Ανάφλεξη, καύση και πυρόλυση σύνθετων αεροναυπηγικών υλικών και εξάπλωση φλόγας σε περίκλειστους χώρους

Abstract

The current thesis is focused on the investigation of fire behavior of aeronautical composite materials and flame spread in inaccessible areas of the aircraft. Research in this direction was deemed necessary as the increased use of composite materials in modern aircrafts, which under combustion and pyrolysis processes emit heat and toxic gases, poses the risk of significantly increasing the fire load, and consequently fire hazard, especially in a confined space such as the aircraft interior. Despite extensive research on the mechanical properties of composite materials, research on certain aeronautical materials such as sandwich composites in relation to their fire performance is very limited. Large or intermediate tests used by the US Federal Aviation Administration (FAA) and the European Aviation Safety Agency (EASA) for the certification of aviation materials are particularly costly and time consuming. Therefore, in recent years significant efforts have been made to establish simpler, performance-based Standards by using Small-Scale tests. However, their research includes tests that have a pass fail character and focus on the quantitative assessment of fire behavior of materials. It is apparent that employing small-scale devices and developing the appropriate analytical methods might provide a set of tools for evaluating fire behavior of materials from their design phase. This will ensure the development of new products in relation to their fire performance, as equipment and time requirements are significantly reduced since fewer experimental tests are required.First, the theoretical background relative to the current research is presented. In particular, the main processes and kinetics of the thermal decomposition of composite polymeric materials are described. The mechanisms of pyrolysis of a solid fuel under the influence of external heating are extensively analyzed, from the thermal decomposition stage, to the production of gaseous fuels that mix and lead to ignition, by describing the processes involved in both the solid and gaseous phases. Piloted ignition is thoroughly presented as all standard tests, such as the Cone Calorimeter, attempt to describe the ignition of solid fuels with the assistance of a source of pilot. The significant simplifications and hypotheses for the analytical solution of the surface temperature that lead to simple expressions of the external heat flux with the ignition time which essentially separate materials into thermally thick (having an internal thermal gradient) and thermally thin (uniform temperature distribution) are also presented. The ignition criteria are then given with special emphasis on the critical surface temperature criterion employed in the present work. Then the mechanisms of flame spread over solid fuels are analyzed and the experimental approaches and models adopted based on the literature review are also described. The problem of flame spread is approached depending on the air flow direction, as opposite and concurrent spread, over thermally thin or thick materials. The factors that affect the spread of the flame are also described along with the relative research conducted in this area. In order to study the thermal degradation process of the materials under investigation, tests performed in a Thermogravimetric Analyzer (TGA), at different heating rates, under inert atmosphere, are initially presented. The experimental results of the thermal degradation process including mass loss and its temperature derivative are first described and analyzed. The results were quite encouraging as they showed that the aeronautical materials tested in the current work had satisfactory thermal stability. Different analytical techniques were used and evaluated in order to calculate the kinetic parameters such as activation energy and pre exponential factor and to determine the reaction function of the decomposition process. Given that the main thermal decomposition stage of the composites consists of overlapping processes, one-step reaction was considered for the analysis, which is the simplest approach, especially for large-scale simulations, unlike for the thermoplastic cable where both single and multiple stage reactions were adopted. The analysis showed a satisfactory convergence of the measured variables that were then used for the reconstruction of the TGA curves which appeared to capture quite reliably the main phase of the decomposition process, proving that the adopted method has satisfactory predictive capability.The identification of thermal degradation processes and the calculation of the kinetic parameters are followed by the investigation of ignition and combustion mechanisms in the Cone Calorimeter apparatus at different levels of the intensity of the incident radiation. The construction of a customized sample holder for the specimens limiting to one-dimensional heat transfer along with the ability to measure the temperature on the exposed surface and on the back of the samples was used to calculate the ignition temperature and study the thermal degradation processes and heat transfer through the tested materials. The above measurements were assisted by the use of an infrared camera. Fire reaction properties were also measured including ignition time, heat release rate, smoke production, carbon dioxide, and carbon monoxide yield along with a set of parameters such as mass loss, effective heat of combustion, and total heat release. The excellent fire reaction properties such as the low amounts of heat release and the long ignition times showed that these materials are fire retardant. The formation of a char residue layer on the surface during their thermal decomposition also contributed to this behavior, affecting the heat transfer mechanisms to and from the combustion zone. The thermal properties were then calculated based on a modified analytical method and the results obtained were evaluated in comparison with the corresponding experimental values. The results of the method, which has been applied exclusively to common materials such as wood, showed satisfactory convergence, proving that this method can be used in a new expanded range of aeronautical materials.Finally, a novel experimental apparatus, the Confined Fire Apparatus (CFA), which was designed and constructed in order to measure flame spread parameters such as flame spread rate, critical heat flux for flame spread and ignition, and flame spread temperature in confined spaces such as the inaccessible areas of the aircraft is presented. The theoretical model developed to describe the problem based on the selected fire scenario and the experimental results performed in horizontal direction under free flow natural conditions, different imposed irradiant heat fluxes and preheating times are thoroughly analyzed. Flame spread rate was calculated either visually by analyzing the snapshots of the flame front in time or by the second time derivative of temperature by employing an array of thermocouples at a constant distance. The experimental results showed that the thermal flame spread model developed to describe the heat transfer mechanisms and the corresponding equations used had good predictive capability. In addition, fire reaction properties were measured via a tube connecting the CFA device to the Cone Calorimeter and correlation functions were developed between flame front displacement and heat release rate.

