Теплоотражающее покрытие для защиты надувных конструкций от воздействия теплового потока

Введение

В случае летного происшествия при возникновении пожара или при аварийной посадке воздушного судна крайне важно максимально быстро провести эвакуацию пассажиров и членов экипажа. Эвакуация может осуществляться с использованием различных спасательных средств, в том числе аварийно-спасательных надувных трапов. По конструкции надувной трап представляет собой матерчатую дорожку для спуска людей, по краям которой размещены надувные баллоны, придающие трапу жесткость и устойчивость. Такой аварийно-спасательный трап предназначен для эвакуации людей с борта воздушного судна на сушу. Существует также аварийно-спасательный трап-плот, предназначенный для эвакуации людей как на сушу, так и на воду. Он может быть отсоединен от воздушного судна и использован в качестве группового плавсредства.

Спасательные надувные конструкции не предназначены для работы в контакте с открытым пламенем, так как эвакуацию людей сквозь огонь проводить крайне сложно из-за очень высоких температур, воздействия мощного теплового потока, токсичных продуктов горения, а также по чисто психологическим причинам. Эвакуация людей проводится в местах с возможно меньшим воздействием огня: наветренная часть фюзеляжа, наиболее удаленные от пожара части (носовая или хвостовая). Однако из-за наличия мощного очага пламени от разлившегося топлива полностью избежать воздействия теплового потока, как правило, не удается. Поэтому необходимо, чтобы надувные конструкции сохраняли работоспособность в течение заданного срока эвакуации при максимально возможном при эвакуации тепловом потоке.

Материалы для надувных спасательных средств, работающих в условиях пожара, должны удовлетворять высоким требованиям [1] – особенно по стойкости к тепловому потоку. Требования по сохранению герметичности изложены в параграфах 21.605(а)(3) и 21.143(а) части 21 «Certification procedures for products and parts» авиационных норм США (FAR) и Европы (CS). Минимальные технические требования устанавливаются стандартами TSO-C69c [2]. Таким образом, разработка отечественных лакокрасочных материалов для защиты тканепленочных материалов надувной оболочки аварийно-спасательного трапа, отвечающих требованиям технических стандартов, остается актуальной задачей. Необходимо подчеркнуть, что разработка защитных лакокрасочных материалов входит в «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», поэтому работа выполнена в рамках комплексного научного направления 17. «Комплексная антикоррозионная защита, упрочняющие, износостойкие защитные и теплозащитные покрытия» [3].

Существующие эмали с теплоотражающими свойствами предназначены для нанесения на металлы или углепластики, но не на ткани. Известно двухслойное покрытие из кремнийорганического каучука, аэросила и отвердителя на ткани из особо прочных волокон для изготовления огнестойкого материала. Дополнительно покрытие содержит гидрат оксида алюминия. Температура сушки покрытия составляет 170–220°С [4]. Недостатками указанной композиции для получения покрытия являются большой привес от покрытия (˃55 г/м²), а также высокотемпературная сушка покрытия, что неприемлемо для крупногабаритных конструкций. Теплоотражающая эпоксидная композиция, модифицированная полиакриловым сополимером [5], где в качестве наполнителя используются стеклянные полые микросферы, также имеет привес ˃100 г/м².

Известна также полимерная теплоотражающая композиция для покрытия, наносимая на внешнюю сторону гибкой ткани авиационного спасательного трапа, состоящая из уретанового каучука, пламезамедлителя, алюминиевого наполнителя и растворителя [6]. Композиция отверждается изоцианатом. Недостатками покрытия, полученного на основе этой композиции, являются низкая стойкость к воздействию теплового излучения: при интенсивности теплового потока 1,7 Вт/см² по истечении 15 мин цвет теплоотражающего покрытия изменяется до коричневого, что свидетельствует о существенном изменении отражательных характеристик, а также привес от теплоотражающего покрытия, который составляет 110 г/м².

Таким образом, лакокрасочные материалы такого назначения должны обладать высокими адгезионными свойствами к тканепленочному материалу трапа и к клеевым швам, высокой отражательной способностью, стойкостью к тепловому излучению интенсивностью 1,7 Вт/см² в течение не менее 180 с, что позволит увеличить время работоспособности покрытия и, соответственно, тканевой основы надувного трапа и
обеспечит своевременную эвакуацию людей из опасной зоны. При этом важно минимизировать привес от покрытия.

