Введение

В условиях импортозамещения, а также для достижения весовой эффективности, обусловленной заменой традиционных металлических материалов на современные, разработчики авиационной техники все чаще обращаются к полимерным композиционным материалам (ПКМ) с заданным уровнем прочностных свойств [1–4].

Помимо повышенных прочностных характеристик, для материалов, применяемых в интерьере воздушных судов и других транспортных средств, имеют значение дополнительные требования к пожарной безопасности в пределах рабочих температур. Эти требования особенно актуальны в связи с заменой в некоторых узлах авиационных изделий металлических компонентов на ПКМ, обеспечивающие снижение массы, но в то же время являющиеся горючими. При разработке нового поколения самолетов, в которых планируется увеличить долю ПКМ, необходимо решить задачу создания материалов с новым набором свойств, отвечающих жестким требованиям, включая пожаробезопасность (при использовании ПКМ в авиационном интерьере).

Одним из важнейших вопросов обеспечения пожаробезопасности является надежность экранирования зон с высокой вероятностью возникновения пожара (пожароопасных зон) от других элементов планера – пассажирских и багажно-грузовых отсеков.

Цель исследований – установление соответствия свойств углепластика марки ВКУ-59 и стеклопластика марки ВПС-68 требованиям отечественных авиационных норм, представленных в НЛГ 25 и АП-25 (п. 25.853 (а) и п. 25.855 (d)), к горючести в соответствии с методом испытаний, изложенным в Части I (а) (i) Приложения F данных документов.

По результатам испытаний на углепластик ВКУ-59 оформлен паспорт № 1994, на стеклопластик марки ВПС-68 – паспорт № 1995. Организован серийный выпуск разработанных материалов на сертифицированном производстве в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Материалы и методы

Объектами исследования являются углепластик марки ВКУ-59 на основе клеевого препрега марки КМКУ-6.80.УВ (ТУ 1-595-11-1775–2018) и стеклопластик марки ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП) (ТУ 1-595-11-1776–2018), разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Препреги представляют собой углеродный жгутовый наполнитель и стеклоткань, пропитанные эпоксидным клеевым связующим пониженной горючести марки ВСК-14-6 с теплостойкостью 80 °С. Углепластик ВКУ-59 является аналогом углепластика HexPly M56/40%/193PW/AS4-3K (фирма Hexcel, США), стеклопластик ВПС-68 – аналогом стеклопластика HexPly М76/37%/7781 (фирма Hexcel, США).

Свойства углепластика марки ВКУ-59 и стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевых препрегов исследовали на образцах, изготовленных методом автоклавного формования [5–19].

Согласно федеральным (государственным) авиационным нормам, все декоративно-отделочные и конструкционные материалы, используемые во внутренней отделке пассажирских салонов и багажно-грузовых отсеков, должны соответствовать требованиям по ограничению горючести. В Российской Федерации в настоящее время действуют как международные Авиационные правила, установленные Международным авиационным комитетом, так и Нормы летной годности, введенные Федеральным агентством воздушного транспорта (Росавиация). Тексты этих документов и предъявляемые в них требования практически идентичны.

Требования в части пожарной безопасности зависят как от типа (вертолеты, самолеты, аэростаты) и категории (легкая, транспортная, очень легкая, беспилотная) авиационной техники, так и от функционального назначения материала. Наиболее жесткие требования в части пожарной безопасности АП-25 и НЛГ 25 предъявляют к материалам, используемым в пассажирских салонах больших (транспортных) самолетов. Кроме того, авиастроительные корпорации вправе устанавливать свои более жесткие или дополнительные требования к материалам, применяемым в конструкциях их авиационной техники.

Для определения возможности допуска к применению в авиастроении исследованы характеристики пожарной опасности указанных материалов: горючесть, дымообразование и токсичность на основе измерения концентраций газов, выделяющихся при термодеструкции.

