每一回路中要求至少有一个传感器再在驾驶舱的信号显示器激活前即同时在检测烟雾。

如果因功率损失，其中一条回路失效，则系统可以自动从新调整由剩下的一个回路检测烟雾后发出警告。

并且能在60秒内检测在前、后货舱中任一货舱中任一地方的烟雾。

5.3.2操纵方面

在波音737中，烟雾探测系统在驾驶舱中的指示器即控制器原是布置在正负驾驶员之间的中央操纵台;波音727则是装在舱顶控制板上。

而服务通报将允许用户将控制板放在驾驶舱中这两个位置的任何一处。

指示即控制板包括以下元件:

检测器选择开关。

该开关为标有“A”、“B”及“NORM”字样的三位旋转式开关。

驾驶员用该开关控制FWD或AFT单回路（A或B）或正常的双回路（NORM）的操作。

FWD为前货舱系统的英文缩写，AFT为后货舱系统的英文缩写。

货舱烟雾探测试验开关。

TEST开关式一种按钮式开关、用以验证货舱及烟雾探测系统中各种检测器的操作。

当系统正常运转时，按压开关可使FIREWARN灯亮起来，使红色的FWD和AFT的指示器亮起来，警铃发出声响（直至试验按钮松开为止）。

使灭火试验灯照明以及货舱灭火瓶的DISCH（释放灭火剂）灯照明。

检测器故障指示器。

当检测器有故障时，琥珀色的DETECTORFAULT（监测器故障）指示器照明，FWD或AFT指示器不发光。

驾驶员可以通过选择检测器选择开关上的位置A或B来确定是A还是B回路有故障。

当所选择的回路正常运转时，DETECTORFAUIL指示器将不照明而FWD和ATF指示器将照明。

在实验按钮按下后如果被选择的回路的功能丧失时，检测器故障指示器也将照明。

飞机可以在前货舱或后货舱选择单回路情况飞行。

飞机操纵手册要求驾驶员在每日第一次飞行前完成上述实验，以防止检测器的故障超过一天以上尚未被发现。

火警灯和火警铃。

烟雾一旦被检测到，火警铃将响起来，控制板上的货舱火警灯亮起来，并且如果在前货舱或后货舱检测到烟雾时，专用的红色位置指示器将做出显示。

货舱火警灯及解除保险电门。

当前货舱或后货舱检测到烟雾时，货舱的火警灯发出红光。

按压FWD或AFT指示器时，指示器的上半部分会使解除保险电门发出白色照明。

这表明灭火系统作好向指示的货舱释放灭火器的准备。

按压带保险罩的DISCH电门时，则向选定的货舱释放灭火剂。

灭火剂一旦释放到货舱，控制板上的DISCHARGE（释放）灯将亮出红色光。

6假火警情况分析

6.1根据对飞机货舱火警探测系统的传感器和电路分析，可以总结出飞机货舱出现假火警原因可能原因有:

（1）光电式烟雾探测器中光电管受电磁干扰，输出光电流。

（2）测试按钮出现故障导致信号灯误接通。

（3）光电式烟雾探测器无法分辨烟雾粒子与干扰浮质小颗粒。

光电式烟雾探测器不仅对烟