第4卷 第1期 民航学报

2020 年 1 月 JOURNAL OF CIVIL AVIATION

Vol.4 No.1 Jan. 2020

哈龙替代灭火剂在飞机手提式灭火器上的应用及适航研究

吴海涛 1,2，柳 华 1，曾 泰 1，陈 龙 1,2，夏祖西 1

（1. 中国民用航空局第二研究所，四川 成都 610207；

2. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）

摘 要：手提式灭火器是飞机运行的重要安全保障设备。自上世纪 80 年代以来，民航业一直采用哈龙灭火器。但是研究发现，哈龙类灭火剂对大气臭氧层有破坏，导致到达地球表面的紫外线明显增加，因此国际民航组织要求飞机手提式哈龙灭火器需逐步替换为环保型的灭火器。本文通过分析国内外哈龙替代灭火剂的历史问题及发展现状，对比国内外灭火器适航政策，总结出当前国内飞机手提式灭火器面临的适航取证难点及建议。关键词：哈龙替代；灭火剂；适航

中图分类号：V244.1 文献标识码：A

Study on Airworthiness and Application of Halon Replacement on Aircraft Portable Fire Extinguishers

WU Haitao1,2, LIU Hua1, ZENG Tai1, CHEN Long1,2, XIA Zuxi1

（1.The Second Research Institute of CAAC, Chengdu 610207, Sichuan, China; 2.University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China）

Abstract: The portable fire extinguisher is an important safety device for the aircraft. Halon fire extinguisher has been widely used in civil aviation since the 1980s. But studies have found that halon fire extinguishing agents deplete the ozone layer, leading to a sharp increase of ultraviolet rays reaching the surface of the earth. Therefore, the ICAO required that halon portable fire extinguishers for use in aircraft should be gradually replaced with environmentally friendly portable fire extinguishers. This paper summarizes the difficulties in domestic airworthiness certification of environmentally friendly portable fire extinguishers and gives some suggestions for improvement by analyzing the historical problems and current situation of halon replacement and comparing relevant policies for aircraft portable fire extinguishers at home and abroad.

Key words: halon replacement; fire extinguishing agent; airworthiness

0 概述

飞机手提式灭火器是保障飞机运行安全的一项重要应急装置， 我国民航规章 CCAR-23.851[1]、CCAR-

25.851[2]、CCAR-29.851[3] 等条款对民用飞机载人舱内手提式灭火器数量、分布以及取用方便性等做了明确规定。哈龙 1211 灭火剂，即二氟一氯一溴甲烷，由于具有灭火高效、无毒、无残留、不导电，以及稳定的化学

资助项目：新型手提式灭火器灭锂电池火的使用推广技术和 1211 灭火器回收处置技术研究（中国民用航空局安全能力建设基金项目）。

作者简介：吴海涛，男，安徽颍上人，副研究员，主要从事飞机防火灭火、飞机适航审定技术等方面的研究。

性质、对金属无腐蚀等诸多优点，从诞生以来，一直是飞机手提式灭火器的首选，得到长期广泛的应用。

但随着科学技术的不断进步，1974 年美国科学家

Rowland[4] 等人发现了氟氯烃化合物对大气臭氧层具有极大的破坏作用，导致了地球的生态失衡。因此，联合国环境规划署紧急推出了一系列条约，限制哈龙等氟氯烃类化合物的生产和使用。1985 年 3 月《保护臭氧层维也纳公约》在维也纳签署，1987 年 9 月《关于臭氧层消耗物质的蒙特利尔议定书》[5] 在加拿大签署。议定书各缔约国会议又分别于 1992 年、1995 年、1997 年和 1999 年通过了哥本哈根修正案、维也纳修正案、蒙特利尔修正案和北京修正案，这些修正案进一步加快了哈龙灭火剂在内的消耗臭氧层物质停用的步伐，并且对于哈龙灭火剂的使用、运输和存储等方面进行了严格的限制。美国的灭火器认证机构美国保险商试验所

