Первые системы НГ появились в годы второй мировой войны, как средство повышения живучести самолётов при боевых повреждениях. Для предотвращения взрыва паров бензина при прострелах топливных баков стали применять наддув баков охлаждёнными выхлопными газами, отбираемыми из выхлопных коллекторов моторов.
В настоящее время для предотвращения пожаров и взрывов паров топлива при аварийных ситуациях (боевые повреждения или вынужденные посадки) все военные и некоторые гражданские самолёты имеют систему заполнения баков нейтральным газом (НГ). Обычно это азот или техническая углекислота в баллонах высокого давления, иногда применяются бортовые генераторы нейтрального газа (например, на Ил-76 или Ан-22). Нейтральный газ в течение полёта по программе подаётся в топливные баки, по мере выработки топлива, от той же самой бортовой топливной автоматики, управляющей порядком расхода.
На некоторых самолётах, для снижения пожароопасности топлива (в том числе), применяется т.н. азотирование топлива, то есть перед полётом топливо предварительно, от специальной установки перенасыщается газообразным азотом. Эта технология достаточно редкая, на отечественных ЛА впервые применялась на Ту-144. Сейчас применяется, в частности, на Ту-160.
Горение - это сложное, быстропротекающее самоускоряющееся физико-химическое превращение, сопровождающееся выделением тепловой энергии и света. Основа горения - комплекс окислительно-восстановительных реакций горючих веществ с окислителем. При взрыве в ограниченном (замкнутом) объеме за короткий промежуток времени проходит процесс освобождения большого количества энергии, в результате чего вещество, заполняющее объем, превращается в сильно нагретый газ с очень высоким давлением, значение которого превышает предел прочности конструкции. Для возникновения пожара или взрыва необходимо наличие горючего вещества, окислителя и источника воспламенения.
Пожар (или взрыв) на борту ЛА может возникнуть в результате утечки и попадания на нагретые элементы конструкции горючих жидкостей из топливной, масляной и гидравлической систем, разрушения двигателя, разрядов статического электричества внутри топливных баков и поражения молнией, боевого поражения ЛА.
По физико-химическим условиям процесса горения вероятность возникновения пожара на борту ЛА наиболее высока на взлетно-посадочных режимах и при полете на малых высотах.
Пожар на борту в полете очень скоротечен, особенно в полете за счет интенсивного поступления кислорода из обтекающего самолет потока воздуха. Авиационные топлива самовоспламеняются при температуре 230-240°С. Температура горения топлива достигает 1100°С, температура плавления алюминиевых сплавов - 650°С, сталей - 1500°С, и в условиях пожара живучесть элементов конструкции не превышает 1-5 мин.
Тушение пожара на борту осложняется тем, что прямой доступ человека в зону пожара во многих случаях невозможен.
Поэтому комплекс средств противопожарной защиты самолета включает пассивные средства (конструктивные мероприятия) и активные средства - собственно противопожарные системы (ППС).
Конструктивно-компоновочные мероприятия способствуют предотвращению условий, при которых может возникнуть пожар или взрыв, и локализации зоны пожара для облегчения борьбы с ним.
Агрегаты и коммуникации (трубопроводы пожароопасных систем и электропроводка) компонуются таким образом, чтобы исключить возможность воспламенения горючих жидкостей. Наиболее пожароопасные отсеки отделяются от остальной конструкции огнестойкими противопожарными перегородками, обеспечивается охлаждение и теплоизоляция горячих частей самолета, вентиляция отсеков и дренирование мест возможного скопления горючих жидкостей при утечке их из систем. В конструкции применяются огнестойкие, трудновоспламеняемые и негорючие материалы.
На боевых самолетах применяется протектирование внутренних стенок топливных баков пенопластом, поры которого заполнены коагулятором (от лат. coagulatio - свертывание, сгущение), твердеющим при контакте с воздухом при возникновении пробоины в результате боевого повреждения или удара молнии. Коагулятор, вытекая из пор пенопласта в пробоину, заполняет ее, затвердевает и предотвращает вытекание топлива. Внутренние объемы баков заполняют легким полиуретановым поропластом, имеющим сетчатую (губчатую, пористую) структуру, который обеспечивает самозатухание процесса горения независимо от причины его возникновения. Это существенно увеличивает пожаровзрывобезопасность, повышает боевую живучесть самолета, естественно, при определенных затратах полезного объема топливных баков и массы.