Το ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς στη φωτιά σύνθετων αεροναυπηγικών υλικών και η μελέτη εξάπλωσης της φλόγας σε μη προσβάσιμες ζώνες του αεροσκάφους. Η έρευνα προς αυτή τη κατεύθυνση κρίθηκε αναγκαία καθώς η αυξημένη χρήση σύνθετων υλικών στα σύγχρονα αεροσκάφη, τα οποία κατά την καύση και την πυρόλυση τους εκλύουν θερμότητα και τοξικά αέρια, ενέχει τον κίνδυνο να αυξήσει σημαντικά το φορτίο πυρκαγιάς, ιδιαίτερα σε ένα κλειστό χώρο όπως το εσωτερικό του αεροσκάφους, αυξάνοντας ως εκ τούτου την επικινδυνότητα εξαιτίας της φωτιάς. Παρά την εκτεταμένη έρευνα πάνω στις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών, η έρευνα για ορισμένα αεροναυπηγικά υλικά όπως τα σύνθετα πολυστρωματικά σε σχέση με την επίδοση τους στη φωτιά είναι ιδιαίτερα περιορισμένη. Οι δοκιμές μεσαίας ή μεγάλης κλίμακας που ακολουθούνται από την Ομοσπονδιακή Αρχή της Αεροπλοΐας των ΗΠΑ (FAA) και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Ασφάλειας της Αεροπλοΐας (EASA) για την πιστοποίηση των αεροπορικών υλικών είναι ιδιαίτερα δαπανηρές και χρονοβόρες και για το λόγο αυτό έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες τα τελευταία χρόνια για την καθιέρωση Προτύπων ελέγχου μικρής κλίμακας. Ωστόσο η έρευνα τους περιλαμβάνει δοκιμές που έχουν χαρακτήρα αποτυχίας ή επιτυχίας (pass fail character) και επικεντρώνονται στη ποσοτική εκτίμηση της συμπεριφοράς των υλικών στη φωτιά. Είναι αντιληπτό πως η διερεύνηση της συμπεριφοράς των υλικών στη φωτιά σε συσκευές μικρής κλίμακας και η ανάπτυξη κατάλληλων αναλυτικών μεθόδων μπορεί να παρέχει ένα σύνολο εργαλείων για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των υλικών στη φωτιά από τη φάση του σχεδιασμού τους. Αυτό θα εξασφαλίσει την ανάπτυξη νέων προϊόντων σε σχέση με την επίδοση τους στη φωτιά, καθώς περιορίζονται σημαντικά οι απαιτήσεις σε εξοπλισμό και χρόνο δεδομένου ότι χρειάζονται λιγότερες πειραματικές δοκιμές. Αρχικά περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο βασίστηκε η διεξαγωγή της έρευνας. Παρουσιάζονται ειδικότερα οι κύριες διεργασίες και η κινητική της θερμικής αποσύνθεσης των σύνθετων πολυμερών υλικών. Αναλύονται επίσης εκτεταμένα οι μηχανισμοί πυρόλυσης ενός στερεού καυσίμου υπό την επίδραση εξωτερικής θέρμανσης, από το στάδιο θερμικής αποικοδόμησης, έως την παραγωγή αερίων καυσίμων τα οποία αναμιγνύονται και οδηγούν στην ανάφλεξη, περιγράφοντας τις διεργασίες που εμπλέκονται τόσο στη στερεά όσο και στην αέρια φάση. Στη συνέχεια δίνεται έμφαση στη πιλοτική ανάφλεξη δεδομένου πως όλες οι τυποποιημένες δοκιμές όπως το Θερμιδόμετρο Κώνου, επιχειρούν την περιγραφή της ανάφλεξης των στερεών καυσίμων με κάποιας μορφής πιλότου. Παρουσιάζονται επίσης οι σημαντικές απλουστεύσεις και υποθέσεις για την αναλυτική λύση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια που οδηγούν σε απλές εκφράσεις του χρόνου ανάφλεξης και της εξωτερικής θερμοροής διαχωρίζοντας παράλληλα τα υλικά σε εκείνα που είτε εμφανίζουν θερμική βαθμίδα στο εσωτερικό τους (θερμικά παχιά), είτε η θερμοκρασία κατανέμεται ομοιόμορφα (θερμικά λεπτά). Παρουσιάζονται τα κριτήρια ανάφλεξης δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στο κριτήριο της κρίσιμης θερμοκρασίας επιφάνειας πάνω στο οποίο βασίστηκε η παρούσα εργασία.Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι μηχανισμοί εξάπλωσης της φλόγας σε στερεά καύσιμα και περιγράφονται οι πειραματικές προσεγγίσεις και τα μοντέλα που έχουν υιοθετηθεί βάσει της βιβλιογραφικής ανασκόπησης. Το πρόβλημα της εξάπλωσης προσεγγίζεται ανάλογα με την κατεύθυνση της ροής του αέρα, ως αντίθετης και υποβοηθούμενης εξάπλωσης, πάνω σε θερμικά λεπτά ή παχιά υλικά. Στη συνέχεια περιγράφονται οι παράγοντες που επιδρούν στην εξάπλωση της φλόγας παράλληλα με την έρευνα που έχει διενεργηθεί στο πλαίσιο αυτό.Προκειμένου να διερευνηθεί η διαδικασία θερμικής αποικοδόμησης παρουσιάζονται αρχικά οι δοκιμές που διεξήχθησαν στην μετρητική διάταξη Θερμοσταθμικής Ανάλυσης (TGA), σε διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης, κάτω από αδρανή ατμόσφαιρα. Αρχικά περιγράφονται και αναλύονται τα πειραματικά αποτελέσματα της θερμικής αποικοδόμησης για το σύνολο των υλικών που περιλαμβάνουν την απώλεια μάζας και την παράγωγο της σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Τα αποτελέσματα ήταν αρκετά ενθαρρυντικά καθώς ανέδειξαν πως τα αεροναυπηγικά υλικά που εξετάστηκαν είχαν ικανοποιητική θερμική σταθερότητα. Παρουσιάζονται επίσης οι διαφορετικές αναλυτικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν και αξιολογήθηκαν με σκοπό αρχικά τον υπολογισμό των κινητικών παραμέτρων όπως η ενέργεια ενεργοποίησης και ο προεκθετικός παράγοντας και το προσδιορισμό της συνάρτησης αντίδρασης στη συνέχεια. Για την ανάλυση των σύνθετων υλικών πραγματοποιήθηκε η θεώρηση μονοβάθμιας αντίδρασης με δεδομένο πως η κύρια θερμική αποσύνθεση τους αποτελείται από αλληλεπικαλυπτόμενες διεργασίες που αποτελεί και την πλέον απλουστευμένη προσέγγιση ιδιαίτερα για προσομοιώσεις μεγάλης κλίμακας, αντίθετα με το θερμοπλαστικό καλώδιο όπου χρησιμοποιήθηκε κινητική θεωρία ενός αλλά και πολλαπλών σταδίων. Η ανάλυση έδειξε ικανοποιητική σύγκλιση των μετρούμενων μεγεθών τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την ανακατασκευή των καμπυλών TGA η οποία ακολούθως έδειξε να αποτυπώνει αρκετά ικανοποιητικά την κύρια φάση της αποσύνθεσης, αποδεικνύοντας πως η μέθοδος που υιοθετήθηκε έχει καλή προβλεπτική ικανότητα.Μετά την ταυτοποίηση των διεργασιών θερμικής αποικοδόμησης και τον υπολογισμό των κινητικών παραμέτρων ακολούθησε η διερεύνηση των μηχανισμών ανάφλεξης και καύσης στο Θερμιδόμετρο κώνου σε διαφορετικά επίπεδα έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η κατασκευή μιας πρότυπης βάσης για τα δοκίμια που περιορίζει τη μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας με δυνατότητα μέτρησης της θερμοκρασίας στην εκτεθειμένη επιφάνεια και στην πίσω όψη των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας ανάφλεξης, την μελέτη