УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В НЕВЕСОМОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01N25/52 

Изобретение относится к противопожарной технике летательных аппаратов и может быть использовано в космической технике, в частности, для исследования предельной для горения скорости газового потока с целью построения систем пожарной безопасности в замкнутых объемах.

Увеличение объема космических исследований, длительности полетов вызывает необходимость разработки надежных, экономичных и экологически чистых способов обеспечения пожарной безопасности в замкнутых объемах летательных аппаратов. Поэтому необходимо исследовать процесс горения материалов и определить такие показатели их пожарной опасности в условиях отсутствия гравитации, как скорость распространения пламени по материалам, предельные параметры их горения, а также предельные скорости газового потока, при которых возможно горение. В области противопожарной техники летательных аппаратов не созданы устройства для определения поведения пожара в условиях отсутствия гравитации.

Исследовательский центр им. Льюиса (США) включился в исследования горения в условиях микрогравитации с конца 1960 г.г. Ранние исследования состояли из экспериментов кратковременной невесомости на копровых вышках.

Аналогом является планируемый эксперимент на КА "Спейс Шаттл" по горению. Устройство для изучения процессов горения состоит из двух модулей: модуля камеры для сжигания образца и съемочного модуля. В процессе полета "Шаттла" в каждой камере должен быть сожжен только один образец и камера для сжигания образца не должна открываться. Для сбора данных и управления экспериментом должен использоваться микрокомпьютер [1]
Наиболее близким к предложенному техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является создаваемая в США установка для подробного исследования на КК "Спейс Шаттл" множества факторов горения и распространения пламени в условиях низкой гравитации с конвективными потоками малой скорости. [2, стр. 33-36] Основным оборудование для эксперимента, разработанного У.У.Янгблудом, является:
камера горения, выполненная в виде заменяемой испытательной секции по горению и распространению пламени,
блок формирования потока в камере горения, выполненный в виде вентилятора, нагнетающего газовую смесь,
фильтр механических примесей,
теплообменник, выполненный в виде тепловыделяющих спиралей,
система контроля подаваемой в камеру газовой среды, включающая в себя подсистему предварительной очистки/хранения и подсистему газового состава,
подсистема измерения скорости потока и управления,
подсистема введения/возвращения горючего образца.

Заменяемая испытательная камера горения последовательно соединена с фильтром механических примесей, системой контроля подаваемой в нее газовой смеси, подсистемами измерения и очистки/хранения, блоком формирования потока, теплообменником и успокоительной камерой, после которой газовая смесь вновь поступает в камеру горения, образуя замкнутый контур. Предлагаемая длина испытательной камеры горения 102 см, диаметр 20 см.

Подсистема введения/возвращения горючего образца допускает введение только "термических тонких" листовых материалов (бумага, пластик и т.д.) в испытательную камеру горения. В этой конструкции образцы вводятся с одной стороны тоннеля горения через узкую щель. Израсходованный образец удаляется также через эту щель.

Однако предлагаемое устройство по проведению эксперимента в условиях отсутствия гравитации имеет следующие недостатки:
большие габаритно-массовые характеристики (V прототипа 2,108 х 0,762 х 2,032 3,2 куб.м);
кассета с исследуемыми образцами устанавливается снаружи камеры горения и увеличивает ее габариты;
после проведения каждого эксперимента требуется замена исследуемого образца путем удаления его из камеры горения через узкую щель и введения нового.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является улучшение эксплуатационных характеристик при сохранении габаритов камеры горения.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования процессов горения материалов в невесомости, содержащее камеру горения, образец, закрепленный на держателе в камере, механизм замены образцов и формирователь потока, в отличие от прототипа, механизм замены образцов выполнен в виде двух барабанов с держателями образцов, расположенных вдоль продольной оси и размещенных на задней стенке камеры, причем барабаны снабжены приводом фиксированного положения, который установлен снаружи камеры, при этом расстояние между парой близлежащих образцов превышает размер зоны горения исследуемого образца.

Расположение исследуемых образцов на двух барабанах, размещенных внутри камеры горения и снабженных приводом фиксированного положения, установленного снаружи задней стенки камеры, позволяет при сохранении габаритных размеров камеры улучшить эксплуатационные характеристики устройства для исследования горения в невесомости (простота установки и вывода исследуемого образца, возможность выполнения работ одной рукой и т.п.).

На фиг.1 показано устройство для исследования процессов горения материалов в невесомости; на фиг.2 поперечный разрез камеры, показывающий взаимное расположение образцов на барабане; на фиг.3 зона горения горящего образца.