Специальная обработка топлива перед заправкой позволяет снизить его испаряемость и выделение растворенного в нем кислорода, что уменьшает вероятность возникновения взрыва.
Так, охлаждение топлива не только снижает его испаряемость, уменьшает концентрацию взрывоопасных паров керосина в надтопливном пространстве баков, но и повышает плотность топлива, что позволяет при имеющихся на борту объемах топливных баков увеличить запас топлива.
Десатурация (от лат. de - приставка, означающая отделение, и лат. saturo - насыщаю, наполняю) - выдерживание топлива в специальных емкостях с пониженным давлением - и азотирование ("промывание" топлива жидким азотом) перед заправкой позволяют удалить растворенный в нем кислород.
Желатинизация (от лат. gelatus - замерзший, застывший) топлива - добавление в него специальных присадок, придающих топливу псевдокристаллическую (студнеобразную) структуру, - и эмульгирование топлива, т. е. приготовление из топлива со специальными присадками устойчивой высокодисперсной эмульсии (новолат. emulsio, от лат. emulgeo - дою, выдаиваю; одной из первых изученных эмульсий было молоко), делают топливо менее подверженным воспламенению и взрыву, поскольку такие топлива обладают меньшей скоростью испарения и скоростью распространения пламени. Однако для использования желатинизированных и эмульгированных топлив необходима существенная доработка топливных систем.
Естественно, что эти пассивные меры защиты от пожара и взрыва требуют специального наземного оборудования для подготовки топлива на всех аэродромах, где предполагается базирование ЛА.
Дренаж топливных баков и наддув нейтральными газами (см. раздел 14.3) также относятся к пассивным средствам защиты от пожара.
Топливные баки в кессонах крыла располагают на некотором расстоянии от его законцовки, что снижает вероятность поражения бака молнией.
Во избежание искрового разряда на борту проводится металлизация, т. е. соединение токопроводящими перемычками (перемычками металлизации) для выравнивания электрических потенциалов всех частей и агрегатов самолета. Накопленный заряд "стекает" в атмосферу через разрядники статического электричества, установленные на законцовках крыла и хвостового оперения, или в землю при посадке через зарядосъемники, установленные на шасси. Отметим здесь, что металлизация уменьшает помехи радиоприему и дает возможность использовать корпус самолета в качестве второго провода бортовой электросети.
Противопожарные системы обеспечивают выявление очага пожара и подавление его.
Выявление очага пожара, подача светового и звукового сигнала экипажу и автоматическое включение средств пожаротушения - функции системы сигнализации о пожаре, датчики которой устанавливаются в наиболее пожароопасных отсеках, на современных ЛА это, как правило, отсеки основных и вспомогательных силовых установок.
Тепловые датчики ППС реагируют на повышение или превышение некоторого предельного значения температуры в контролируемом отсеке. Ионизационные датчики реагируют на повышение ионизации воздуха при появлении пламени. Радиационные (световые) датчики срабатывают при появлении пламени или дыма, реагируя на излучение пламени в инфракрасной части спектра или на рассеяние появившимся дымом света сигнальных ламп.
Физика процессов горения определяет способы борьбы с пожаром: снижение концентрации кислорода в очаге горения применением нейтральных газов (обезвоженной углекислоты, азота и др.), отвод тепла от очага горения применением веществ, вступающих в химические реакции с продуктами горения со значительным поглощением тепла, существенно понижающих температуру и ухудшающих условия горения. Это фреоны или хладоны - галогенсодержащие органические соединения на основе фтора, брома.
Средства пожаротушения ППС обеспечивают хранение и подачу огнегасящего состава в зону пожара, а также служат для его предупреждения в случае аварийной посадки ЛА с убранными шасси.
