Ανάφλεξη, καύση και πυρόλυση σύνθετων αεροναυπηγικών υλικών και εξάπλωση φλόγας σε περίκλειστους χώρους
Authors: Παπαδόγιαννη Βασιλική 
Published: November 2021

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.