Таким требованиям удовлетворяет теплоотражающие покрытие на основе эмали ВЭ-72, нанесенное на тканепленочный материал ВРТ-9 [7, 8] для надувной оболочки аварийно-спасательного трапа и обеспечивающее стойкость материала ВРТ-9 к воздействию теплового потока интенсивностью 1,7 Вт/см² в течение более 30 мин. За рубежом применяют сопоставимый по уровню свойств материал арт. М-11673 фирмы Air Cruisers Company (США). В связи с таким ответственным назначением тканепленочного материала с теплоотражающим покрытием особое значение приобретает контроль качества защитных материалов и покрытий [9].

Материалы и методы

Теплоотражающая эмаль ВЭ-72 представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из раствора каучука, наполнителя и отвердителя. Для определения технических характеристик проведены исследования адгезии, блеска, отражательной способности в исходном состоянии и после испытаний на термоциклирование и теплового ресурса теплоотражающего покрытия на основе эмали ВЭ-72.

Отражательная способность лакокрасочного покрытия характеризуется такими оптическими свойствами, как коэффициент отражения и блеск. Измерение блеска теплоотражающего покрытия на основе эмали ВЭ-72, нанесенной на тканепленочный материал ВРТ-9, в исходном состоянии и после испытаний проводили блескомером с углом замера 45 град (согласно ГОСТ 896–69). Измерение коэффициента отражения теплоотражающего покрытия проводили фотометром ФМ-59 (согласно РТМ1.2.154–93).

Испытание на термоциклирование проводили согласно методике ММ1.595-15-133–2002 по циклу ЛИ-14. Каждый цикл включает выдержку:

– в камере при относительной влажности 97±3% и температуре 20±2°С в течение 16,5 ч;

– в холодильной камере при температуре -60±2°С в течение 1 ч;

– в термостате при температуре +80±2°С в течение 2,5 ч.

Испытания на тепловой ресурс проводили при непрерывном нагреве при температуре +100°С в течение 500 ч.

Испытаниям подвергались в том числе склеенные образцы тканепленочного материала с теплоотражающим покрытием ВЭ-72. Для этого образцы тканепленочного материала с покрытием склеивали внахлест с помощью клеев ВКР-24 и ВКР-27, затем на клеевые швы наносили эмаль ВЭ-72 в два слоя. Адгезию к клеевым швам определяли согласно ГОСТ 15140–78 через 1 сут выдержки в дистиллированной воде.

Значимой характеристикой средств спасения является их пожароопасность [10, 11] – в частности, горючесть и тепловыделение. Испытания на горючесть проводили в камере горючести по методу АП-25, Приложение F, Часть 1. Испытания на тепловыделение проводили на проточном калориметре HRR-3 фирмы Atlas Material Testing Solutions (США) на образцах из тканепленочного материала ВРТ-9 размером 150×150 мм.

Согласно разделу 9 Справочника по проведению огневых испытаний материалов авиационного назначения – Handbook [12], для материалов спасательных средств рекомендуется применение метода, изложенного в TSO-C69с. Этот метод также изложен и в ASTM F828. При испытаниях в России используется отечественный вариант метода – ММ1.595-20-363–2008.

Для проведения испытаний применяется специальное испытательное оборудование, подробное описание которого приведено в указанных нормативных документах.

Для проведения испытаний на территории России во ФГУП «ВИАМ» на основе технического стандарта TSO-C69с и соответствующего раздела Handbook разработана конструкторская документация и изготовлено испытательное оборудование, полностью соответствующее требованиям как отечественных авиационных норм, так и технических требований Федеральной Авиационной Администрации США.

Испытания на стойкость к тепловому импульсу в исходном состоянии и после теплового воздействия и переменного воздействия температуры и влажности проводили на установке в соответствии с ММ1-595-20-363–2008 при интенсивности теплового потока 1,7 Вт/см² и начальном избыточном давлении 20 кПа. Схема оборудования представлена на рис. 1, а внешний вид – на рис. 2.