Устройство для исследования процесса горения материалов содержит камеру горения 1, имеющую входной 2 и выходной 3 патрубки, смотровое окно 4, зажигатель 5, закрепленный на держателе 6, механизм замены 7 образцов 8 с держателями 9, выполненный в виде двух расположенных вдоль продольной оси 10 камеры горения и размещенных на задней стенке 11 камеры барабанов 12, снабженных приводом 13 фиксированного положения, фиксатора 14 с дисками 15, жестко установленными на осях 16 барабанов 12.

Устройство для исследования процесса горения материалов в условиях невесомости работает следующим образом. Формируемый поток 17 входит в камеру горения через входной патрубок 2, снабженный сеткой 18, обдувает горящий образец 8, расположенный вдоль продольной оси 10 камеры горения, и выходит через выравниватель 19 и выходной патрубок 3. Горящий образец образует вокруг себя зону горения 20, которая имеет наибольший размер А. Для обеспечения безопасности при эксплуатации расстояние Б между исследуемым и соседними образцами 8 превышает размер А зоны горения.

Барабаны 12 с образцами 8 должны быть приведены в исходное положение, чтобы один образец (исследуемый) находился в центре поперечного сечения камеры горения. Такое положение исследуемого образца достигается за счет фиксации обоих барабанов 12.

Когда проводится исследование горения материалов на образцах 8, закрепленных на первом барабане 12, второй барабан 12 с образцами 8 зафиксирован в исходном положении, чтобы он не был помехой для смены образцов первого барабана. Свободное вращение первого барабана достигается за счет того, что раскрытие одной пары образцов обеспечивается с углом α, большим угла β раскрытия других пар образцов. Разность углов α и β выбрана таким образом, чтобы была обеспечена безопасность при эксплуатации, т.е. размер Б должен быть больше половины размера А, а также, чтобы обеспечивалась свобода поворота одного барабана относительно другого.

Размер А равен толщине динамического пограничного слоя, создаваемого при обтекании образца, выполненного в виде пластины, плоскопараллельным ламинарным газовым потоком. Расчет толщины погранслоя производился по формуле:
δ 4,64 (1) где Х расстояние от передней кромки образца вдоль газового потока, см;
ν коэффициент кинематической вязкости, см²/с;
V_п скорость газового потока, см/с.

В качестве V_п выбрана предельная скорость горения образцов из наиболее горючего материала, применяемого на космических аппаратах полиметилметакрилата (ПММА).

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований при различных концентрациях кислорода в газовой смеси получены результаты, приведенные в таблице.

Из полученных результатов получена эмпирическая зависимость:
V_п 7,5 0,16 С, (2)
Положим, что х L_обр длина образца, см,
ν= 0,2 см²/с,
Из формул (1) и (2) получим:
δ 5,2 (3)
Когда устройство подготовлено к работе, формируется поток 17 через камеру горения 1 и зажигается исследуемый образец 8. После полного сгорания образца 8 производится поворот первого барабан 12 до фиксированного положения, соответствующего перемещению следующего образца 8 в центр поперечного сечения камеры горения 1.

По мере проведения исследований с образцами первого барабана проводятся аналогичные работы с образцами второго барабана, при этом первый барабан устанавливается в исходное состояние, т.е. углом α в сторону второго барабана.

Хранение сгоревших образцов внутри камеры горения исключает загрязнение атмосферы жилого отсека пилотируемого космического аппарата на длительное время вплоть до его изъятия (выброса).

Предлагаемое устройство прошло экспериментальное подтверждение в наземных условиях.

Использование: в противопожарной технике летательных аппаратов, в космической технике, в частности, для исследования предельной для горения материалов скорости газового потока с целью построения систем пожарной безопасности в замкнутых объектах. Сущность изобретения: устройство для исследования процесса горения материалов в невесомости, преимущественно на борту космического пилотируемого аппарата, содержит камеру горения, зажигатель, образец, закрепленный на держателе, механизм замены образцов и формирователь направления потока. Механизм замены исследуемого образца введен непосредственно в камеру горения и выполнен в виде двух расположенных вдоль продольной оси и размещенных на задней стенке камеры горения барабанов с держателями образцов, снабженных приводом фиксированного положения, установленного снаружи задней стенки, при этом расстояние между парой близлежащих образцов превышает размер зоны горения исследуемого образца. 3 ил., 1 табл.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В НЕВЕСОМОСТИ, содержащее камеру горения, зажигатель, образец, закрепленный на держателе, механизм замены образцов и формирователь направления потока, отличающееся тем, что механизм замены образцов выполнен в виде двух барабанов с держателями образцов, расположенных вдоль продольной оси камеры горения и размещенных на задней стенке камеры, причем барабаны снабжены приводом фиксированного положения, который установлен снаружи камеры, при этом расстояние между парой близлежащих образцов превышает половину размера δ зоны горения исследуемого образца, рассчитанного по формуле

где L_обр длина образца, см;
концентрация кислорода в смеси,