УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В НЕВЕСОМОСТИ Российский патент 2003 года по МПК G01N25/52 

Изобретение относится к противопожарной технике летательных аппаратов и может быть использовано в космической технике, в частности для проведения 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 безопасности в условиях отсутствия гравитации, как скорость распространения пламени по материалам, предельные параметры их горения, а также предельные скорости газового потока, при которых возможно горение. Разработкой устройств для исследования поведения пожара в условиях отсутствия гравитации занимается исследовательский центр им. Льюиса (США) и ракетно-космическая корпорация. Аналогом является созданная в США установка для проведения подробного исследования на КК "Спейс Шаттл" факторов горения и распространения пламени в условиях низкой гравитации с конвективными потоками малой скорости, разработанная У.У. Янгблудом (NASA CR-182114 WW. Yougblood <Spacecraft fire - safety experiments for space Station. Texnology development mission> Wyle Laboratorories, Huntcsvile, Alabama, 1988, стр.33-36. Устройство состоит из камеры горения, выполненной в виде заменяемой испытательной секции по горению и распространению пламени, блока формирования потока в камере горения, выполненного в виде вентилятора, нагнетающего газовую смесь, фильтра механических примесей, теплообменника, выполненного в виде тепловыводящих спиралей, системы контроля подаваемой в камеру газовой среды, включающей в себя подсистему предварительной газовой очистки и хранения и подсистему газового состава, подсистему измерения скорости потока и управления, подсистему введения/возвращения горючего образца. Данное устройство предназначалось для сжигания только одного образца и только тонких листовых материалов (бумага, пластик и т.д.), т.к. в этой конструкции образцы вводились внутрь камеры горения через узкую щель со стороны тоннеля горения. К недостаткам данной конструкции можно отнести большие габариты из-за того, что кассета с исследуемыми образцами устанавливается снаружи камеры горения и после проведения каждого эксперимента требуется замена исследуемого образца путем удаления его из камеры горения через узкую щель и введения нового.

Наиболее близким к предложенному техническому решению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для исследования процесса горения материалов в невесомости, патент RU 2038588. с приоритетом от 19.08.92. Устройство содержит камеру горения, формирователь потока в виде вентилятора, формирующего газовую смесь, фильтр для механических примесей и для адсорбции продуктов выделения при сгорании образцов, теплообменник, зажигатель, образец, закрепленный на держателе, механизм замены образцов, выполненный в виде двух барабанов с держателями образцов, расположенных параллельно продольной оси камеры горения, а также ручек поворота и стопора перемещения образцов, размещенных на задней стенке камеры горения.

Хранение сгоревших образцов внутри камеры горения исключает загрязнение атмосферы жилого отсека пилотируемого космического аппарата на длительное время. Поворот образцов осуществляется с помощью ручек, расположенных снаружи на задней стенке камеры горения, и стопора перемещения образцов, удерживающего образцы на барабанах в зоне поджигания. Продукты сгорания выводятся с помощью устройства формирования потока через теплообменник, встроенный в боковую стенку камеры горения. Образцы на барабанах закреплены таким образом, что поджигается только один образец.

Когда проводится исследование горения материала, закрепленного на первом барабане, второй барабан зафиксирован в таком положении, чтобы не быть помехой для смены образцов первого барабана. Угол установки образцов на барабанах определяется безопасностью эксплуатации при поджигании образцов, т.е. размер от сгораемого образца до близлежащих образцов должен быть больше половины размера зоны горения исследуемого образца, рассчитанного по формуле:
δ=4,64х•ν/v_n,
где х - длина образца от передней кромки образца вдоль газового потока, см;
ν - коэффициент кинематической вязкости, см²/с;
v_n - скорость газового потока, см/с.

В условиях реального космического полета скорость вентиляционного потока, обтекающая его образцы, равна от 0,5 до 20 см/с, ν=0,2 см²/с:
v_n зависит от концентрации кислорода;
v_n=7,5-0,16 C_О2.

К недостаткам данной конструкции можно отнести организацию газового потока через боковую стенку, на небольшом расстоянии от зоны горения образца, что вызывает нарушение ламинарности потока и существенно влияет на чистоту эксперимента.