ППС гражданских самолетов и вертолетов имеет не менее двух-трех очередей подачи огнегасящего состава в пожароопасные зоны. При этом первая очередь подачи огнегасящего состава включается автоматически. Включение последующих очередей осуществляется только лично членом экипажа.
На боевых маневренных самолетах обычно используются полностью автоматические ППС, состоящие из одной очереди подачи, что, с одной стороны, объясняется жестким лимитом массы, которую на боевом самолете целесообразнее использовать на системы наступательного и оборонительного вооружения, а с другой - возможностью экипажа покинуть аварийную машину.
Наиболее широко применяются баллонные ППС, когда запас огнегасящего состава в жидком или газообразном состоянии хранится в баллонах (огнетушителях) высокого давления.
Компоновочная схема защиты от пожара и взрыва среднемагистрального пассажирского самолета приведена на рис. 15.23.
Для тушения пожара в гермокабине имеются ручные переносные углекислотные огнетушители 2 в кабине экипажа и в разных концах пассажирской кабины.
Система тушения пожара в гондолах двигателей состоит из шести огнетушителей 6 с пиротехническим пусковым устройством, которые разряжаются в три очереди (по два огнетушителя в каждой очереди).
Выносной элемент рисунка показывает размещение огнетушителей 6 под полом пассажирской кабины.
Блоки электромагнитных кранов 8 (правый по полету - основной, левый - аварийный) распределяют огнегасящий состав между правой и левой гондолами двигателей.
Распылительные коллекторы 12 из стальных труб с распыливающими отверстиями установлены на двигателе, а коллекторы 13 - на передней противопожарной перегородке гондолы и в пилоне.
Рис. 15.23. Компоновочная схема ППС пассажирского самолета
Датчики системы сигнализации 10 установлены в разных частях гондолы. При увеличении температуры внутри гондолы со скоростью не менее 2°С в секунду и одновременном нагреве датчиков до температуры 150°С они подают управляющий сигнал на исполнительный блок 11, который автоматически включает в работу первую очередь огнетушителей.
Аналогично работает система тушения пожара внутри двигателей от двух огнетушителей 7 с пиротехническим пусковым устройством, которые разряжаются в две очереди через блоки электромагнитных кранов 8, которыми управляет экипаж по сигналам датчиков 9 о пожаре в двигателе.
Для предотвращения возникновения пожара в гондолах двигателей при посадке с убранным шасси или при поломке одной из ног шасси ударные механизмы 1, установленные в носовой части фюзеляжа, на стойках основных ног шасси и на консолях крыла, подают сигнал на пиропатроны огнетушителей. Все шесть огнетушителей разряжаются в мотогондолы, создавая там среду, предотвращающую горение.
Центральный топливный бак 3 оборудован системой предотвращения взрыва, обеспечивающей подачу хладона в надтопливное пространство через распылительный коллектор 4 от огнетушителей 5. Система предотвращения взрыва включается вручную из кабины экипажа при возникновении пожара в отсеке шасси, расположенном за центральным баком, или перед посадкой с убранным шасси. Если экипаж ошибочно не включил систему, она включается автоматически по сигналам ударных механизмов 1.
Хладоновые системы защиты топливных баков от взрыва постоянного действия подают хладон в надтопливное пространство всех баков, где он смешивается с воздухом, поступающим от системы кондиционирования воздуха, и поддерживают на протяжении всего полета заданную концентрацию этой смеси в зависимости от условий полета и расхода топлива.
Отметим, что экспериментально отработана автоматическая система подавления взрыва, которая на протяжении всего полета должна находиться в дежурном состоянии, но реагирует на начало взрыва и подавляет его. Свет от зарождающегося взрыва воспринимается датчиком, который передает сигнал на пирогидравлическую пушку, впрыскивающую в защищаемый объем распыленный факел хладона. Высокое быстродействие всей системы обеспечивает нейтрализацию хладоном топливовоздушной смеси в баке, предотвращая развитие процесса взрыва.
Комплекс методов и бортовых средств защиты от пожара и взрыва определяется на самых ранних стадиях проектирования ЛА с учетом эффективности, надежности, массы всех элементов системы.