RU2283151C2 - Устройство по определению показателей, характеризующих пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов в условиях невесомости - Google Patents

Abstract

Устройство предназначено для определения показателей, характеризующих пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов в условиях невесомости. Целью изобретения является снижение погрешности определения показателей пожарной опасности материалов посредством увеличения расстояния между стенками плоской камеры сгорания экспериментальной установки и горящим образцом материала без увеличения интенсивности потоков естественной конвекции. Определение надежных данных о показателях пожарной опасности материалов в условиях невесомости позволяет решать вопросы обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов, в особенности долговременных орбитальных станций, межпланетных кораблей и т. д., длительно находящихся в орбитальном полете. Устройство позволяет определять показатели пожарной опасности материалов для условий невесомости при действии силы тяжести Земли. Данная разработка имеет большое практическое значение, поскольку не требует таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов на космических станциях, в свободнопадающих контейнерах, в самолетах-лабораториях. 6 ил.

Description

Устройство предназначено для определения показателей, характеризующих пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов (далее материалы) в условиях невесомости, к которым относятся: нижний предел горения материалов по скорости потока в невесомости, показатели, характеризующие условия самотушения материалов в невесомости, скорость распространения пламени по материалам, скорость тепловыделения при их горении, температура пламени в невесомости и т.д.

Эти показатели необходимы при разработке способов и средств обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов (далее КЛА), в особенности долговременных орбитальных станций и межпланетных кораблей, эксплуатация которых осуществляется в основном в орбитальном полете, без воздействия ускорения силы тяжести, то есть в невесомости.

Обитаемые гермоотсеки КЛА характеризуются повышенной пожарной опасностью. Это связано со спецификой устройства и условий эксплуатации этих изделий. Атмосфера гермоотсеков КЛА значительно (до 30-40 объемных процентов) обогащена кислородом. С целью снижения массы КЛА в гермоотсеках используется большое количество неметаллических материалов, большая часть из которых является горючей в среде с повышенной концентрацией кислорода. Обитаемые гермоотсеки КЛА насыщены электрооборудованием, элементы которого при отказах даже в слаботочных цепях часто становятся источниками пожара в обогащенной кислородом среде. Экипажу КЛА невозможно оказать помощь извне при тушении пожара в гермоотсеке.

Обеспечение пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА традиционными методами практически невозможно. Обитаемые гермоотсеки являются одним из самых важных элементов КЛА (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. -М.: «Машиностроение», 1977. - 263 с.), и поэтому средства обеспечения их пожарной безопасности должны быть надежными, быстродействующими и срабатывать независимо от человека (автоматически). Одновременно на средства обеспечения пожарной безопасности, в частности на средства тушения пожара в обитаемых гермоотсеках КЛА, накладываются строгие ограничения по массе, а главное, по экологичности для обитаемой среды гермоотсека.

В поиске оптимальных решений по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА были проведены исследования, направленные на выявление влияния основного фактора космического полета (невесомости) на процессы воспламенения, горения и тушения материалов в обогащенной кислородом среде. Исследования, выполненные на наземных экспериментальных установках (ЭУ) и на борту российской орбитальной космической станции «Мир», позволили установить существование новых показателей пожарной опасности материалов, в частности значения V_lim, найти условия самопроизвольного потухания материалов в орбитальном полете, определить другие показатели, характеризующие пожарную опасность материалов в условиях невесомости (О предельных режимах горения полимеров в отсутствие свободной конвекции. /Мелихов А.С., Потякин В.И. и др. //В журнале «Физика горения и взрыва». №4, 1983, -с.27-30; Предварительные результаты третьей серии экспериментов по исследованию горения неметаллических материалов в ЭУ «Скорость» на борту орбитальной станции «Мир»./Иванов А.В., Алымов В.Ф., Смирнов А.Б. и др.//Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, г. Кливленд, 18-20 мая 1999).

Примечание: В литературе наряду с термином «невесомость» часто используется понятие «микрогравитация», которое указывает, что в орбитальном полете (без работы ракетных двигателей) могут иметь место только малые (микро) ускорения силы тяжести.

Полученные научные данные дали возможность разработать принципиально новые способы обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА как в части предотвращения пожара, так и его тушения (Патент России №2076497. Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов. МКИ 6 А 62 С 3/08. Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н.. Приоритет изобретения от 11.11.94г.; Патент России №2116092. Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов. Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. Приоритет 05.12.95 г.).

Из вышеизложенного следует, что для разработки и реализации новейших средств и способов обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА необходимо для материалов, предназначенных к использованию в этих гермоотсеках, определять показатели, характеризующие их пожарную опасность в условиях невесомости. При этом показатели пожарной опасности материалов должны определяться с учетом значений концентрации кислорода в атмосфере (С_ох) и ее давления (P_en), которые эти параметры атмосферы могут иметь место во время эксплуатации обитаемых гермоотсеков.