（Underwriter Laboratories Inc.，简称 UL）表示将在 2025年 1 月 1 日后不再对哈龙 1211 手提式灭火器进行认证。国际民航组织（ICAO）和欧洲航空安全局（EASA）也规定，2018 年 12 月 31 日后所有初次申请适航证的飞机不得使用哈龙手提式灭火器。

因此，开发一种性能优于哈龙 1211 且对环境影响很小的新型环保飞机手提式灭火器替代哈龙灭火器迫在眉睫。但由于民机客舱与其他场所有着显著的区别：密闭空间，人员密集，飞行过程中通风主要依靠空调系统内部循环，这使得灭火时产生的烟、热以及灭火剂蒸汽不易排出，这就要求我们在研究飞机新型手提式灭火器时，要结合飞机火灾特有的环境情况进行分析。

1. 哈龙替代灭火剂的发展

1. 哈龙替代灭火剂的选择历史、程序

哈龙替代灭火剂的发展历史是火灾科学与环保要求共同发展的一个缩影。1990 年，美国标准技术研究院

（NIST）发布的 NIST 技术报告 1279 号 [6] 给出了筛选哈龙替代品的理论依据，通过该物质对臭氧层消耗机理、燃烧机理、灭火机理、灭火效能等方面的研究判断其是否合适用来代替哈龙灭火剂。该技术报告中给出了可作为哈龙替代物的物质种类，如表 1 所示。依据此表，研

究人员对各类物质共计 103 种开展了一系列实验，进行初步筛选，这些工作为之后新型灭火剂的研发指引了方向。

表 1 建议的哈龙替代物质种类

物质种类 理论依据、环境特点和潜在的灭火性能卤代酮、酐和酯类 羰基发生光解反应

不饱和卤代烃 双键与空气中的·OH 反应

卤代醚类及其衍生物 C-O-C 吸收光谱的红移加快光解反应含碘卤代烃 具有极高的光化学反应活性和灭火效率含硫卤代物 低毒和优良的灭火性能

含硅和锗的化合物 具有独特的灭火性能和极短的大气寿命金属化合物 极高的灭火性能

惰性气体 物理灭火

1994 年 8 月，由美国国防部、美国标准技术研究院（NIST）、环保署（EPA）等机构共同成立了新型灭火剂工作组（AAWG）[7]，对灭火剂防火和防爆的化学活性机理、适合用于替代哈龙灭火剂的物质种类、可直接应用于现有哈龙灭火设备的哈龙替代品等问题进行了研究，先后考察了烯烃类、醇类、醚类、胺类等 6 类含溴化合物，包括1- 溴-3,3,3- 三氟丙烯、2- 溴-3,3,3- 三氟丙烯、 4- 溴 -3,3,4,4- 四氟丁烯等 24 种化合物。1997 年，美国国防部启动了新一代灭火技术计划（NGP）[8]，目标是在

2005 年之前研发出可应用于飞机、舰船上的新型哈龙替代品，并能满足经济上可行以及环保和使用安全等方面的要求。该项目在系统考察了上千种物质的基础上，建立了筛选和评价哈龙替代品的基本方法。

2. 新型灭火剂发展状况

自蒙特利尔议定书签订以来，世界各国一直在努力寻找哈龙替代灭火器，由于飞机火灾的特殊性，至今尚未找到完全优于哈龙灭火器的替代品。2002 年美国已研究出 7 种可用于替代哈龙的灭火剂，经过评估其中 3种物质通过了 MPS 性能试验，并获得了 UL 的认证，分别 是 Halotron I（HCFC Blend B）、FE-36（HFC-236fa）和 FM-200（HFC-227ea）[9]，采用这些灭火剂制作的手提式灭火器，灭火级别与哈龙 1211 灭火器等同的话，其重量一般是其 1.5～2.0 倍 [10]。这些物质的臭氧层消耗潜能值虽远低于哈龙 1211，但是其温室效应较大，已被《京都议定书》列为温室气体 [11]，未来它们的使用和生产有可能被禁止。由于存在着以上这些问题，以及其自身经济上的缺陷，目前并未在民用飞机上广泛应用。我国也对卤代烷气体灭火剂、惰性气体灭火剂、酮类灭火剂、气溶胶灭火剂、细水雾灭火剂开展了相关研究，虽也研制出一些产品，但它们的各项性能尚无法超越或替代哈龙 1211 手提式灭火器。因而迄今为止，均未在飞机上推广应用。

