СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБИТАЕМЫХ ГЕРМООТСЕКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 1998 года по МПК A62C3/08 B64G9/00 

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при предотвращении возникновения и тушения пожара в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов /КЛА/: транспортных кораблей и долговременных станций.

В обитаемых гермоотсеках КЛА атмосфера значительно ( до 30-40 об.%) обогащена кислородом. В то же время, тенденция развития космической техники такова, что с выполнением требований по снижению массы оборудования в обитаемых гермоотсеках постоянно расширяется применение неметаллических материалов. Основная их доля в настоящее время является горючей в обогащенной кислородом атмосфере, что создает высокий потенциальный уровень пожарной опасности в гермоотсеках КЛА. При этом гермоотсеки крайне уязвимы для пожара. Практически невозможно оказание помощи извне и эвакуация экипажа при пожаре. Гермоотсеки КЛА в высокой степени насыщены электрообрудованием, именно его элементы при отказах являлись источником катастрофических пожаров в гермоотсеках различных изделий.

Выбор мероприятий по предотвращению пожара и его тушению зависит от специфики условий эксплуатации изделия, а также необходимости выполнения специфических требований, к которым в случае КЛА относятся требования ограничения массы оборудования и экологии средств обеспечения пожарной безопасности.

Эксплуатационный период космического корабля включает в себя несколько этапов: подготовка корабля на стартовой позиции, активный участок выведения его на орбиту, орбитальный полет, спуск (для транспортных кораблей). В течение каждого из них должна обеспечиваться пожарная безопасность с соответствующей надежностью при соблюдении требований экономии массы и экологии.

Известны способы обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой, в том числе КЛА, которые заключаются в использовании материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере [1].

При создании долговременных орбитальных станций и других КЛА только 20 - 30% материалов (по массе) являются негорючими при той концентрации кислорода, которая имеет место с гермоотсеках КЛА. В частности, большая часть электротехнических материалов в электрооборудовании КЛА способна к интенсивному горению в рабочей атмосфере КЛА. Отсюда следует, что посредством использования материалов, негорючих в среде, обогащенной кислородом, крайне сложно и дорого обеспечивать пожарную безопасность обитаемых гермоотсеков КЛА, особенно тяжелого типа, таких как долговременные станции.

Ближайшим аналогом является система, обеспечивающая пожарную безопасность внутри гермоотсеков американского орбитального корабля многоразового использования "Спейс Шатлл", которая включает в себя дымовые пожарные извещатели, средства тушения и средства контроля за работоспособностью элементов системы. В качестве огнетушащих веществ используются хладон или углекислота [2].

Недостатками является то, что применение огнетушащего вещества в гермоотсеке КЛА в период полета или его подготовки на старте само по себе независимо от масштаба пожара является аварийной ситуацией, которая приводит к срыву программы и прекращению полета из-за загрязнения атмосферы гермоотсека и оборудования. В частности, после объемного пожаротушения, атмосфера гермоотсека нуждается в тщательной очистке или замене и для продолжения полета необходимо иметь на борту мощные фильтры-поглотители или запасы азота и кислорода. Вывод на орбиту всего комплекса оборудования (пожарного, фильтров, баллонов с газами) связано с большими материальными затратами. Следует учитывать, что с увеличением содержания кислорода в атмосфере возрастает необходимый запас огнетушащего вещества, а следовательно, и масса оборудования для пожаротушения. Так, для тушения многих материалов при концентрации кислорода в среде 40% необходим 1 кг шестифтористой серы на 1 м.куб. объема отсека. Оценки показывают, что для отсека объемом 100 м.куб масса установки объемного пожаротушения и средств утилизации огнетушащего вещества составляет 250-300 кг. Вывод такой массы на орбиту является весьма дорогостоящим - это мешает использованию на борту высокоприбыльного технологического оборудования.

