СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОЖАРА В ОБИТАЕМЫХ ГЕРМООТСЕКАХ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2006 года по МПК A62C2/00 

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности космических летательных аппаратов (далее КЛА) и может быть использовано при разработке технических решений по предотвращению возникновения пожаров в обитаемых гермоотсеках как долговременных орбитальных станций, так и транспортных космических кораблей в период орбитального полета.

Имевшие место ранее пожароопасные ситуации в обитаемых гермоотсеках КЛА различного назначения поставили пожароопасность для этих изделий в число основных опасных факторов космического полета (Г.Т.Береговой, А.А.Тищенко, Г.П.Шибанов, В.И.Ярополов. Безопасность космических полетов. - М.: "Машиностроение", 1977. - 263 с.).

Повышенная пожарная опасность обитаемых гермоотсеков КЛА обусловлена влиянием целого ряда специфических факторов устройства и эксплуатации этих изделий. В гермоотсеках КЛА используется атмосфера со значительно повышенной (до 30-40% объемных) концентрацией кислорода (С_ох). Выполнение требований по снижению массы элементов оборудования для гермоотсеков КЛА приводит к использованию в них большого количества конструкционных неметаллических материалов (КНМ). Именно применение КНМ в сочетании с обогащенной кислородом атмосферой создает высокий потенциальный уровень пожарной опасности в обитаемых гермоотсеках. В обитаемых гермоотсеках КЛА используется разнообразное электрооборудование, элементы которого при отказах, даже при малых токах в них, могут являться источником пожара в обогащенной кислородом атмосфере. Гермоотсеки снабжены системой вентиляции, обеспечивающей движение газовых потоков в них со скоростью до 4050 см/с. Вентиляционный поток обеспечивает устойчивое горение материалов в невесомости и в обогащенной кислородом среде может способствовать быстрому развитию пожара в гермоотсеке. Экипаж в гермоотсеках крайне уязвим для пожара вследствие быстрого повышения температуры атмосферы и ее отравления продуктами горения материалов. Автономность КЛА в полете не дает возможности оказания срочной противопожарной помощи извне и создает технические сложности при эвакуации экипажа при пожаре.

Известны различные традиционные и нетрадиционные способы обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА с использованием мер по предотвращению пожара и его тушению.

Ограничения по массе и объему оборудования и жесткие требования к обеспечению экологической устойчивости обитаемых гермоотсеков КЛА и обеспечению бесперебойной работы электрооборудования корабля препятствует использованию в них традиционных средств пожаротушения (водяных, пенных, газовых, порошковых и т.д.).

Учитывая данные обстоятельства, наиболее эффективным при обеспечении пожаробезопасности обитаемых гермоотсеков КЛА является использование мер по предотвращению возникновения пожара из-за загорания материалов в обогащенной кислородом атмосфере.

Известен способ предотвращения возникновения пожара обитаемых гермоотсеков, который заключается в использовании только материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере (А.Ф.Жевлаков, И.А.Болодьян, А.С.Мелихов, В.А.Третьяков / О влиянии состава полимерного материала на способность его к горению. // Экспресс-информация: Пожарная опасность веществ и материалов, сер.1, вып.85. - М.: ВНИИПО, 1976. - с.1-9). Разработки в этом направлении оказались крайне длительными и дорогостоящими и не смогли в полной мере обеспечить многообразные потребности космонавтики в негорючих материалах с необходимыми конструкционными свойствами.

В качестве прототипа выбран способ обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке КЛА в орбитальном полете (Патент России №2076497. Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов. Авторы: А.С.Мелихов, С.Н.Зайцев. МКИ 6 А 62 С 2/00. Приоритет изобретения 11.11.94 г. Опубл. 27.03.97. Бюл. №9). Сущность его заключается в том, что с целью предотвращения возникновения пожара в обитаемом гермоотсеке КЛА в орбитальном полете для всех элементов из горючих на Земле материалов обеспечиваются газодинамические условия, при которых скорость потока в погранслое на определенном расстоянии от поверхности материала устанавливается меньше нижнего предела его горения по скорости потока (V_lim), измеренного в невесомости.

В основе способа по прототипу лежат закономерности процесса горения материалов в условиях невесомости (О предельных режимах горения полимеров в отсутствии естественной конвекции. / А.С.Мелихов, В.И.Потякин, А.М.Рыжов, Б.А.Иванов // В журнале "Физика горения и взрыва", 1983, №4. - с.27-30. Предварительные результаты третьей серии экспериментов по исследованию горения неметаллических материалов в ЭУ "Скорость" на борту орбитальной станции "Мир" /А.В.Иванов, В.Ф.Алымов, А.Б.Смирнов, А.С.Мелихов и др. // Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации. США, г. Кливленд, 18-20 мая 1999 г.).