2. 性能要求

1. 环保性能

哈龙 1211 灭火器退出市场是因为其环保性能不能满足日益严苛的环保要求，因此在选择新型哈龙替代灭火器时，首先要考虑的是其环保性能。环保性能的评价主要依据三个指标，分别是：ODP 值，即臭氧耗损潜能值（ozone depletion potential）；GWP 值，温室效应潜能值（global warming potential）；ALT 值， 大气存活时间

（atmospheric lifetime）。ODP 值用于表征灭火剂对大气臭氧层的损耗程度，以 CFC-11 作为参考标准。将 CFC-

11 的 ODP 定义为 1，其他物质对臭氧层的消耗程度与 CFC-11 的比值即为该物质的 ODP，其数值越大，表示对臭氧层的消耗越剧烈。在哈龙替代品的筛选过程中，

GWP 值用于表征灭火剂对温室效应的影响，以二氧化碳为参考标准。将二氧化碳的 GWP 值定义为 1，ODP数值越大，温室效应越强烈。ALT 值用于表征灭火剂的稳定性，某种灭火剂的大气存活时间越长，表明这种灭火剂越稳定，对于大气的损害时间也越长。大气存活时间只有几个小时到数周的物质通常被称为可降解物质。另外，大气存活时间短，通常其 ODP 值也比较低。

2. 生物毒性

由于飞机客舱为人员聚集的封闭空间，这就要求哈龙替代飞机手提式灭火器释放的灭火剂对人体的毒性水平应在可接受范围以内，并且越低越好。灭火剂释放时产生的烟雾可能会经过人体的皮肤或口鼻吸收进体内，对人体健康产生危害，严重时可能会引发心脏敏感现象。目前常用来评估灭火剂毒性的指标主要有：急性

吸入毒性试验 LC50（半数致死量）和心脏敏受性实验

NOAEL（未观察到有害作用的剂量）、LOAEL（观察到有害作用的最低剂量）等。气体灭火剂的毒性分析需要结合灭火剂浓度，心脏敏受性实验中的 NOAEL 值应高于其灭火设计浓度。目前，新型哈龙替代灭火剂的理化性能指标如表 2 所示。

目前美国评价心脏敏感性的方法是进行狗暴露标准试验 [12]。《环境科学与技术》期刊也曾提出一种直接进行物质选择和试验的方法，是在专用反相高压液相色谱中测定疏水分配系数预测心脏敏感程度 [13]。

3. 灭火性能

在选择和研发飞机上使用的手提式灭火器的哈龙替代灭火剂时，除了要考虑对大气层的影响、对人体的影响以外，还应考虑其灭火效能。灭火性能大小的评估主要依据灭火级别的高低。灭火级别的表示主要由两部分组成：数字和字母，数字代表火焰的大小，字母代表火焰的类型。对于飞机手提式灭火器灭火级别的要求，美国虽然未在其民航规章 14CFR 中提出，但在其咨询通告 AC20-42 中给出了要求，大型飞机所需的手提式灭火器至少应达到 UL5B:C 级别或同等级别。具体灭火剂级别因飞机类型不同、适用位置不同也有所差别，例如在机舱容积不超过 200 ft3 的小型飞机或旋翼机上，可使用 UL2B:C 级别的灭火器；客舱和可通行 B 类货舱安装的灭火器灭火级别必须达到 UL2A 和 UL10B:C 灭火级别。这些灭火级别是根据 UL 711 标准的要求划分，我国与之相应的标准是 GB4351.1，但这两个标准在火灾的分类以及灭火级别的定义上都存在着一定的差异。比如 GB 标准将气体火灾类别归为 C 类，而 UL 标准将其

