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摘 要：锂电池以重量轻、蓄电量大的特点得到广泛应用，飞机上使用锂电池作为应急蓄电池组或者航空运输锂电池的过程中，火灾时有发生，造成巨大损失，严重影响飞机飞行安全。本文通过对锂电池火灾特点和灭火剂灭火效果进行研究，得到针对飞机不同部位锂电池火灾的控制方法，对飞机防火系统设计及安全运行具有一定的指导意义。
关键词：防火系统；锂电池火灾；飞机安全；控制策略
1.引言
近几年，锂电池以小的空间和轻重量实现大的蓄电量和放电电流优势得到市场青睐。在小型电子设备（笔记本电脑、手机、照相机等），交通工具（电动车、电动汽车、混合动力汽车等）和航空器（航空器的应急照明和发动机以及 APU等部位）中得到了广泛应用，目前我国锂电池市场规模每年扩展40%，已经跃居世界第三位。
锂电池优点众多，但同时，锂电池也十分危险，非常容易发生火灾爆炸。据FAA的报道，1991年至2018年间，144起空难是由航空器锂电池（包括航空器使用的和运输的锂电池）引起，因此，飞机锂电池火灾控制研究十分迫切而重要。
2.锂电池火灾特点及灭火剂研究
通过建立锂电池燃烧试验模型，如图1所示，通过大量试验，结果表明锂电池火灾具有如下特点：
①爆燃性
锂电池自身是一个封闭的系统，当环境温度过高，其吸收热量，发生放热反应，使内部温度升高，同时生成的热会逐渐积聚，使放热反应加速，锂过热后有温度飞升的问题。也就是说，一旦温度达到一定程度，锂会自身产生热，导致温度进一步升高，直至起火。自加速反应产生的气体使电池内压急剧升高进而发展为爆燃。
②复燃性
目前航空器使用的哈龙1211和1301灭火剂仅能熄灭喷出的电解液火灾，但不能抑制电池内部的放热反应，因此表面上火情已被扑灭，但内部的放热反应使电池温度的升高仍会使其复燃。因此，一旦锂电池发生燃爆，其火势将得不到控制，极有可能导致机毁人亡。
通过选取典型的灭火剂进行锂电池火灾灭火特性试验[1]，灭火剂分为水基和非水基两大类，水基灭火剂以液柱形式释放，非水基灭火剂以雾状形式释放。
试验表明：
①水可以有效熄灭燃烧的电解液，同时可以有效阻止热失控的发生；
②水基灭火剂具有较好的冷却效果，灭火剂使用量的越多，温度降低的越多；
③非水基灭火剂只有较小的冷却能力，并且，非水基灭火剂使用量的大小，对冷却效果影响不明显；
④哈龙1211和1301可以有效熄灭燃烧的电解液，但却不能阻止热失控，灭火过程中，会发生多次复燃。
3.锂电池火災控制策略
3.1 客舱锂电池火灾控制
飞机客舱的锂电池火灾主要由旅客随身携带的笔记本电脑、手机、移动充电电源等引发，对于此类火灾的发生，可以及时被机组人员及旅人发现，因此，只要灭火控制措施有效，方法得当，就可以有效控制火情[2]。
飞机客舱中应同时设置有数量相当的哈龙类灭火器和水类灭火器。当便携式锂电池设备发生火灾时，如火势较小，可以直接使用水类灭火器进行灭火和抑热；当火势较大时，可先使用哈龙灭火器进行火势控制，熄灭表面火，待火势较小时，再使用水类灭火器进行抑热控制，阻止复燃。
3.2 货舱锂电池火灾控制
根据民机货舱的种类（A、B、C、E类）[3]不同，特征不同，针对性开展货舱锂电池火灾控制设计。
（1）A类货舱
运输的锂离子电池充电量尽量小，最好控制在30%电量以下[4]；在A级货舱运输锂离子电池时，应在货舱内布置相应数量的哈龙类手提灭火瓶及水类灭火瓶；当发生火灾时，先用哈龙灭火瓶熄灭表面火，再利用水类灭火瓶控制热失控，防止复燃，直到火灾完全熄灭。
（2）B类货舱
运输的锂离子电池充电量尽量小，最好控制在30%电量以下；在B级货舱运输锂离子电池时，应在货舱内布置烟雾探测装置，并且同时布置相应数量的哈龙类手提灭火瓶及水类灭火瓶；当烟雾探测装置报警后，立即前往货舱内查看火情，并利用手提灭火瓶进行灭火（哈龙先，水类后）。
（3）C类货舱