В связи с анализом недостатков прототипа необходимо отметить следующее.

Во-первых, обеспечение условий предотвращения возникновения пожара по прототипу требует, чтобы на стадии разработки гермоотсека КЛА в термостатированном полномасштабном макете гермоотсека около поверхности каждого элемента из горючих материалов была измерена скорость вентиляционного потока в пределах динамического погранслоя. Затем на основании этих измерений должны формироваться конструкции гермоотсека и поля вентиляционных потоков около них так, чтобы для всех элементов из горючих материалов на определяемом расстоянии от их поверхности скорость вентиляционного потока (V_vf) не превышала значения V_lim для данных материалов, то есть выполнялось условие V_vf<V_lim. Такой подход к решению вопроса предотвращения возникновения пожара по прототипу требует выполнения, во-первых, чрезвычайно большого объема работ и использования уникального оборудования, а именно термостатированного полномасштабного макета гермоотсека с системой точечного измерения скорости вентиляционного потока около поверхности каждого элемента из горючих материалов. Во-вторых, для того чтобы выполнялось условие V_vf<V_lim для высокогорючих материалов необходимо снижать скорость вентиляционного потока в гермоотсеке, что может нарушить газообмен в гермоотсеке, осуществляемый для регенерации кислорода в рабочей атмосфере, для поглощения вредных примесей из этой среды и для снятия тепла с электрооборудования. В-третьих, способ предотвращения возникновения и развития пожара в гермоотсеке КЛА за счет оперативного снижения производительности системы вентиляции по сигналу пожарных извещателей для достижения значений скоростей вентиляционных потоков в гермоотсеке, равных V_lim, имеет следующие недостатки, затрудняющие реализацию способа:

- введение системы регулирования скорости вращения электроприводов вентиляторов снижает надежность системы вентиляции;

- из-за замедленной доставки продуктов разложения (горения) к пожарным извещателям увеличивается время обнаружения факта прекращения пожара; для предотвращения этого необходимо увеличивать количество пожарных извещателей.

Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков.

Целью изобретения является исключение возможности воспламенения материалов в орбитальном полете в случае появления источников, возникших при отказах в сильно токонагружаемых элементах электрооборудования, при штатной работе системы вентиляции в гермоотсеке КЛА.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов, преимущественно долговременных станций, в орбитальном полете, включающем в себя формирование в вентиляционном потоке гермоотсека пожароопасных конструкций из горючих материалов, детали бортового электрооборудования с токонагружаемыми цепями располагают на элементах конструкций гермоотсека из горючих материалов в пожаробезопасных зонах, ограниченных по периферии пожарозащитными зонами, ширина которых, начиная от кромок элементов, обдуваемых вентиляционным потоком, определяется из соотношения:

где l_zf1 - ширина периферийной пожарозащитной зоны на элементе конструкции;

Δ_zf1 - расстояние от поверхности материала до эквидистантной поверхности над ним, между которыми находится источник зажигания, см;

V_vf - скорость вентиляционного потока, обдувающего элемент из данного материала, см/с; V_lim.i - предельная для воспламенения данного материала скорость газового потока в невесомости при заданной концентрации кислорода, см/с;

ν_g - коэффициент кинематической вязкости газовой атмосферы в гермоотсеке, см²/с.

Новое техническое решение стало возможным на базе результатов фундаментальных исследований процессов воспламенения и горения материалов в невесомости за счет обоснованного и контролируемого исключения размещения в пожарозащитных зонах конструкций из горючих материалов элементов сильно токонагружаемых электроцепей. В пожарозащитной зоне формируется пограничный слой, структура которого исключает воспламенение конструкции в пожаробезопасной зоне, находящейся внутри пожарозащитной зоны.

При разработке подхода к определению ширины периферийной пожарозащитной зоны элемента l_zf1, где воспламенение еще возможно, а за границей ее невозможно, мы воспользовались решением системы уравнений в приближении Прандтля для пограничного слоя (Л.Г.Лойцянский / Механика жидкости и газа // М.: Наука. 1987. - 840 с.), которое, например, для плоского элемента выглядит следующим образом:

где V_gf - скорость набегающего потока; V_lok - скорость потока в любой точке пограничного слоя;

X, Y - координаты: совпадающая с направлением вектора скорости потока и перпендикулярная ему.