Для определения показателей пожарной опасности материалов для обычных (земных) условий с учетом влияния на их значения параметров атмосферы существуют различные способы и соответствующие им устройства (О предельных условиях горения полимеров. /Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др.// В журнале «Физика горения и взрыва». 1979, №4, с.63-65; Мелихов А.С., Иванов Б.А., Розовский А.С. Изучение предельных условий горения материалов в газообразном кислороде./В сб. «Процессы горения и проблемы тушения пожаров». // М.: ВНИИПО, 1973, -с.241-252).

С помощью этих устройств нельзя определить показатели пожарной опасности материалов для условий невесомости, так как горение образца материала в камере сгорания обеспечивается в основном газовым потоком, побуждаемым естественной конвекцией с высокой скоростью (0,5 м/с и более). Он в данном случае не может регулироваться, а вынужденный газовый поток служит только для вентиляции камеры от продуктов сгорания.

Показатели пожарной опасности материалов в условиях невесомости могут определяться в экспериментах на орбитальных космических станциях и в свободнопадающих контейнерах. Стоимость испытательных работ на орбитальных станциях крайне велика. Поскольку перечни материалов, используемых в обитаемых гермоотсеках современных КЛА, которые необходимо испытать, насчитывают несколько сот наименований, значения практически важных показателей пожарной опасности основной массы материалов для условий невесомости в настоящее время стремятся определять на наземных экспериментальных установках (на наземных имитаторах процесса горения в невесомости). Такая тенденция наблюдается в разных странах. Например, в США из запланированных для выполнения в ближайшее время 73-х проектов, касающихся изучения процессов горения в невесомости, большинство (около 50) планируется провести в наземных условиях (King. M.K. /NASA Microgravity Combustion Program. Proceedings of Fourth International Microgravity Combustion Workshop held at. May 19-21, 1997, Cleveland, Ohio, pp.3-20. (NASA CP 10191)).

Свободнопадающие контейнеры, широко используемые для исследования различных физических процессов в невесомости, позволяют определять показатели пожарной опасности только для тонких материалов (О предельных режимах горения полимеров в отсутствие свободной конвекции. /Мелихов А.С., Потякин В.И., Рыжов А.М., Иванов Б.А. //В журнале «Физика горения и взрыва». №4, 1983, - с.27-30; Olson S.L. The effect of microgravity on flame spread over a thin fuel./ NASA, Lewis Research Center, Cleveland, Ohio, December 1987. p.55). Для массивных образцов материалов в свободнопадающем контейнере показатели пожарной опасности определить невозможно. Это связано с тем, что время существования невесомости (рабочее время эксперимента) в самых совершенных экспериментальных установках со свободнопадающими контейнерами не превышает 10 с. За это время самопроизвольного потухания массивных элементов не происходит.

Известно устройство по определению предела горения материалов по скорости потока (V_lim) для условий невесомости методом физического моделирования процесса горения материалов в невесомости при наличии силы тяжести. (Патент России №2116093 «Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости». МПК 6 А 62 С 2/00. Авторы: Мелихов АС., Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет изобретения от 05.12.95 г.).

Это устройство взято в качестве прототипа при разработке данного изобретения.

Устройство включает в себя камеру сгорания, выполненную в виде плоского канала, со строго определенной высотой h_к. Камера выполнена из двух массивных пластин с высокой теплопроводностью, что исключает локальный их прогрев, а следовательно, обеспечивает измерение значения V_lim при строго определенной температуре. С помощью подвижной верхней пластины обеспечено изменение расстояния между пластинами h_k. В опытах с помощью смесителя задаются расход газовой смеси и концентрация в ней кислорода. Для организации равномерного по сечению камеры сгорания потока газовой среды в ее начале установлен пористый элемент. Для обеспечения возможности задания в эксперименте необходимой скорости потока, натекающего на зону горения образца материала, предварительно проводятся тарировочные работы. Образец материала размещается на штанге, которая с помощью привода может перемещать его в камеру сгорания, удерживая лобовую часть образца на оси канала. Образец материала зажигается электрической спиралью или газовой горелкой перед введением его в камеру сгорания. Для определения значений показателей пожарной опасности материалов при разных давлениях устройство размещается в герметичном сосуде. Для исключения влияния естественной конвекции на результаты опытов камера сгорания устанавливается строго горизонтально.

Для материалов, при горении которых не остается твердого каркаса, за величину V_lim принимается скорость потока, при которой горение продолжается не менее 20 с. Для материалов, при сгорании которых оставался твердый каркас, за величину V_lim принимается скорость потока, при которой горение продолжается не менее 10 с, и/или в лобовой части образца горючее связующее материала выгорает на длине 3-4 мм, после чего он потухает.

Эксперименты по изучению показателей пожарной опасности материалов в невесомости, выполненные на борту орбитальной станции «Мир», показали, что для большинства материалов результаты, полученные в истинной невесомости (на станции «Мир») и с помощью устройства-прототипа, близки. При этом устройство-прототип позволило определить для условий невесомости не только значения V_lim материалов, но и другие показатели пожарной опасности материалов. (Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования./ Мелихов А.С., Иванов А.В., Болодьян И.А. и др.// Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, г. Кливленд. 18-20 мая 1999 г.).