在C级货舱运输锂离子电池时，应在货舱内布置烟雾探测装置，并且设置一套货舱固定式灭火系统，用于飞机前货舱和后货舱的灭火。当货舱烟雾探测系统探测到货舱出现火灾，并向机组人员发出告警后，机组人员启动灭火系统进行灭火。灭火系统包括2个高速灭火瓶和2个低速灭火瓶，当灭火系统启动后，2个高速灭火瓶首先工作，喷出灭火剂使货舱内迅速达到灭火浓度，扑灭火灾；2个低速灭火瓶再以较低速度向舱内补充灭火剂，使舱内灭火剂保持一定的浓度，持续较长时间，保证火灾不出现复燃。
高速灭火瓶和低速灭火瓶都充填1301灭火剂，灭火剂的剂量根据舱内容积和通风情况进行计算确定。每个灭火瓶设置一个释放栓头，灭火瓶释放栓头通过电爆管控制开启；灭火瓶上设置温压传感器监测瓶内温度与压力，用于检测灭火瓶出现的泄漏故障；设置1个灭火瓶安全释放口，当灭火瓶内压力达到安全释放压力时，安全膜片破裂，灭火瓶泄压，防止灭火瓶内压力过高对瓶体及环境造成危害。
根据灭火瓶充填状态及系统布置情况，对灭火系统进行性能计算，确定每管段管径，保证灭火喷嘴的压力及喷射流量；通过对灭火剂喷射后货舱灭火剂浓度场进行仿真分析，确定每个灭火喷嘴的安装位置及喷口喷射方向。通过上述设计，使高速灭火瓶喷射后舱内灭火剂满足体积浓度6%，持续0.5s的最低要求，低速灭火瓶喷射后舱内灭火剂满足体积浓度3%，持续75min的要求。
当货舱内运输有锂离子电池，并且发生火情后，机组人员除了按照飞行手册执行灭火操作，应立即返航或就近着陆，彻底检查火情。
建议运输锂离子电池时，将电池放置于C级货舱，并控制锂电池的充电量，同时可以考虑适当增大灭火系统的灭火体积浓度（灭火剂浓度在8%左右更为有利）。 （4）E类货舱
因为E级货舱没有设置灭火系统，并且没有人员可以到达的通道，因此， E级货舱禁止运输锂离子电池。
3.3 电子设备舱锂电池火灾控制
锂离子电池组用于在地面和空中启动发动机，或者在地面发动机停车后提供地面辅助作业用电，多安装于飞机电子设备舱，因此，对电子设备舱的有效探测是减小锂离子电池防火的重点。
以空客A380飞机为例[5]，A380的电子设备舱采用的烟雾探测器由西门子公司研制。利用将探测器安装在通风管路上，使得发生火灾早期产生的烟雾主动进入探测器，实现变被动为主动，发现早期的火灾。
当烟雾探测装置报警后，机械师立即前往电子设备舱内查看火情，确认火灾后，首先切断相应区域电源，利用手提灭火瓶进行灭火（哈龙先，水类后）。
3.4 APU舱锂电池火灾控制
当锂离子电池组安装于APU舱时，虽然APU舱本身固有探测系统（气动式火警探测器）及固定式灭火系统（哈龙1301），但是，由于APU舱本身的气流量较大，其灭火系统只会在0.5s的时间保持灭火剂浓度6%，对于锂离子电池组的火灾，只能短时熄灭表面火，不能保持对火势的长时间抑制，因此，无法进行有效灭火。
波音公司对安装于APU舱的锂离子电池组专门设计了一个密封壳体，将锂离子电池组放置其中，如图2所示。
新的殼体不光隔热，还阻绝空气。燃烧的三要素是燃料、温度和空气。如果没有空气存在，燃烧是不能持续的。新壳体有效地阻绝了空气，具有窒息火灾的作用。在波音的试验中，电解液被有意释放，壳体受到强烈加热，但由于缺乏空气，壳体内无法引起燃烧和温度飞升。即使在引入空气后，由于空间有限，而且后续空气无法进入，燃烧也只持续了200毫秒就熄灭了。
4 结论
锂电池火灾特性爆裂而易复燃，目前，还没有哪一种灭火剂可以在短时间内完全对其控制。彻底解决锂电池火灾对飞机危险的办法有两个：一是从锂电池本身进行研究，找到其着火的真正原因，并加以解决；二是研发出新的灭火剂或灭火方法可以完全控制其燃烧。本文的控制策略只在以上两个方法得到解决之前的过渡，在短期内对保证锂电池的使用，保证飞机的运行安全，具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]Fire Safety Highlights. By： FAA 2013.
[2]Laptop computer fire extinguishment .FAA. 2012.
[3]CCAR-25-R4，中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准.
[4]运输散装锂电池的可燃程度评估，FAA. 2010.