Приняв V_gf=V_vf; Х=1_zf1; Y=Δ_zf1 и V_lok=V_lim.i из соотношения (2) получено уравнение, по которому можно определять значение ширины пожарозащитной зоны l_zf1 для данного материала при заданной скорости вентиляции и данном V_lim.i:

Таким образом, при отсутствии естественной конвекции возможность зажигания по длине элемента определяется локальным значением скорости потока в данной точке пограничного слоя. Данное положение свойственно только для состояния невесомости.

На фиг.1 показана схема размещения образца материала и электродов в экспериментальной установке (ЭУ) "Плоский канал". На фиг.2 приведена зависимость времени задержки зажигания бумаги от скорости газового потока в ЭУ "Плоский канал": при расстояниях от края образца 1-1 мм; 2-2,5 мм; 3-5 мм; 4-10 мм.

С целью разработки мер по предотвращению возникновения пожара в орбитальном полете были проведены исследования параметров воспламенения материалов для условий невесомости. Исследования проводились в ЭУ "Плоский канал" (Патент России №2116093. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. МПК 6 А 62 С 2/00. Авторы: А.С.Мелихов, А.В.Иванов, В.И.Потякин. Приоритет изобретения 05.12.95 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21). В основе его лежит организация воспламенения образца материала в плоском горизонтально расположенном движущемся слое окислительной среды определенной толщины, ограниченном по высоте параллельными пластинами, в котором число Грасгофа не превышает критического для развития естественной конвекции значения. Данный метод физического моделирования позволяет получать значения параметров воспламенения и горения материалов для условий невесомости при наличии силы притяжения Земли. Это подтверждено результатами исследований, полученными на космической станции "Мир" (Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования /А.С.Мелихов, А.В.Иванов, И.А.Болодьян и др. // Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации. США, г. Кливленд. 18-20 мая 1999).

При изучении процесса воспламенения материалов в ЭУ "Плоский канал" использовался высоковольтный электрический разряд - источник, надежно зажигающий материалы (В.И.Калинкин, А.С.Мелихов, Б.Г.Попов / Исследование зажигания материалов электрическими разрядами в ограниченных пространствах. // В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах. М.: ВНИИПО, вып.4. - с.35-42). Схема размещения в ЭУ "Плоский канал" образца материала и электродов зажигания относительно вектора скорости потока V_gf показана на фиг.1. Образец материала 1 в виде пластинки с помощью элемента 2 размещался в канале вертикально вдоль потока на оси канала. Электроды зажигания 3 соединены с устройством для получения электрического разряда. Для зажигания образца на различных расстояниях d_x от его лобовой точки имелась возможность перемещения образца относительно электродов. Для создания оптимальных условий зажигания материалов могло меняться межэлектродное расстояние d_e1.

Методика определения ширины пожароопасного участка (1_zf1) от электрического разряда, например, для печатных плат заключалась в следующем.

Вначале при заданном значении С_ох определялось значение V_lim.i материала.

По формуле h_k=K_g*(C_ox)^-03 _*(P)^-0,5 (Патент России №2116093. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. МПК 6 А 62 С 2/00. Авторы: А.С.Мелихов, А.В.Иванов, В.И.Потякин. Приоритет изобретения 05.12.95 г.) устанавливалась высота камеры сгорания h_k, при которой следует проводить опыт в условиях, соответствующих условиям невесомости. Образец материала устанавливался в держателе и вводился между электродами так, чтобы лобовой торец образца располагался на заданном расстоянии d_x от концов электродов. Устройством для получения разряда задавалась его мощность. В камере сгорания создавался поток азотно-кислородной газовой смеси с заданными скоростью и концентрацией кислорода. Включался задатчик времени действия разряда на образец, затем фиксировалось наличие или отсутствие воспламенения образца. Определялось значение времени задержки зажигания материала (τ_ig) в зависимости от скорости газовой смеси при заданной концентрации кислорода. За величину τ_ig принималось время действия разряда на образец, при котором в 10 опытах воспламенение образца происходило хотя бы один раз, а при времени на 0,02 с меньшем - ни одного раза. Значение V_lim.i при данных d_x и С_ох определялось как скорости потока, при которых зависимость величины τ_ig от V_gf выходила на вертикаль.

Исследованы материалы с различными физико-химическими свойствами: стеклотекстолит для изготовления печатных плат, бумага, гетинакс, текстолит, органическое стекло, электротехнический картон и других широко используемых в обитаемых гермоотсеках КЛА. У всех испытанных материалов характер зависимостей был идентичным, однако значение V_lim.i при разных значениях С_ох у каждого материала было свое.