Горючесть

В соответствии с требованиями авиационных норм (п. 25.853 (а) параграфа 25.853 «Внутренняя отделка кабин» и п. 25.855 (d) параграфа 25.855 «Грузовые и багажные отсеки»), все используемые материалы должны удовлетворять применимым к ним критериям испытаний, предписанным в Части I Приложения F. Соответствующие методы испытаний приведены также в ГОСТ Р 57924–2017. Перечисленные документы предусматривают несколько методов испытаний. Для конструкционных материалов в зависимости от их функционального назначения могут использоваться вертикальный метод испытания с экспозицией пламенем горелки в течение 60 с (п. (a) (1) (i) Части I) и 12 с (п. (a) (1) (ii) Части I), а также метод испытаний под углом 45 градусов к горизонту (пп. (a) (2) (ii) и (iii) Части I). В данной работе выполнены исследования с использованием вертикального метода испытаний с экспозицией пламенем горелки в течение 60 с.

Сущность метода заключается в воздействии малокалорийного источника воспламенения (пламя лабораторной газовой горелки) на нижнюю часть вертикально установленного образца в течение заданного времени. Способность образца к самостоятельному прекращению горения определяется по длине прогорания, времени остаточного (самостоятельного) горения после удаления источника воспламенения, наличию и продолжительности горения падающих капель. Материалы считаются соответствующими требованиям авиационных норм, если при экспозиции образца пламенем горелки в течение 60 с продолжительность остаточного горения составляет ≤15 с, длина прогорания ≤152 мм (6 дюймов), продолжительность горения капель ≤3 с.

Дымообразование

Требования по ограничению дымообразования (оптической плотности дыма) в современных федеральных авиационных нормах предъявляются только к панелям потолка, стен и перегородок пассажирской кабины (п. 25.853 (d)). В соответствии с указанным пунктом, испытания должны проводиться по методике, приведенной в Части V Приложения F, т. е. по ГОСТ 24632‒81. Регламентированной характеристикой, определяющей допустимость применения материалов, является величина оптической плотности дыма, достигаемая в течение первых 4 мин испытания (не более 200 ед.). В зарубежных федеральных авиационных нормах требуется проведение испытаний только в режиме горения, в отечественных нормах (АП-25 и НЛГ 25) режим испытания не указан. Таким образом, испытания требуется проводить в двух режимах – горение и пиролиз.

Этот же п. 25.853 (d) авиационных норм требует определения тепловыделения при горении по методике, изложенной в Части IV Приложения F. При этом испытаниям как на дымообразование, так и на тепловыделение должны подвергаться образцы конструкционных панелей вместе с нанесенным декоративным покрытием.

В соответствии с требованиями федеральных авиационных норм, как отечественных, так и зарубежных, дымообразование панелей пола, а также панелей багажных и грузовых отсеков не регламентируется. Но авиастроительные корпорации вправе устанавливать свои дополнительные требования. При этом может регламентироваться максимально допустимая оптическая плотность дыма не только через 4 мин, но также и через 90 с от начала испытания.

Дымообразование образцов углепластика и стеклопластика на соответствие требованиям авиационных норм (Приложение F, Часть V) оценивали согласно ГОСТ 24632–81 (зарубежные аналоги – ASTM E662–2021 и ASTM F814–2019). Сущность метода испытаний заключается в воздействии в герметичной камере на вертикально установленный образец теплового потока заданной интенсивности (25 кВт/м²) и пламени многорожковой газовой горелки (режим испытания – горение) или только теплового потока (режим испытания – пиролиз или тление). Через образующиеся парогазовые продукты термической деструкции и горения проходит световой луч заданной интенсивности, по степени ослабления которой судят об оптической плотности дыма в каждый текущий момент времени.

Токсичность продуктов горения

Ни в отечественных, ни в зарубежных федеральных авиационных нормах ни к каким материалам не предъявляют требований по ограничению токсичности продуктов горения. Но зарубежные авиастроительные корпорации, например Boeing, Airbus, Bombardier, устанавливают такие требования к материалам, применяемым в конструкциях их самолетов. При этом в зависимости от корпорации требования различаются.

Существуют различные методы определения токсичности продуктов горения, наибольшее распространение получили два варианта – по смертности лабораторных животных и на основе измерения концентраций некоторых (основных) выделяющихся газов. Наиболее просто реализуется метод измерения концентраций газов, образующихся в дымовой камере в процессе определения оптической плотности дыма с помощью одноразовых газоанализаторных трубок. Именно такой метод используют в корпорациях Boeing, Airbus, Bombardier. Этот метод применен в данном исследовании.