[5]A380 Technical training manual maintenance course .2009 AIRBUS.
作者简介：崔红伟（1982-）男，汉族，河北保定人，研究生学历，
中级职称，从事航空防火系统研究，现就职于天津航空机电有限公司浅析飞机.
关键词：防火系统；锂电池火灾；飞机安全；控制策略
1.引言
近几年，锂电池以小的空间和轻重量实现大的蓄电量和放电电流优势得到市场青睐。在小型电子设备（笔记本电脑、手机、照相机等），交通工具（电动车、电动汽车、混合动力汽车等）和航空器（航空器的应急照明和发动机以及 APU等部位）中得到了广泛应用，目前我国锂电池市场规模每年扩展40%，已经跃居世界第三位。
锂电池优点众多，但同时，锂电池也十分危险，非常容易发生火灾爆炸。据FAA的报道，1991年至2018年间，144起空难是由航空器锂电池（包括航空器使用的和运输的锂电池）引起，因此，飞机锂电池火灾控制研究十分迫切而重要。
2.锂电池火灾特点及灭火剂研究
通过建立锂电池燃烧试验模型，如图1所示，通过大量试验，结果表明锂电池火灾具有如下特点：
①爆燃性
锂电池自身是一个封闭的系统，当环境温度过高，其吸收热量，发生放热反应，使内部温度升高，同时生成的热会逐渐积聚，使放热反应加速，锂过热后有温度飞升的问题。也就是说，一旦温度达到一定程度，锂会自身产生热，导致温度进一步升高，直至起火。自加速反应产生的气体使电池内压急剧升高进而发展为爆燃。
②复燃性
目前航空器使用的哈龙1211和1301灭火剂仅能熄灭喷出的电解液火灾，但不能抑制电池内部的放热反应，因此表面上火情已被扑灭，但内部的放热反应使电池温度的升高仍会使其复燃。因此，一旦锂电池发生燃爆，其火势将得不到控制，极有可能导致机毁人亡。
通过选取典型的灭火剂进行锂电池火灾灭火特性试验[1]，灭火剂分为水基和非水基两大类，水基灭火剂以液柱形式释放，非水基灭火剂以雾状形式释放。
试验表明：
①水可以有效熄灭燃烧的电解液，同时可以有效阻止热失控的发生；
②水基灭火剂具有较好的冷却效果，灭火剂使用量的越多，温度降低的越多；
③非水基灭火剂只有较小的冷却能力，并且，非水基灭火剂使用量的大小，对冷却效果影响不明显；
④哈龙1211和1301可以有效熄灭燃烧的电解液，但却不能阻止热失控，灭火过程中，会发生多次复燃。
3.锂电池火災控制策略
3.1 客舱锂电池火灾控制
飞机客舱的锂电池火灾主要由旅客随身携带的笔记本电脑、手机、移动充电电源等引发，对于此类火灾的发生，可以及时被机组人员及旅人发现，因此，只要灭火控制措施有效，方法得当，就可以有效控制火情[2]。
飞机客舱中应同时设置有数量相当的哈龙类灭火器和水类灭火器。当便携式锂电池设备发生火灾时，如火势较小，可以直接使用水类灭火器进行灭火和抑热；当火势较大时，可先使用哈龙灭火器进行火势控制，熄灭表面火，待火势较小时，再使用水类灭火器进行抑热控制，阻止复燃。
3.2 货舱锂电池火灾控制
根据民机货舱的种类（A、B、C、E类）[3]不同，特征不同，针对性开展货舱锂电池火灾控制设计。
（1）A类货舱
运输的锂离子电池充电量尽量小，最好控制在30%电量以下[4]；在A级货舱运输锂离子电池时，应在货舱内布置相应数量的哈龙类手提灭火瓶及水类灭火瓶；当发生火灾时，先用哈龙灭火瓶熄灭表面火，再利用水类灭火瓶控制热失控，防止复燃，直到火灾完全熄灭。
（2）B类货舱
运输的锂离子电池充电量尽量小，最好控制在30%电量以下；在B级货舱运输锂离子电池时，应在货舱内布置烟雾探测装置，并且同时布置相应数量的哈龙类手提灭火瓶及水类灭火瓶；当烟雾探测装置报警后，立即前往货舱内查看火情，并利用手提灭火瓶进行灭火（哈龙先，水类后）。
（3）C类货舱
在C级货舱运输锂离子电池时，应在货舱内布置烟雾探测装置，并且设置一套货舱固定式灭火系统，用于飞机前货舱和后货舱的灭火。当货舱烟雾探测系统探测到货舱出现火灾，并向机组人员发出告警后，机组人员启动灭火系统进行灭火。灭火系统包括2个高速灭火瓶和2个低速灭火瓶，当灭火系统启动后，2个高速灭火瓶首先工作，喷出灭火剂使货舱内迅速达到灭火浓度，扑灭火灾；2个低速灭火瓶再以较低速度向舱内补充灭火剂，使舱内灭火剂保持一定的浓度，持续较长时间，保证火灾不出现复燃。