В результате экспериментов было установлено, что величина τ_ig материалов в условиях невесомости зависит от места зажигания образца относительно его торца, на который набегает газовый поток, - расстояния d_x. На фиг.2 представлены зависимости величины τ_ig для бумаги от скорости потока, полученные в ЭУ "Плоский канал" для различных значений d_x при концентрации кислорода, равной 30%. Расстояния от лобового торца образца до места зажигания составляло: 1-1 мм; 2-2,5 мм; 3-5 мм; 4-10 мм. Минимальное значение V_lim.i имеет место при зажигании в лобовой точке образца и существенно увеличивается при удалении от нее далее по потоку. Такое положение свойственно только для состояния невесомости.

В табл.1 приведена экспериментально определенная зависимость τ_ig от V_gf для стеклотекстолита, используемого для изготовления печатных плат. Здесь С_ох=40%, мощность разряда (N_ed) - 12,3 Вт. Место зажигания соответствовало лобовой точке образца. Видно, что значение V_lim.i для стеклотекстолита при С_ох=40% составляет 14,4 см/с.

Таблица 1Скорость вентиляционного потока, см/с14,414,51620304065Время задержки зажигания, с0,380,30,230,20,180,170,15

С учетом результатов выполненных исследований по формуле (1) определены значения l_zf1 для печатных плат, выполненных из стеклотекстолита, для разных скоростей газового потока при концентрации кислорода, равной 40%. При этом значение V_lim.i взято равным 14,4 см/с. Высота печатного элемента - источника зажигания Δ_zf1 принята равной 0,25 мм.

Таблица 2Скорость газового потока, см/с1020304050Значение l_zf1, мм0,21,65,41325

Экспериментально установлено, что значение V_lim.i, а следовательно, и значение l_zf1 для различных материалов практически не зависит от мощности источника зажигания, то есть мощности разряда (N_ed) и длительности его действия (τ_ed) в наиболее возможных диапазонах этих параметров (N_ed до 25 Вт, τ_ed до 10 с).

Данный способ может быть реализован для любого вида элементов конструкций из горючих материалов, на которых располагаются детали бортового электрооборудования с токонагружаемыми цепями.

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 и в значениях параметров электрических цепей. Предлагаемое техническое решение имеет большую перспективу в практике обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА в долговременных космических полетах. Это решение обеспечивает относительно невысокие материальные затраты на обеспечение пожарной безопасности гермоотсеков КЛА.

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности космических летательных аппаратов и может быть использовано при разработке технических решений по предотвращению возникновения пожаров в обитаемых гермоотсеках как долговременных орбитальных станций, так и транспортных космических кораблей в период орбитального полета. Изобретение основано на установленных закономерностях воспламенения и горения материалов в невесомости. Способ состоит в том, что детали бортового электрооборудования, находящиеся в сильно токонагружаемых цепях, размещают на элементах конструкций гермоотсека из горючих материалов в пожаробезопасных зонах, ограниченных по периферии пожарозащитными зонами, ширина которых, начиная от кромок элементов, обдуваемых вентиляционным потоком, определяется из приведенного соотношения:

где 1_zf1 - ширина периферийной пожарозащитной зоны на элементе конструкции, см; Δ_zf1 - расстояние от поверхности материала до эквидистантой поверхности над ним, между которыми находится источник зажигания, см; V_vf - скорость вентиляционного потока, обдувающего элемент из данного материала, см/с; V_lim.i - предельная для воспламенения материала скорость газового потока в невесомости при данной концентрации кислорода, см/с; ν_g - коэффициент кинематической вязкости газовой атмосферы в гермоотсеке, см²/с. Изобретение обеспечивает исключение возможности воспламенения материалов в орбитальном полете в случае появления источников, возникших при отказах в сильно токонагружаемых элементах электрооборудования при штатной работе системы ветиляции в гермоотсеке космического летательного аппарата. 2 ил., 2 табл.

Способ предотвращения возникновения пожара в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полете, включающий в себя формирование в вентиляционном потоке гермоотсека пожаробезопасных конструкций из горючих материалов, отличающийся тем, что детали бортового электрооборудования, находящиеся в сильно токонагружаемых цепях, размещают на элементах конструкций гермоотсека из горючих материалов в пожаробезопасных зонах, ограниченных по периферии пожарозащитными зонами, ширина которых, начиная от кромок элементов, обдуваемых вентиляционным потоком, определяется из соотношения

где 1_zf1 - ширина периферийной пожарозащитной зоны на элементе конструкции, см;

Δ_zf1 - расстояние от поверхности материала до эквидистантой поверхности над ним, между которыми находится источник зажигания, см;

V_vf - скорость вентиляционного потока, обдувающего элемент из данного материала, см/с;

V_lim.i - предельная для воспламенения материала скорость газового потока в невесомости при данной концентрации кислорода, см/с;

ν_g - коэффициент кинематической вязкости газовой атмосферы в гермоотсеке, см²/с.