Результаты и обсуждение

В соответствии с утвержденной нормативной документацией на материалы, по разработанному режиму отверждения методом автоклавного формования изготовлены образцы углепластика марки ВКУ-59 и стеклопластика марки ВПС-68. Полученные из отформованных плит образцы испытаны на пожаробезопасность.

Результаты испытаний образцов на горючесть в соответствии с требованиями авиационных норм приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты испытаний углепластика марки ВКУ-59

и стеклопластика марки ВПС-68 на горючесть в вертикальном положении

при продолжительностиэкспозиции пламенем горелки 60 с

Как видно из табл. 1, углепластик марки ВКУ-59 и стеклопластик марки ВПС-68 на основе клеевого связующего пониженной горючести марки ВСК-14-6 соответствуют требованиям авиационных норм по горючести.

Одним из видов пожарной опасности, присущих полимерным материалам, в том числе ПКМ, является способность выделять дым. Мелкодисперсные конденсированные частицы, образующиеся в процессе термоокислительной деструкции, приводят к снижению видимости, что затрудняет ориентацию в пространстве и способствует возникновению паники. Кроме того, такие частицы адсорбируют (абсорбируют) токсичные соединения, попадание которых в дыхательные пути человека наносит вред его здоровью и может привести к преждевременной смерти.

Поэтому определение данного показателя пожарной опасности для полимерных материалов должно быть неотъемлемой частью исследований при проектировании конструкций (деталей) из ПКМ, которые планируется применять во внутренней части самолета.

Как отмечено ранее, ПКМ, предназначенные для использования в самолете в качестве отделки стен, потолка, перегородок пассажирской кабины, должны соответствовать требованиям авиационных норм по дымообразованию, при этом удельная оптическая плотность дыма за 4 мин не должна превышать 200 ед. Однако это требование, изложенное в федеральных авиационных нормах, относится только к панелям стен и потолка в месте постоянного пребывания пассажиров (пассажирская кабина с количеством мест не менее 20). Данные требования не относятся к местам временного пребывания (туалеты, коридоры, кухни), кабине пилотов и багажно-грузовому отсеку. Высокая дымообразующая способность материалов, из которых изготовлены панели багажно-грузовых отсеков, может способствовать более быстрому срабатыванию датчиков дыма и оперативному информированию экипажа о возникновении пожара в местах, где обычно во время полета отсутствуют люди.

Эти требования федеральных авиационных норм не относятся к материалам другого функционального назначения, например к панелям пола. Это объясняется тем, что панели пола распложены в нижней части кабины. При проникновении открытого пламени в пассажирскую кабину в случае летного происшествия тепловой поток, падающий на нижнюю часть кабины, будет значительно меньше, чем тепловой поток, попадающий на стены и потолок. Кроме того, панели пола закрыты декоративным покрытием (линолеум, ковер, антискользящее покрытие) и в основном экранированы от пламени другими предметами (кресла). Поэтому целесообразнее определять дымообразующую способность не панелей пола, а именно декоративных покрытий. Именно такой подход реализован в авиационных нормах корпораций.

Тем не менее для получения информации о потенциальной опасности углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68 проведены исследования по определению дымообразующей способности. Полученные результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты испытаний углепластика марки ВКУ-59 и стеклопластика марки ВПС-68

на основе клеевого связующего на дымообразующую способность

Углепластик марки ВКУ-59 толщиной 0,41 мм и стеклопластик марки ВПС-68 толщиной до 0,79 мм, изготовленные на основе клеевого связующего пониженной горючести марки ВСК-14-6, имеют оптическую плотность дыма меньше предельно допустимого значения (200 ед.). Испытанные образцы ПКМ на основе этого связующего бóльших толщин имеют оптическую плотность дыма >200 ед.

