УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГОРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В НЕВЕСОМОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01N25/50 

Изобретение относится к области противопожарной техники летательных аппаратов и может быть использовано в космической технике, в частности для исследования предельной для горения скорости газового потока с целью разработки и реализации концепции обеспечения пожарной безопасности в герметичных отсеках космической станции без использования огнетушащих веществ методом, основанным на торможении потока в зоне обнаружения возгорания.

Известна, создаваемая в США, установка для определения параметров горения и распространения пламени в условиях низкой гравитации с конвективными потоками малой скорости, содержащая камеру горения, блок формирования потока в камере горения, фильтр механических примесей, теплообменник, успокоительную камеру с успокоительными лопастями потока и лопасти поворота потока, а также подсистемы контроля подаваемой в камеру горения газовой среды, газового состава, измерения скорости потока газовой среды и подсистемы управления введения/возвращения горючего образца с закрепленным зажигателем [1].

Предлагаемое известное устройство имеет следующие недостатки:
большие габаритно-массовые характеристики. Объем устройства составляет 2,1 х 0,76 х 2,0 = 3,2 м³;
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, для чего требуется разработать сложный механизм, который позволял бы надежно вводить образец в камеру и обеспечить его зажигание.

В известной установке, которая выполнена в виде замкнутой системы имеются углы поворота газового потока, в связи с чем для обеспечения ламинарного потока газа, установлены довольно сложные и ненадежные, особенно при малых скоростях потока газа, как, например, при скоростях потока от 0,5 до 20 см/с, "лопасти поворота потока" и "успокоительная камера".

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для определения параметров горения материалов в невесомости по патенту 2006841 с приоритетом от 07.06.91 г., содержащее камеру горения, последовательно соединенную с фильтром механических примесей и теплообменником, дополнительный фильтр механических примесей, установленный на входе в камеру горения, сорбирующие фильтры, установленные на выходе камеры горения, блок формирования потока, соединенный с выходом сорбирующих фильтров через регулятор потока, зажигатель с электрической спиралью на одном конце держателя и исследуемый образец, размещенный внутри камеры горения [2].

Как видно из изображения, в известной конструкции выход потока газа, соединенный со входом сорбирующих фильтров, организован из боковой стенки камеры горения через теплообменник, установленный между камерой и входом сорбирующих фильтров, при этом зажигатель с электрической спиралью на одном конце держателя и исследуемый образец, размещенные внутри камеры горения, находятся в газовом потоке.

Соединение сорбирующих фильтров с боковой стенкой камеры горения и размещение зажигающего устройства внутри камеры горения перед исследуемым образцом, поворот потока в сторону к сорбирующим фильтрам через теплообменник снижает качество потока, т.е. создает значительные вихревые образования в зоне горения исследуемого образца.

При дымовой визуализации течения потока в камере горения с помощью сканирующего лазерного луча видно, что расположенный в потоке зажигатель вызывает значительную нестабильность и неравномерность течения [3], т.е. турбулизацию газового потока.

Образование вихревых зон в потоке в камере горения снижает качество и достоверность проведения экспериментов в условиях орбитального полета космического аппарата. При этом следует учесть, что такое устройство для определения параметров горения материалов в условиях невесомости и сам эксперимент являются весьма дорогостоящими.

Задачей изобретения является повышение качества потока при исследовании в предлагаемом устройстве процесса горения образцов неметаллических материалов при обтекании их вентиляционным потоком со скоростью от 0,5 до 20 см/с в условиях реального космического полета для получения данных по фундаментальным физико-химическим, теплофизическим и газодинамическим характеристикам процесса горения ряда конструкционных материалов и, в первую очередь, нижнего предела горения по скорости воздушного потока, являющегося одним из базовых показателей обеспечения пожаробезопасности в условиях орбитального полета.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для определения параметров горения материалов в невесомости, содержащем камеру горения, последовательно соединенную с фильтром механических примесей и теплообменником, дополнительный фильтр механических примесей, установленный на входе в камеру горения, сорбирующие фильтры, установленные на выходе камеры горения, блок формирования потока, соединенный с выходом сорбирующих фильтров через регулятор потока, зажигатель с электрической спиралью на одном конце держателя и исследуемый образец, размещенный внутри камеры горения, в отличие от прототипа камера горения, теплообменник и входной патрубок сорбирующих фильтров размещены соосно вдоль продольной оси, а в корпусе камеры выполнена ниша, в которую помещен зажигатель, а другой конец держателя посредством шарнира установлен на стенке ниши, при этом зажигатель снабжен механизмом перемещения его в рабочую зону.

Держатель предлагается выполнить в виде крышки, закрывающей нишу камеры.

Вновь предлагаемое размещение вдоль продольной оси камеры горения теплообменника, входного патрубка сорбирующих фильтров и выполнение в корпусе ниши, в которую помещен зажигатель, а держатель выполнен в виде крышки, закрывающей нишу камеры, позволит обеспечить повышение качества потока, набегающего на горящий исследуемый образец при скоростях потока от 0,5 до 20 см/с, что, в свою очередь, позволит повысить качество и достоверность проведения научного эксперимента по горению неметаллических материалов.

Изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 изображено устройство для определения параметров горения материалов в невесомости, а также изображено перемещение зажигателя в рабочую зону. Устройство содержит камеру горения 1, на входе в которую установлены фильтр механических примесей 2 и крышка 3 с возможностью экстренного закрытия камеры горения 1. В средней части камеры горения 1 установлен исследуемый образец 4, закрепленный на держателе 5. Для удаления механических примесей установлен фильтр 6, на боковой поверхности камеры горения 1 размещено смотровое окно 7 из прозрачного материала. На выходе из камеры горения 1 расположен теплообменник 8. Выход теплообменника 8 соединен с сорбирующими фильтрами 9 с помощью входного патрубка 10. При этом камера горения 1, теплообменник 8 и входной патрубок 10 сорбирующих фильтров 9 размещены соосно на продольной оси 11. После сорбирующих фильтров 9 установлен блок формирования потока 12. Регулирование скорости газового потока в камере горения 1 производится с помощью регулятора 13. Зажигатель с электрической спиралью 14, закреплен на держателе 15 и размещен в нише 16 камеры горения 1. Держатель 15 зажигателя закреплен шарнирно на стенке 17 ниши. Держатель 15 выполнен в виде крышки 18, закрывающей нишу 16 камеры горения 1, и находящийся в одной плоскости со стенкой 19 камеры горения 1. Для подведения электрической спирали 14 в рабочую зону для осуществления зажигания исследуемого образца 4 зажигатель снабжен механизмом перемещения.

На фиг. 2 изображен механизм перемещения зажигателя для подведения электрической спирали к исследуемому образцу. Механизм перемещения содержит вал привода 20 и ручку 21.

Устройство работает следующим образом. Окружающая газовая среда - атмосфера жилого отсека с содержанием кислорода до 40% - засасывается блоком 12 формирования потока в камеру горения 1. Исследуемый образец 4 закреплен на держателе 5 вдоль продольной оси 11 камеры горения 1. Зажигание исследуемого образца 4 производится при небольшой скорости газового потока с помощью электрической спирали 14, которая с помощью ручки 21 и вала привода 20 выводится из ниши 16 камеры горения 1 и подводится к исследуемому образцу 4. После зажигания исследуемого образца 4 зажигатель возвращается в нишу 16 стенки камеры горения 1. При этом в проточной части камеры горения 1 не остается выступающих элементов конструкции, возмущающих газовый поток.

Для численного определения скорости газового потока, при которой происходит затухание горения образца скорость потока регулируется оттарированным блоком 13. Газовый поток, нагретый горящим образцом, охлаждается в теплообменнике 8, очищается от вредных примесей, образующихся при горении, проходя через сорбирующие фильтры 9, и возвращается в атмосферу жилого отсека.

Устройство для определения параметров горения материалов в невесомости - уникальное устройство, позволяющее проводить исследования процесса горения неметаллических материалов в невесомости при воздействии равномерного набегающего потока воздуха со скоростью, величина которой регулируется в широком диапазоне V=0,5-20 см/с и моделирует газодинамические условия, создаваемые в гермоотсеках космической станции при работе средств вентиляции. Заданная скорость набегающего потока воздуха, отсутствие в проточной части камеры горения выступающих элементов конструкции и застойных зон за счет выведения зажигающего устройства из газового потока после зажигания образца, а также отсутствие крутых поворотов проточной части обеспечивают ламинарность газового потока при проведении эксперимента.

Источники информации
1. NASA CR-182114, W.W. Youngblood, Spacecraft Fire-Safety Experiments for Space Station. Technology Development Mission (Эксперименты по пожарной безопасности космических аппаратов для космической станции. Технологический полет). Wyle Laboratories, Huntsville, Alabama, 1988. Технический перевод N 19/90, инв. номер подлинника 17834.

2. Патент 2006841 G 01 N 25/52, приоритет 07.06.91 г. - прототип.

3. Обработка результатов третьей серии космических экспериментов в ЭУ "Скорость". Техническая справка инв. N 2897. Исследовательский Центр им. М. В.Келдыша, М., 1998 г.

Изобретение относится к области противопожарной техники летательных аппаратов и может быть использовано в космической технике. Устройство содержит камеру горения, последовательно соединенную с фильтром механических примесей и теплообменником, зажигатель с электрической спиралью на одном конце держателя и исследуемый образец, размещенный внутри камеры горения. Новым в устройстве является то, что камера горения, теплообменник и входной патрубок сорбирующих фильтров размещены соосно вдоль продольной оси, в корпусе камеры выполнена ниша, в которую помещен зажигатель, а другой конец держателя посредством шарнира установлен на стенке ниши, при этом зажигатель снабжен механизмом перемещения его в рабочую зону, держатель выполнен в виде крышки, закрывающей нишу. Технический результат - повышение качества потока при исследовании процесса горения образцов неметаллических материалов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения параметров горения материалов в невесомости, содержащее камеру горения, последовательно соединенную с фильтром механических примесей и теплообменником, дополнительный фильтр механических примесей, установленный на входе в камеру горения, сорбирующие фильтры, установленные на выходе камеры горения, блок формирования потока, соединенный с выходом сорбирующих фильтров через регулятор потока, зажигатель с электрической спиралью на одном конце держателя, исследуемый образец, размещенный внутри камеры горения, и смотровое окно из прозрачного материала, выполненное на боковой поверхности камеры горения, отличающееся тем, что в нем камера горения, теплообменник и входной патрубок сорбирующих фильтров размещены соосно, исследуемый образец закреплен вдоль продольной оси камеры горения, а в корпусе камеры выполнена ниша, в которой размещен зажигатель, а другой конец держателя посредством шарнира установлен на стенке ниши, при этом зажигатель снабжен механизмом перемещения его в рабочую зону для подведения спирали к исследуемому образцу. 2. Устройство для определения параметров горения материалов в невесомости по п.1, отличающееся тем, что держатель выполнен в виде крышки, закрывающей нишу камеры.