Использование средств локального тушения на борту КЛА также малоэффективно: во-первых, они не могут быть задействованы в автоматическом полете; во-вторых, применение их затруднено вследствие крайне плотной компоновки оборудования в гермоотсеках КЛА и ограниченного доступа к нему, особенно в приборных зонах. При использовании пенных средств тушения возможен выход из строя электрооборудования, ответственного за живучесть КЛА.

Технической задачей изобретения является обеспечение предотвращения пожара в обитаемых гермоотсеках КЛА на стартовой позиции и на активном участке, а также введения циклического режима работы системы вентиляции, повышающего эффективность использования способа тушения в части повышения надежности фиксирования факта прекращения горения.

Задача решается тем, что на стартовой позиции и на участке выведения космического корабля на околопланетную орбиту в гермоотсеке поддерживается концентрация кислорода ниже значения предела горения по концентрации кислорода для наиболее горючих из используемых материалов, а в орбитальном полете по сигналу средств обнаружения пожара работа системы вентиляции в гермоотсеке переводится на циклический режим, состоящий из периода отключенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое в гермоотсеке происходит остановка движения газовой среды до уровня, соответствующего нижнему пределу горения материалов по скорости потока в невесомости, и периода включенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое газовая среда в замкнутом вентиляционном контуре в гермоотсеке проходит между двумя смежными пожарными извещателями, при этом циклический режим работы системы вентиляции осуществляется до момента начала снижения уровня опасных факторов пожара в гермоотсеке, зафиксированного средствами обнаружения пожара.

На чертеже показано изменение скорости вентиляционного потока в гермоотсеке КЛА в циклическом режиме при осуществлении тушения пожара в гермоотсеке и фиксации факта прекращения горения. Приняты следующие обозначения: τ₁ - время обнаружения пожароопасной ситуации: А - момент отключения средств вентиляции в гермоотсеке: τ₂ - время вязкостной диссипации кинетической энергии газовой среды в гермоотсеке; τ*2

- время достижения V_пр; τ**2 - выдержка для предотвращения повторного загорания; В - момент включения средств вентиляции в гермоотсеке; τ₃ - время разгона газовой среды до заданной скорости после включения средств вентиляции; τ₄ - период, отводимый на фиксацию повторного загорания; V_пр - предельная для горения материалов скорость газового потока в невесомости: V_раб - скорость потока при штатной работе системы вентиляции.

Реализацией данного изобретения обеспечивается пожарная безопасность в гермоотсеках на всех этапах эксплуатации КЛА.

На этапах подготовки космического корабля на стартовой позиции и на участке выведения его на орбиту пожарная безопасность в гермоотсеках определяется при прочих равных условиях наличием силы тяжести. Решение вопроса пожарной безопасности на этих этапах за счет использования огнетушащих веществ, как было показано выше, практически неприемлемо.

Наиболее выгодным и технически простым является установление на данных этапах концентрации кислорода ниже предела горения по концентрации кислорода для наиболее горючих из использованных материалов. Предел горения материала по концентрации кислорода С_пр - это минимальная концентрация кислорода в атмосфере, ниже которой горения материала не происходит. Используемые в конструкции КЛА материалы имеют существенно разные значения пределов горения, например: ткань х/б - 14%, капрон - 16%, поливинилхлорид 22%, поликарбонат - 26%, фторопласт 26-32%, фторопласт-4 - 38% ткань "Аримид-Т" - 43% и т.д. Таким образом, пожаробезопасная концентрация кислорода, которая устанавливается в гермоотсеке на этапах подготовки к старту и активном участке, зависит от степени проработки вопроса по ограничению применения горючих материалов. Например, в случае произвольного применения материалов (без ограничений) необходимо устанавливать низкую концентрацию кислорода (около 14%). Это обеспечивает возможность использования данного приема при обеспечении пожарной безопасности любых блоков орбитальных станций, на затрудняет применение его в транспортных кораблях, где для обеспечения дыхания экипажа необходимо иметь концентрацию кислорода более 8-19%. При использовании материалов с пределом горения по концентрации кислорода более 19%, устанавливая данное значение концентрации на этапах, где действует сила тяжести, полностью исключается возможность возникновения пожара с обеспечением жизнедеятельности человека без использования дыхательных аппаратов.