Задачей предложенного технического решения является обеспечение в условиях невесомости космического полета противопожарной безопасности в исследовании скорости горения органических и синтетических материалов, применяемых на космических станциях.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является улучшение эксплуатационных характеристик при незначительном увеличении габаритов, позволяющее исследовать не только тонкостенные образцы, но и образцы с увеличенной массой, и имеющие в поперечном сечении большую площадь, а также предотвращение влияния турбулентных газовых течений на исследуемый образец в состоянии невесомости за счет обеспечения ламинарного течения газовых потоков в зоне горения образца.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования процессов горения материалов в невесомости, содержащем камеру горения, зажигатель, образцы, расположенные параллельно продольной оси камеры горения, механизм замены образцов с двумя барабанами, держателями образцов и ручками поворота, формирователь потока, а также теплообменник, в отличие от известного в механизм замены образцов введены входной и выходной взаимно-перпендикулярные валы, при этом входной вал размещен перпендикулярно боковой стенке камеры горения, а выходной вал - параллельно продольной оси камеры горения, причем ручка поворота установлена на одном конце входного вала с внешней стороны боковой стенки камеры горения, на другом конце вала внутри камеры горения установлен перпендикулярно к нему рычаг, соединенный с ползуном, установленным с возможностью перемещения вдоль поперечной оси камеры горения и соединенным посредством рычага с храповиком, снабженным фиксатором положения и угла поворота образцов и жестко закрепленным на выходном валу, расположенными внутри камеры горения параллельно ее продольной оси, на конце которого расположен барабан с образцами, и формирователь потока, размещенный вдоль продольной оси камеры горения.

Устройство обеспечивает при проведении исследований ламинарность движения потока в зоне горения исследуемого образца и механическую установку и фиксацию нового образца в зону горения.

Угол поворота ручки соответствует углу поворота барабана, необходимого для перемещения образца в зону поджигания, который фиксируется с помощью фиксатора положения и угла поворота образцов, расположенного внутри камеры горения. Барабан с образцами расположен на таком расстоянии от механизма поворота барабанов, чтобы турбулентность газовых потоков, возникающая от влияния механизма поворота барабанов и теплообменника была минимальной и составляла размер, равный или больший, чем половина длины образца.

На фиг. 1 показано устройство для исследования процессов горения материалов в невесомости; на фиг. 2 - кинематическая схема привода барабанов механизма замены образцов; на фиг. 3 - зона горящего образца; на фиг.4 - поперечный разрез камеры горения.

Устройство для исследования процесса горения материалов содержит камеру горения 1, имеющую входной 2 и выходной 3 отверстия, смотровые окна 4 и 5, зажигатель 6, барабаны с держателями 7, образцами 8, расположенными параллельно продольной оси камеры горения, теплообменник 9, расположенный перпендикулярно тепловому потоку, механизм замены образцов 10, состоящий из ручки 11, входного вала 12; рычага входного вала 13, ползуна 14, перемещающегося вдоль поперечной оси камеры горения 15, рычага 16, поворачивающего храповик 17, жестко соединенный с выходным валом 18, расположенным параллельно продольной оси камеры горения, при этом храповик снабжен фиксатором положения и угла поворота образцов 19, пружиной возврата ползуна и ручки в первоначальное положение 20. На фиг.3 показано направление формируемого потока 21, воздействующего на образец. На фиг.4 показаны также лимб для контроля номера устанавливаемого образца 22, размещенный на стенке камеры горения, сетка 23, помещенная за горящим образцом, и формирователь потока 24.

Устройство для исследования процесса горения материалов в условиях невесомости работает следующим образом. Формируемый поток 21 входит в камеру горения через входное отверстие 2, обдувает горящий образец 8 и выходит через сетку 23, механизм замены образцов 10, теплообменник 9 и выходное отверстие 3. Горящий образец образует вокруг себя зону горения, которая имеет наибольший размер А. Для обеспечения безопасности при эксплуатации расстояние Б между исследуемым и соседними образцами должно превышать размер А зоны горения. Барабаны 7 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 фиксатором положения и угла поворота образцов 19. Когда проводится исследование горения материалов на образце 8, закрепленном на первом барабане 7, второй барабан 7 с закрепленными образцами 8 зафиксирован в исходном положении, чтобы он не был помехой для смены образцов на первом барабане. Свободное вращение первого барабана достигается за счет того, что раскрытие одной пары образцов обеспечивается углом, большим угла раскрытия других пар образцов.