Панели пола занимают значительную часть самолета. В магистральных самолетах с количеством мест от 200 их площадь превышает 100 м², с количеством мест от 24 до 80 составляет 14–45 м². Применение ПКМ при изготовлении панелей пола воздушных судов позволяет уменьшить массу изделий и значительно увеличить их долговечность, при этом сохраняя прочность и жесткость. Формованием (методом прессования) изготовлены образцы трехслойных сотовых конструкций панелей пола из углепластика марки ВКУ-59 на основе клеевого препрега марки КМКУ-6.80.УВ и стеклопластика марки ВПС-68 на основе клеевого препрега марки КМКС-6.80.Т60(ВМП). Далее представлены результаты исследований пожаробезопасности конструкционных элементов (трехслойные сотовые панели), изготовленных с обшивками из указанных ПКМ.

В табл. 3 приведены характеристики горючести трехслойных сотовых панелей.

Таблица 3

Результаты испытаний образцов трехслойных сотовых конструкций

панелей пола с обшивками из углепластика марки ВКУ-59

и стеклопластика марки ВПС-68 на горючесть

Установлено, что образцы трехслойных сотовых конструкций панелей пола с обшивками из клеевых препрегов угле- и стеклопластиков на основе клеевого связующего марки ВСК-14-6 по характеристикам горючести отвечают требованиям отечественных и зарубежных федеральных авиационных норм и корпоративных стандартов (Приложение F, Часть I (а) (1) (i)).

Проведены испытания образцов трехслойных сотовых конструкций панелей пола на соответствие требованиям АП-25 (Приложение F, Часть V) по дымообразующей способности с целью определения возможности их применения во внутренней части самолета (табл. 4).

Таблица 4

Результаты испытаний образцов трехслойных сотовых конструкций

панелей пола с обшивками из углепластика марки ВКУ-59

и стеклопластика марки ВПС-68 на дымообразующую способность

Образцы трехслойных сотовых конструкций панелей пола с обшивками из углепластика марки ВКУ-59 без декоративного покрытия имеют оптическую плотность дыма через 4 мин горения ≤200 ед. Оптическая плотность дыма трехслойной сотовой панели с обшивками из стеклопластика ВПС-68 превышает 200 ед.

Как отмечено в работе [20], в условиях пожара опасность для человека определяется следующими факторами: воздействие высоких температур, распространение пламени по поверхности материалов, снижение видимости из-за выделения дыма и образование токсичных продуктов горения. Увеличение доли применения ПКМ во внутренней части самолета за последние годы существенно повысило вероятность отравления пассажиров продуктами горения. В связи с этим важной задачей для обеспечения пожарной безопасности ПКМ и конструкций на их основе является определение токсичности продуктов горения.

Поскольку в федеральных (государственных) авиационных нормах требования по токсичности продуктов горения не предъявляются, каждая авиастроительная корпорация сама принимает решение о необходимости введения требований по токсичности к материалам, применяемым в их авиационной технике, а также определяет метод испытания и предельно допустимые значения.

В процессе термического воздействия из ПКМ выделяется широкий спектр веществ, поэтому в мировой практике принято определять ограниченный перечень газов, максимально опасных для человеческого организма. Разными стандартами во внимание принимается различное количество газов. Например, военно-морской стандарт NATO STANAG 4602 подразумевает измерение концентраций 19 различных газов, при оценке токсичности по ГОСТ 12.1.044‒89 определяются концентрации всего двух газов (CO и CO₂), некоторые документы устанавливают измерение концентраций трех газов (CO, CO₂, HCl или CO, CO₂, O₂).

В авиастроительных корпорациях Boeing и Airbus решили ограничиться измерением концентрации шести наиболее распространенных в продуктах горения неорганических токсичных газов, таких как NO_х (NO + NO₂), HCN, CO, HCl, SO₂, HF. Компания Bombardier приняла решение измерять концентрации восьми газов: в перечень дополнительно включены углекислый газ и бромистый водород. Каждая из корпораций установила свои предельно допустимые значения концентраций газов. Концентрации газов измеряются в условиях проведения испытаний на дымообразование – отбор газов проводится непосредственно сразу после окончания теста.

Необходимо отметить, что установленные авиационными корпорациями предельно допустимые значения концентраций напрямую не связаны со среднесмертельными (вызывающими смертность 50 % лабораторных животных) концентрациями, предельно допустимыми концентрациями газов в воздухе пассажирских салонов самолетов (параграф 25.831 авиационных норм) или предельно допустимыми концентрациями в воздухе жилой застройки (например, согласно СанПиН 1.2.3685–21).