Рис. 1. Схема испытательной аппаратуры для проведения испытаний материалов на сохранение герметичности при воздействии лучистого теплового потока

Рис. 2. Внешний вид испытательного оборудования

Испытательная аппаратура состоит из закрытого с одного конца горизонтально установленного цилиндра в виде стакана, снабженного системой подачи сжатого воздуха и прибором, измеряющим давление в цилиндре. С открытой стороны цилиндра изготовлен держатель образца. Испытываемый образец герметичного материала закрепляется на держателе в виде диафрагмы, обеспечивающей сохранение избыточного давления в цилиндре. Цилиндр с держателем образца имеет цапфу и ползун, обеспечивающие возможность их перемещения вдоль по направляющим стержням для возможности установки на различном расстоянии от источника теплового потока.

Цилиндр должен иметь длину 314 мм с внешним диаметром 178 мм и внутренним диаметром 165 мм. В дне цилиндра имеется штуцер для подачи сжатого воздуха. С открытой стороны к цилиндру приварено кольцо толщиной 13 мм с наружным и внутренним диаметрами 178 и 140 мм соответственно. В кольце имеются восемь отверстий с резьбой для закрепления штифтов. Другое кольцо с внутренним диаметром 140 мм и толщиной 13 мм также имеет восемь отверстий под штифты и служит для закрепления испытываемого образца. Для обеспечения герметичности между кольцами и образцом устанавливаются две резиновые (неопреновые) кольцевые прокладки. К бокам цилиндра приварены шарниры и стопоры.

Для калибровки теплового потока используется стандартный датчик – калориметр полного теплового потока Гордона (Gardon Gage^®) диаметром 1 дюйм, имеющий водяное охлаждение и позволяющий измерять тепловой поток в интервале от 0 до 57 кВт/м² (в международной системе: 0–5 Btu/(ft²∙sec)). Калориметр монтируют на панели из термостойкого теплоизоляционного материала диаметром ~120 мм и толщиной 19 мм и закрепляют на шарнире к одному из ползунов рамы. Показания калориметра измеряют и записывают при помощи необходимой аппаратуры. Расположение и мощность нагревателя регулируют таким образом, чтобы интенсивность теплового потока на поверхности образца составляла 1,7 Вт/см² (17 кВт/м² или 1,5 Btu/(ft²∙sec)).

На основании организованных Техническим центром FAA межлабораторных испытаний установлено, что регулировка теплового потока путем изменения расстояния от образца до источника лучистого теплового потока приводит к существенному разбросу значений по результатам, полученным в различных испытательных лабораториях [13, 14]. Поэтому в Техническом центре FAA США в течение нескольких лет проведены исследования [15–22] и ревизия методики проведения испытаний, а схема настройки величины теплового потока по измерению мощности электропечи принята в качестве обязательной [23]. Конструкция, используемая во ФГУП «ВИАМ», позволяет производить регулировку теплового потока по обоим вариантам метода испытаний.

Сжатый воздух от компрессора подается в цилиндр через систему игольчатых вентилей, обеспечивающих регулировку и заполнение цилиндра до необходимого установленного давления, равного рабочему давлению в надувных конструкциях. Показания манометра, обеспечивающего измерение давления в цилиндре, регистрируют. За потерю герметичности принимается время начала падения избыточного давления в испытательном цилиндре.

Для испытаний изготавливают следующие образцы. Из материала, подлежащего испытаниям, вырезают три образца ø180 мм и пробивают в них отверстия ø6 мм, соответствующие крепежным штифтам на держателе цилиндра. Перед испытаниями образцы должны быть кондиционированы при температуре 21±3°C и относительной влажности 50±5% в течение не менее 24 ч.

Критерии приемки, т. е. соответствие материала требованиям авиационных норм, следующие: должно быть испытано не менее трех образцов на воздействие теплового потока интенсивностью 1,7 Вт/см² при избыточном внутреннем давлении, равном рабочему давлению в надувной конструкции; результаты испытаний должны быть усреднены; среднее время потери герметичности из трех испытаний не должно быть ˂180 с, причем ни у одного из трех испытанных образцов данное время не должно быть ˂90 с.