表 2 新型卤代烃灭火剂理化性能

与液体火灾统一归为 B 类；电气火灾被 GB 标准归为 E类火，被 UL 标准归为 C 类。对于 B 类火级别判定试验所规定的油盘形状、尺寸，所加燃料量和燃料种类，两个标准也都存在一定的差异。

3. 灭火器适航政策

1. 最低适航性能（MPS）

美国联邦航空局（FAA）于 2011 年对咨询通告 AC20-42[14] 进行了修订，第一次提出了对哈龙替代灭火剂应满足隐藏火试验和座椅火试验的要求。这两项试验也被称为适航最低性能标准，是主要考虑飞机客舱火灾的实际情况而提出的针对性的灭火性能要求。

1）隐藏火试验。

该试验主要是用来评价哈龙替代灭火剂空中隐藏火的淹没性灭火特性，测定洁净气体类灭火剂用于淹没性灭火的能力。该项试验测试的提出主要是考虑民航客机为了提高隔热隔音防潮的效果，在客舱天花板与机壳之间都安装了隔热隔音材料，这种由薄膜 / 絮状纤维 / 薄膜按三明治状制成的材料几乎将飞机全部包裹起来。安装隔热隔音材料的位置上分布着许多导线，若电线老化会造成短路易引发火灾，而该区域属于隐藏区，一旦着火，灭火器难以将灭火剂直接喷射到着火区域。因此飞机手提式灭火器所采用的洁净气体类灭火剂必须具有良好的淹没性，在不能直接喷射到的隐藏区域也能依靠灭火剂自身的流动特性弥漫到着火区域并扑灭火焰。

2）座椅火毒性试验。

国停产哈龙灭火器后，EPA 启动了一项名为“重要新替代品政策”（Significant New Alternatives Policy，SNAP）的计划方案，来评估哈龙替代品。对于哈龙替代品，

SNAP 将进行各种特定的程序，以评估其对环境的影响和人类健康的危害。此外，FAA 在对哈龙替代灭火剂进行了大量研究的基础上，提出了哈龙替代灭火器必须满足 MPS 要求。2002 年 8 月，手提式灭火器最小性能标准 MPS 第一版 [9] 发布，其中规定了替代灭火剂必须通过的两项试验。关于灭火器其他方面的性能，例如灭火性能、各零部件性能等，则交由美国保险商试验所依据

UL711、UL2129 等标准开展试验，合格后获得UL 认证。

2010 年 8 月，欧洲委员会也发布了 No. 744/2010[15]文件，对哈龙灭火剂的禁用做出了要求。但欧洲委员会在提案中指出，若国际社会在技术和经济上未找到合适的哈龙替代物，那么对于哈龙灭火剂限制的日期可延后，并且此结论被欧盟所认可。随后，EASA 在 2014年 11 月发布了“ 拟议的修正通知 2014-26”（Notice of Proposed Amendment 2014-26）[16] ，针对哈龙灭火系统在飞机上的淘汰提出了一些建议。修正案中详细分析了欧盟和 ICAO 对于哈龙灭火剂已经制定的限制要求，并总结出，现阶段对于发动机舱、APU 舱和货舱最合适的处理办法就是暂时不限制哈龙系列产品，另一方面，经过讨论评估，明确了对于盥洗室灭火器和手提式灭火器的哈龙淘汰时间，如表 3 所示。