Перемещение образца 8 первого барабана 7 при зафиксированном положении второго барабана 7 осуществляется за счет поворота ручки 11, входного вала 12 на угол, равный углу поворота образца на барабане 7. На входном валу 12 установлен рычаг входного вала 13, связанный с ползуном 14, который при повороте входного вала перемещает ползун 14 вдоль поперечной оси камеры горения 15. С ползуном 14 связан рычаг 16, поворачивающий храповик 17, жестко соединенный с выходным валом 18, расположенным параллельно продольной оси камеры горения и имеющий фиксатор положения и угла поворота образцов 19. Для возврата ползуна 14 в первоначальное положение и, соответственно ручки, установлена пружина возврата 20, при этом храповое устройство вращается только в одном направлении. На выходном валу 18 установлен лимб 22 для контроля номера устанавливаемого образца 8. На выходном валу жестко установлен барабан 7 с закрепленными образцами 8, которые поворачиваются на угол поворота ручки 11. Вращение образцов второго барабана 7 с установленными образцами 8 осуществляется при фиксации первого барабана в условии максимального угла между парой образцов на нем, при повороте ручки 11 второго барабана.

Источники информации
1. NASA CR-182114 W.W. Yougblood <Spacecraft Fire - Safety Experiments for Space Station. Texnology Development Mission> Wyle Ladoratorories, Huntsvile, Alabama, 1988, стр. 33-36. (Эксперименты по пожарной безопасности космических аппаратов для космической станции. Технологический полет). Технический перевод 19/90, инв. номер подлинника 17834.

2. Патент RU 2038588 от 19.06.92. Устройство для исследования процесса горения материалов в невесомости. МКИ 6 G 01 N 25/52.

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

Устройство предназначено для исследования процесса горения материалов в невесомости. Задачей данного технического решения является обеспечение в условиях невесомости космического полета противопожарной безопасности в исследовании скорости горения органических и синтетических материалов, применяемых на космических станциях. Устройство для исследования процесса горения материалов в невесомости содержит камеру горения, зажигатель, образцы, расположенные параллельно продольной оси камеры горения, механизм замены образцов с двумя барабанами, держателями образцов и ручками поворота, формирователь потока, а также теплообменник. В механизм замены образцов введены входной и выходной взаимно перпендикулярные валы, при этом входной вал размещен перпендикулярно боковой стенке камеры горения, а выходной вал - параллельно продольной оси камеры горения. Причем ручка поворота установлена на одном конце входного вала с внешней стороны боковой стенки камеры горения. На другом конце вала внутри камеры горения установлен перпендикулярно к нему рычаг, соединенный с ползуном, установленным с возможностью перемещения вдоль поперечной оси камеры горения и соединенным посредством рычага с храповиком, снабженным фиксатором положения и угла поворота образцов и жестко закрепленным на выходном валу, расположенных внутри камеры горения параллельно ее продольной оси, на конце которого расположен барабан с образцами, и формирователь потока, размещенный вдоль продольной оси камеры горения. Устройство обеспечивает при проведении исследований ламинарность движения потока в зоне горения исследуемого образца и механическую установку нового образца в зону горения. 4 ил.

Устройство для исследования процесса горения материалов в невесомости, содержащее камеру горения, зажигатель, образцы, расположенные параллельно продольной оси камеры горения, механизм замены образцов с двумя барабанами, держателями образцов и ручками поворота, формирователь потока, а также теплообменник, отличающееся тем, что в механизм замены образцов введены входной и выходной взаимноперпендикулярные валы, при этом входной вал размещен перпендикулярно боковой стенке камеры горения, а выходной вал - параллельно продольной оси камеры горения, причем ручка поворота установлена на одном конце входного вала с внешней стороны боковой стенки камеры горения, на другом конце вала внутри камеры горения установлен перпендикулярно к нему рычаг, соединенный с ползуном, установленным с возможностью перемещения вдоль поперечной оси камеры горения и соединенным посредством рычага с храповиком, снабженным фиксатором положения и угла поворота образцов и жестко закрепленным на выходном валу, расположенных внутри камеры горения параллельно ее продольной оси, на конце которого расположен барабан с образцами, и формирователь потока, размещенный вдоль продольной оси камеры горения.