После выведения корабля на орбиту концентрация кислорода в атмосфере может быть поднята до необходимой; на этом (основном) этапе полета пожарная безопасность обеспечивается способом, основанным на специфике горения в невесомости (вторая часть формулы данной заявки).

Система противопожарной защиты, реализующая способ, включает в себя пожарные извещатели, фиксирующие появление продуктов пиролиза (горения) материалов, блок анализа ситуации и блок управления средствами вентиляции в гермоотсеке.

Способ предполагает следующий алгоритм работы. При возникновении пожароопасной ситуации ближайший от этого места вниз по потоку пожарный извещатель сигналом на блок анализа в момент "0" начинает отсчет заранее заданного времени задержки на отключение вентиляции (τ₁). Если в этот период не пройдет сигнал от второго извещателя, то первый сигнал считается ложным, и система приходит в дежурное состояние. Если сигнал пришел, то в момент "А" производится отключение системы вентиляции. При этом должно автоматически сниматься электропитание с систем, не задействованных в тушении. В течение времени τ*2

за счет вязкостных сил происходит снижение скорости газового потока в гермоотсеке до назначения V_пр наиболее горючих материалов и создаются условия для прекращения горения. Время продлевается на величину τ**2, в течение которой происходит охлаждение зоны горения и тем самым предотвращается повторное загорание.

Далее, для фиксирования факта ликвидации пожароопасной ситуации, осуществляется циклический режим работы системы вентиляции.

В момент "В" производится включение системы вентиляции и делается выдержка длительностью τ₃, в течение которой происходит перенос продуктов горения к пожарным извещателям, расположенным ниже по потоку. Горение в период рабочего цикла возможно только в течение ограниченного времени τ₄. Пожарными извещателями фиксируется снижение или повышение уровня опасных факторов пожара. В случае подъема этого уровня система вентиляции снова отключается. Циклы повторяются до начала снижения опасных факторов пожара. После этого система вентиляции начнет работать в штатном режиме, включается электропитание на оборудование и с помощью системы поглощения вредных примесей производится очистка атмосферы от продуктов горения.

В качестве пожарных извещателей могут использоваться любые датчики, обеспечивающие фиксирование подъема концентрации продуктов горения, температуры, излучения. Для определения времени перехода с одного режима движения вентиляционных потоков на другой были проведены специальные теоретические и экспериментальные исследования. Установлено, что при снижении скорости поступательного движения потоков в гермоотсеке кинетическая энергия поступательного движения газа переходит в кинетическую энергию вращательного движения. В гермоотсеке образуется вихревое движение газа, вязкостным торможением которого и определяется время перехода к заданной пожароопасной скорости движения газа в гермоотсеке.

В результате проведенных экспериментальных исследований были получены эмпирические критериальные соотношения для определения времени торможения потоков от исходного до заданного значения скорости
В общем случае выражение имеет вид:
H₀= k•(Reτ)ⁿ•(Re₀)^m (1)
где H₀= V₀•τ/l - критерий гомохронности;
Reτ = V_τ•l/ν - критерий Рейнольдса для данного момента времени;
Re₀= V₀•l/ν - критерий Рейнольдса для исходного режима течения;
V₀ - начальная скорость потока в вихре;
v_τ - текущее значение скорости в вихре;
τ - время;
ν - коэффициент кинематической вязкости;
l=H•R/2•(H+R) - характерный размер вихря, связывающий эффективные значения его высоты H и радиуса R;
k, n, m - эмпирические коэффициенты.

Значения коэффициентов k, n, m находятся в следующих диапазонах: k - от 0,03 до 0,86, n - от 1,15 до 4,14, m - от 0,7 до 3,62.