Учитывая пожелания отечественных авиастроителей – возможных потребителей разработанных материалов, проведены испытания образцов трехслойных сотовых конструкций панелей пола из углепластика марки ВКУ-59 и стеклопластика марки ВПС-68 по определению токсичности продуктов горения (табл. 5). Для удобства сопоставления все значения приведены как в единицах измерения мг/м³, так и в концентрациях млн^–1 (ppm). В этой же таблице представлены среднесмертельные концентрации, согласно зарубежным стандартам ASTM и ISO, установленные предельные концентрации.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что конструкции панелей пола с обшивками из углепластика марки ВКУ-59 и стеклопластика марки ВПС-68 полностью соответствуют международным стандартам, которые могут быть использованы в авиастроении. Вместе с тем установлено, что содержание угарного газа (оксида углерода) в режиме горения превышает пороговый показатель, который предъявляет корпорация ПАО «Яковлев» к своим изделиям.

Поскольку разработанные материалы не в полной мере соответствуют требованиям СБ-21 (ПАО «Яковлев»), изучение вопроса предельно допустимой концентрации угарного газа на человека представило дополнительный интерес.

Оксид углерода относится к ядовитым газам без запаха. В табл. 6 приведена информация из справочника [21] о симптомах отравления угарным газом человека.

Таблица 5

Результаты испытаний образцов трехслойных сотовых конструкций

панелей пола с обшивками из углепластика марки ВКУ-59

и стеклопластика марки ВПС-68 на токсичность

Таблица 6

Сравнительная характеристика симптомов отравления

при длительном воздействии угарного газа

В соответствии с требованиями СБ-21 (ПАО «Яковлев»), концентрация угарного газа не должна превышать 200 мг/м³ при горении материала в течение 90 с. Концентрация угарного газа, образующегося при горении трехслойной сотовой панели с обшивкой из углепластика ВКУ-59 и стеклопластика ВПС-68, составила 250 и 300 мг/м³ соответственно.

Продолжительность эвакуации из самолета в случае летного происшествия в соответствии с требованиями авиационных норм не должна превышать 1,5 мин (90 с). За это время при концентрации угарного газа 7000 мг/м³ у людей не происходит потери сознания и не теряется возможность передвижения.

В случае возникновения летного происшествия во время полета допустимая в обычных эксплуатационных условиях концентрация угарного газа 1 часть на 20000 частей воздуха (50 млн^–1) обеспечивается за счет вентиляции. Концентрация CO снижается с 240 млн^–1 (300 мг/м³) до 50 млн^–1 за счет всего пятикратного обмена воздуха.

В требованиях ПАО «Яковлев» предельно допустимые концентрации токсичных газов, по сравнению с аналогичными нормами зарубежных авиастроителей, занижены в 5–800 раз, а по сравнению с переносимыми без дальнейшего вреда концентрациями ‒ завышены более чем в 35 раз для CO и более чем в 10–100 раз для других газов. Данное обстоятельство обращает внимание на необходимость внесения требований в СБ-21 (ПАО «Яковлев») исходя из общих принципов понимания токсикологии.

Заключения

По результатам испытаний на горючесть установлено полное соответствие требованиям авиационных норм углепластика марки ВКУ-59, стеклопластика марки ВПС-68 и сотовых конструкций на их основе.

Стекло-, углепластик и трехслойная панель на их основе обладают высокой дымообразующей способностью. Однако, согласно требованиям государственных авиационных норм, этот факт не является препятствием для применения трехслойных сотовых панелей данного состава в качестве панелей пола в пассажирской кабине, а также в качестве панелей пола, стен и потолка в багажно-грузовых отсеках.

Токсичность продуктов горения полимерных материалов в настоящее время в государственных авиационных нормах не регламентируется. Результаты испытаний на токсичность продуктов, выделяемых в процессе горения трехслойных сотовых конструкций панелей пола, показали соответствие требованиям, установленным ведущими мировыми авиастроительными корпорациями (Boeing, Airbus, Bombardier).