表 3 EASA 对哈龙的限制时间表

该试验主要用来评估灭火剂在实际灭火条件下的毒

灭火器用途 在此日期后申请单机适航

证禁用哈龙灭火剂

全部禁用哈龙灭火剂的终止时间

性。飞机客舱主要燃烧物是舱内大量的座椅垫和靠背等物品，因此，试验以座椅垫起火后，灭火剂在此类火灾条件下灭火所产生的毒性气体氟化氢的浓度进行评估。可通过气体收集装置、气体分析仪器分析灭火过程中的副产物成分、各时间段的氟化氢浓度。飞机手提式灭火器必须通过该实验，以保证替代灭火剂的热分解产物毒性处于可接受水平。

2. 国外适航

2010 年 5 月，FAA 发布了咨询通告 AC20-42D ，该新版咨询通告主要对手提式灭火器如何获得 FAA 适航认证做了详细说明，同时也给出了灭火器选择和使用方面的指导，文中指出了哈龙替代灭火剂的最低性能试验要求以及条款的符合性要求。首先，所选用的灭火剂必须是经过美国国家环境保护局（EPA）批准的。在美

手提式灭火器 2018 年 12 月 31 日 2025 年

盥洗室固定灭火器 2015 年 12 月 31 日 2020 年

3. 国内适航取证的难点

虽然国内民航规章对飞机配备灭火器有着明确要求，但是直到 2018 年 11 月发布 CTSO2C-602 之前，国内没有任何资料提到如何对于飞机手提式灭火器进行适航认证和审查。这是因为长期以来受技术、飞机运行实际状况等多种因素影响，国内在民航飞机手提式灭火器领域一直是一片空白，无人申请，也就无人进行过审查，虽有规章对民航飞机配备手提式灭火器有要求，但却没有配套的技术标准文件提出详细的适航验证要求，更缺乏相应的组织机构开展这些验证工作。其存在的主要问题有：

1）缺少相关配套的标准体系。国内在灭火器行业的标准目前主要有国标 GB4351《手提式灭火器》系列标准和公安部的 GA86-2009《简易式灭火器》标准。而考虑到飞机手提式灭火器使用环境的特殊性以及飞机运行的效率等因素，飞机手提式灭火器与地面使用的普通灭火器技术要求有所差别。例如，国标要求灭 34B 级别的洁净气体灭火器，其灭火剂重量不低于 4 kg，而对于飞机手提式灭火器则要求在满足灭火级别的基础上，重

Applications[M].Washington, D.C: National Academy Press, 1997: 23-24.

［5］ 联合国 . 关于臭氧层消耗物质的蒙特利尔议定书 [A].1987- 09-16.

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量越轻越好。此外，对于飞机上的特殊环境，如空间小、 ［7］ DANIELS B L, COLE D G.Halon options technical working

人员多，以及飞行中人员无法疏散的情况，则要求飞机手提式灭火器在满足行业标准要求的基础上，还必须考虑该特殊环境下的一些额外要求，如 FAA 提出的飞机手提式灭火器 MPS。

2）各机构之间缺少必要的协调合作。哈龙替代飞机手提式灭火器的发展涉及到多个行业和部门的协调配合，如各种灭火剂的环保特性可以由环保局进行评估，灭火器的灭火性能和结构性能的试验可以由消防行业的相关检测机构开展，灭火器的适航性能则需民航局相关检测单位进行评估。除了这些检测试验环节，灭火器的整个生产过程还涉及到机械制造行业、化工行业。只有这些行业之间互相配合，部门之间互相协调，才能大力推进哈龙替代飞机手提式灭火器的快速发展。

4. 总结

现阶段，国外对于在飞机上应用新型环保灭火剂的要求和规范已经逐渐形成，这也要求我国加快技术研究，完善该领域内的规章文件和相关标准。哈龙 1211灭火器的停止使用、新型环保灭火器的替代和推广，对于我国飞机手提式灭火器行业来说是一个机会，同时对于我国民航当局来说也将是一个挑战。

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（责任编辑 肖静）