В результате испытаний были получены зависимости указанных критериев для ламинарного, переходного и турбулентного режимов течения газа в период вязкостной диссипации кинетической энергии его движения в диапазоне критерия Re от 18 до 13360, что обеспечивает определение времени торможения вентиляционных потоков в гермоотсеках современных КЛА.

Для расчета времени, в течение которого в рабочем цикле пожаротушения должна работать система вентиляции для доставки продуктов горения к пожарным извещателям, можно воспользоваться формулой, полученной из уравнения движения газовой среды в гермоотсеке:

где G_r - масса газовой среды в гермоотсеке, кг;
Q_B - объемный расход вентиляционной системы, м³/с;
V_раб - скорость вентиляционного потока в стационарном режиме, м/с;
N_B - мощность вентиляторов, Вт;
S_B - площадь поперечного сечения выходного патрубка вентилятора, м²;
V - скорость, которую необходимо достигнуть, чтобы обеспечить перенос продуктов горения от одного пожарного извещателя к другому.

Расчетно-экспериментальные исследования показали, что надежного предотвращения повторного воспламенения можно достигнуть, если величины τ₂ и τ₄ будут составлять соответственно 95 и 5% от времени рабочего цикла пожаротушения.

Полученные зависимости были проверены в натурных гермоотсеках ряда изделий.

Пожаробезопасный режим работы системы вентиляции может отрабатываться в наземных условиях в термостатированном полномасштабном макете гермоотсека с использованием системы термоанемометров или других средств измерения скорости потока с нижним пределом измерения не более 1 см/с.

Настоящее изобретение представляет новую технологию в обеспечении пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА. Используя результаты фундаментальных исследований процессов воспламенения и горения материалов в невесомости, стала возможна разработка приемов предотвращения пожара без жестких ограничений в применении материалов в гермоотсеках, а также тушение без огнетушащих веществ. Изобретение имеет большую перспективу в практике долговременных космических полетов. Оно обеспечивает малые материальные затраты на обеспечение пожарной безопасности гермоотсеков КЛА с сохранением их экологии.

Использование: для обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов. Сущность изобретения: на стартовой позиции и на участке выведения корабля на околопланетную орбиту в гермоотсеке поддерживается концентрация кислорода ниже значения предела горения по концентрации кислорода для наиболее горючих из используемых материалов, а в орбитальном полете по сигналу средств обнаружения пожара работа системы вентиляции в гермоотсеке переводится на циклический режим, состоящий из периода отключенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое в гермоотсеке происходит остановка движения газовой среды до уровня, соответствующего нижнему пределу горения материалов по скорости потока в невесомости и периода включенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое газовая среда в замкнутом вентиляционном контуре в гермоотсеке проходит между двумя смежными пожарными извещателями, при этом циклический режим работы системы вентиляции осуществляется до момента начала снижения уровня опасных факторов пожара в гермоотсеке, зафиксированного средствами обнаружения пожара. 1 ил.

Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов, преимущественно долговременных орбитальных станций и межпланетных кораблей, включающий предотвращение пожара и его тушение, отличающийся тем, что на стартовой позиции и на участке выведения корабля на околопланетную орбиту в гермоотсеке поддерживается концентрация кислорода ниже значения предела горения по концентрации кислорода для наиболее горючих из используемых материалов, а в орбитальном полете по сигналу средств обнаружения пожара работа системы вентиляции в гермоотсеке переводится на циклический режим, состоящий из периода отключенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое в гермоотсеке происходит остановка движения газовой среды до уровня, соответствующего нижнему пределу горения материалов по скорости потока в невесомости, и периода включенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое в гермоотсеке происходит остановка движения газовой среды до уровня, соответствующего нижнему пределу горения материалов по скорости потока в невесомости, периода включенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое газовая среда в замкнутом вентиляционном контуре в гермоотсеке проходит между двумя смежными пожарными извещателями, при этом циклический режим работы системы вентиляции осуществляется до момента начала снижения уровня опасных факторов пожара в гермоотсеке, зафиксированного средствами обнаружения пожара.