Результаты

По результатам исследования технических характеристик установлено, что адгезия покрытия на основе эмали ВЭ-72 в исходном состоянии соответствует значению 1 балл (табл. 1) и не ухудшается после выдержки в дистиллированной воде, испытаний на термоциклирование и тепловой ресурс. Адгезия эмали ВЭ-72 к тканепленочному материалу в области клеевых швов также соответствует значению 1 балл и сохраняется на исходном уровне после испытаний. Блеск теплоотражающего покрытия на основе эмали ВЭ-72 в исходном состоянии составляет 85%, коэффициент отражения 0,80–0,87. Показатели блеска и коэффициента отражения после испытаний на термоциклирование незначительно снижаются (на 2–3%), а после испытаний на тепловой ресурс сохраняются на исходном уровне (табл. 1).

Таблица 1

Технические характеристики эмали ВЭ-72

При испытаниях на горючесть отмечено, что тканепленочный материал с теплоотражающим покрытием ВЭ-72 относится к категории трудносгорающих, общее количество выделяемого при горении тепла составляет 18 (кВт·мин)/м².

Испытания на тепловыделение показали, что теплоотражающее покрытие на основе эмали ВЭ-72, нанесенное на тканепленочный материал, снижает общее количество выделившегося тепла, которое составляет 18 (кВт·мин)/м², что в 1,5 раза меньше, чем для того же тканепленочного материала без теплоотражающего покрытия.

При испытаниях на стойкость к тепловому импульсу интенсивностью 1,7 Вт/см² образцов из тканепленочного материала ВРТ-9 с теплоотражающим покрытием на основе эмали ВЭ-72 (в том числе с клеевыми швами) получено, что образцы выдерживают воздействие теплового потока более 15 мин как в исходном состоянии, так и после испытаний (табл. 2). Для сравнения испытали образцы тканепленочного материала без теплоотражающего покрытия и установили, что он выдерживает воздействие теплового потока только в течение 20 с (табл. 3). Приведены также результаты испытаний образцов из тканепленочных материалов других типов – на основе полиамидного волокна (капрон) и полиэфира (лавсан).

Таблица 2

Стойкость к тепловому импульсу интенсивностью 1,7 Вт/см² образцов

из тканепленочного материала с теплоотражающим покрытием ВЭ-72,

в том числе с клеевыми швами

Таблица 3

Эффективность применения полимерной теплоотражающей композиции на различных

тканепленочных материалах (стойкость к тепловому импульсу теплоотражающего

покрытия ВЭ-72, нанесенного на тканепленочные материалы различных типов)

Обсуждение и заключения

Исследования показали, что теплоотражающее покрытие ВЭ-72 обладает высокими техническими характеристиками, а также доказали высокую эффективность теплоотражающих свойств покрытия: продолжительность сохранения заданного избыточного давления 20 кПа при воздействии внешнего теплового потока интенсивностью 1,7 Вт/см² составляет 15 мин даже при наличии клеевых швов, что в 5 раз превышает требования стандарта ТSО-С69с и в 3 раза превышает показатели зарубежного аналога – материала арт. М-11673 (табл. 4). Ткань ВРТ-9 на основе арамидного волокна СВМ [24] обладает наибольшей прочностью по сравнению с тканепленочными материалами на основе капрона и лавсана. Тем не менее доказано, что теплоотражающее покрытие ВЭ-72 позволяет значительно повысить стойкость указанных тканепленочных материалов к воздействию теплового потока и сохранять заданное избыточное давление (табл. 3).

Таблица 4

Сравнительные характеристики теплоотражающего покрытия ВЭ-72

с материалом арт. М-11673 фирмы Air Cruisers Company (США)

Рис. 3. Внешний вид тканепленочного материала ВРТ-9 с теплоотражающим покрытием ВЭ-72

Таким образом, теплоотражающее покрытие [25] может использоваться при изготовлении тканепленочных материалов для спасательных надувных конструкций (трапов, плотов), дирижаблей, надувных ангаров, теплоотражающих экранов, щитов и одежды для пожарных [26]. Внешний вид тканепленочного материала с теплоотражающим покрытием представлен на рис. 3.