της διαδικασίας θερμικής αποικοδόμησης και της μεταφοράς θερμότητας διαμέσου του υλικού. Οι ανωτέρω μετρήσεις ενισχύθηκαν χρησιμοποιώντας μια κάμερας υπέρυθρης ακτινοβολίας. Παράλληλα, μετρήθηκαν οι ιδιότητες αντίδρασης στη φωτιά συμπεριλαμβανομένου του χρόνου ανάφλεξης, του ρυθμού έκλυσης θερμότητας, της παραγωγής καπνού, του διοξειδίου και του μονοξειδίου του άνθρακα και ενός συνόλου παραμέτρων όπως η απώλεια μάζας, η ενεργή θερμότητα καύσης και η συνολική απελευθέρωση θερμότητας. Οι εξαιρετικές ιδιότητες αντίδρασης στη φωτιά όπως οι χαμηλές ποσότητες έκλυσης θερμότητας και οι υψηλοί χρόνοι ανάφλεξης, που μετρήθηκαν για το σύνολο των υλικών έδειξαν, πως πρόκειται για υλικά επιβράδυνσης της φωτιάς (fire retardant material). Σε αυτό συνέβαλε επίσης ο σχηματισμός του απανθρακώματος στην επιφάνεια κατά τη θερμική αποσύνθεση τους, γεγονός το οποίο φάνηκε πως είχε σημαντική επίδραση στους μηχανισμούς μεταφοράς θερμότητας από και προς τη ζώνη καύσης. Οι θερμικές ιδιότητες υπολογίστηκαν ακολούθως βάσει μια τροποποιημένης αναλυτικής μεθόδου και τα αποτελέσματα που προέκυψαν αξιολογήθηκαν σε σύγκριση με τα αντίστοιχα πειραματικά μεγέθη. Τα αποτελέσματα της μεθόδου, η οποία έχει εφαρμοστεί αποκλειστικά σε συνήθη υλικά όπως το ξύλο, έδειξαν πολύ καλή σύγκλιση αποδεικνύοντας πως μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα νέο διευρυμένο φάσμα αεροναυπηγικών υλικών.Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια νέα πρότυπη μετρητική διάταξη, η συσκευή Προσομοίωσης Πυρκαγιάς σε Περίκλειστους χώρους, Confined Fire Apparatus, που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε προκειμένου να υπολογιστούν οι παράμετροι εξάπλωσης της φλόγας όπως ο ρυθμός εξάπλωσης, η κρίσιμη θερμοροή εξάπλωσης και ανάφλεξης και η θερμοκρασία εξάπλωσης της φλόγας σε κλειστές δομές όπως οι μη προσβάσιμες ζώνες του αεροσκάφους. Περιγράφεται το θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε για την προσέγγιση του προβλήματος βάσει του σεναρίου φωτιάς που επιλέχθηκε και παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών που διεξήχθησαν σε οριζόντια διεύθυνση υπό φυσική κυκλοφορία του αέρα, διαφορετικές ροές θερμότητας και χρόνους προθέρμανσης. Ο ρυθμός εξάπλωσης της φλόγας υπολογίστηκε είτε οπτικά αναλύοντας τα στιγμιότυπα του μετώπου της φλόγας στο χρόνο, είτε, από τη δεύτερη παράγωγο της θερμοκρασίας στο χρόνο με τη βοήθεια μιας συστοιχίας θερμοζευγών σε σταθερή απόσταση. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν πως το θερμικό μοντέλο εξάπλωσης της φλόγας που αναπτύχθηκε για την περιγραφή των μηχανισμών μεταφοράς θερμότητας και οι αντίστοιχες εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν είχαν πολύ καλή προγνωστική ικανότητα. Επιπλέον μετρήθηκαν οι ιδιότητες αντίδρασης στη φωτιά μέσω ενός αγωγού ο οποίος ξεκινά από τη συσκευή CFA και καταλήγει στο θερμιδόμετρο κώνου και παράλληλα αναπτύχθηκαν συναρτήσεις συσχετισμού μεταξύ της μετατόπισης του μετώπου της φλόγας και του ρυθμού έκλυσης θερμότητας.