高速灭火瓶和低速灭火瓶都充填1301灭火剂，灭火剂的剂量根据舱内容积和通风情况进行计算确定。每个灭火瓶设置一个释放栓头，灭火瓶释放栓头通过电爆管控制开启；灭火瓶上设置温压传感器监测瓶内温度与压力，用于检测灭火瓶出现的泄漏故障；设置1个灭火瓶安全释放口，当灭火瓶内压力达到安全释放压力时，安全膜片破裂，灭火瓶泄压，防止灭火瓶内压力过高对瓶体及环境造成危害。
根据灭火瓶充填状态及系统布置情况，对灭火系统进行性能计算，确定每管段管径，保证灭火喷嘴的压力及喷射流量；通过对灭火剂喷射后货舱灭火剂浓度场进行仿真分析，确定每个灭火喷嘴的安装位置及喷口喷射方向。通过上述设计，使高速灭火瓶喷射后舱内灭火剂满足体积浓度6%，持续0.5s的最低要求，低速灭火瓶喷射后舱内灭火剂满足体积浓度3%，持续75min的要求。
当货舱内运输有锂离子电池，并且发生火情后，机组人员除了按照飞行手册执行灭火操作，应立即返航或就近着陆，彻底检查火情。
建议运输锂离子电池时，将电池放置于C级货舱，并控制锂电池的充电量，同时可以考虑适当增大灭火系统的灭火体积浓度（灭火剂浓度在8%左右更为有利）。 （4）E类货舱
因为E级货舱没有设置灭火系统，并且没有人员可以到达的通道，因此， E级货舱禁止运输锂离子电池。
3.3 电子设备舱锂电池火灾控制
锂离子电池组用于在地面和空中启动发动机，或者在地面发动机停车后提供地面辅助作业用电，多安装于飞机电子设备舱，因此，对电子设备舱的有效探测是减小锂离子电池防火的重点。
以空客A380飞机为例[5]，A380的电子设备舱采用的烟雾探测器由西门子公司研制。利用将探测器安装在通风管路上，使得发生火灾早期产生的烟雾主动进入探测器，实现变被动为主动，发现早期的火灾。
当烟雾探测装置报警后，机械师立即前往电子设备舱内查看火情，确认火灾后，首先切断相应区域电源，利用手提灭火瓶进行灭火（哈龙先，水类后）。
3.4 APU舱锂电池火灾控制
当锂离子电池组安装于APU舱时，虽然APU舱本身固有探测系统（气动式火警探测器）及固定式灭火系统（哈龙1301），但是，由于APU舱本身的气流量较大，其灭火系统只会在0.5s的时间保持灭火剂浓度6%，对于锂离子电池组的火灾，只能短时熄灭表面火，不能保持对火势的长时间抑制，因此，无法进行有效灭火。
波音公司对安装于APU舱的锂离子电池组专门设计了一个密封壳体，将锂离子电池组放置其中，如图2所示。
新的殼体不光隔热，还阻绝空气。燃烧的三要素是燃料、温度和空气。如果没有空气存在，燃烧是不能持续的。新壳体有效地阻绝了空气，具有窒息火灾的作用。在波音的试验中，电解液被有意释放，壳体受到强烈加热，但由于缺乏空气，壳体内无法引起燃烧和温度飞升。即使在引入空气后，由于空间有限，而且后续空气无法进入，燃烧也只持续了200毫秒就熄灭了。
4 结论
锂电池火灾特性爆裂而易复燃，目前，还没有哪一种灭火剂可以在短时间内完全对其控制。彻底解决锂电池火灾对飞机危险的办法有两个：一是从锂电池本身进行研究，找到其着火的真正原因，并加以解决；二是研发出新的灭火剂或灭火方法可以完全控制其燃烧。本文的控制策略只在以上两个方法得到解决之前的过渡，在短期内对保证锂电池的使用，保证飞机的运行安全，具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]Fire Safety Highlights. By： FAA 2013.
[2]Laptop computer fire extinguishment .FAA. 2012.
[3]CCAR-25-R4，中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准.
[4]运输散装锂电池的可燃程度评估，FAA. 2010.
[5]A380 Technical training manual maintenance course .2009 AIRBUS.
作者简介：崔红伟（1982-）男，汉族，河北保定人，研究生学历，
中级职称，从事航空防火系统研究，现就职于天津航空机电有限公司浅析飞机.