Данное изобретение базируется на фундаментальных закономерностях процессов тепломассообмена и результатах исследования предельных условий горения материалов в невесомости (Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: 1972; Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. -М.: 1977; Мелихов А.С., Потякин В.И. и др./ О предельных режимах горения полимеров в отсутствие свободной конвекции. //В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, N4, с.27-30).

В основе изобретения лежит организация горения образца материала в плоской горизонтально расположенной камере сгорания такой высоты h_k, при которой подавляются вертикальные потоки, побуждаемые естественной конвекцией, и не оказывают заметного влияния на процесс горения образца материала под действием вынужденного потока. При этом критерий Грасгофа ограничивается определенным предельно допустимым значением.

Высота камеры сгорания при определении показателей пожарной опасности материалов в зависимости от параметров рабочей газовой атмосферы, в которой предполагается использовать материал, устанавливается исходя из соотношения

где Сох - объемная доля кислорода в газовой среде; Р=P_en/P_o - член, характеризующий давление газовой среды; K_g - эмпирический коэффициент - функция ускорения силы тяжести; Р_о - атмосферное давление, МПа; P_en - давление газовой среды в опыте, МПа.

Формула (1) для определения значения h_k в зависимости от С_ох и P_en была составлена в результате обработки экспериментальных данных, полученных при различных значениях указанных параметров в свободнопадающем контейнере и на устройстве-прототипе.

С помощью устройства-прототипа были определены показатели пожарной опасности широкого круга материалов, используемых при конструировании обитаемых гермоотсеков отечественных КЛА различного назначения, в том числе гермоотсеков Российского сегмента Международной Космической Станции. На этой базе была разработана новая технология обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА с использованием нетрадиционных средств предотвращения пожаров и средств противопожарной защиты. Разработаны и используются на МКС автоматизированные установки пожаротушения, действие которых основано на снижении до известных значений скоростей вентиляционных потоков при обнаружении пожароопасной ситуации в гермоотсеке. Новая технология позволяет с высокой надежностью обеспечить пожарную безопасность обитаемых гермоотсеков КЛА.

В то же время при эксплуатации устройства-прототипа были выявлены недостатки.

Результаты контрольных экспериментов по изучению процессов горения материалов в условиях невесомости, выполненных на борту орбитальной станции «Мир», показали, что полученные на устройстве-прототипе значения показателя V_lim у некоторых газофазно горящих и плавящихся материалов несколько выше значений V_lim, полученных в ЭУ «Скорость» на борту орбитальной станции «Мир», (Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования./Мелихов А.С., Иванов А.В., Болодьян И.А. и др.//Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, г. Кливленд. 18-20 мая 1999 г.). Это объяснено тем, что ЭУ «Скорость» имеет камеру сгорания большего объема и пламя охватывает образец материала в большей степени, чем в устройстве-прототипе (в плоской камере сгорания). Кроме того, было обнаружено, что при определении предельных условий горения композиционных материалов с помощью устройства-прототипа, в частности при определении их значений V_lim, наблюдается большой разброс в получаемых результатах. При горении этих материалов пламя периодически внезапно прижималось к горизонтально расположенным стенкам камеры сгорания. Поэтому пламя могло потухать, даже если скорость потока была существенно выше значения V_lim материала. Все это происходило вследствие недостаточно большого (около 2 мм) расстояния между стенками плоской камеры сгорания и поверхностями горящего образца материала.

Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков.

Целью данного изобретения является снижение погрешности определения показателей пожарной опасности материалов, используемых при обеспечении пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, посредством увеличения расстояния между стенками плоской камеры сгорания и поверхностями горящего образца материала без увеличения интенсивности потоков естественной конвекции.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, содержащем продуваемую потоком газовой окислительной среды камеру сгорания с двумя массивными плоскопараллельными стенками, установленными перпендикулярно вектору ускорения силы тяжести планеты, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения для изменения высоты камеры сгорания в соответствии со значениями параметров потока газовой среды, в которой предполагается использовать материал, и установленный в камере сгорания образец испытываемого материала, внутри камеры сгорания параллельно двум стенкам, расположенным перпендикулярно вектору силы тяжести и на равных расстояниях от них, установлена плоская разделительная пластина, имеющая прорезь для размещения в плоскости разделительной пластины образца испытываемого материала, при этом обдуваемый потоком лобовой срез образца расположен на одной линии с лобовым срезом разделительной пластины.

На фиг.1 и 2 представлена схема камеры сгорания заявляемого устройства: на фиг.1 - вид сбоку; на фиг.2 - вид сверху. На фиг.3 показана схема образца материала, при сгорании которого не остается твердого прочного каркаса. На фиг.4 представлены зависимости значений V_lim для стеклотекстолита СФ-1-35Г от концентрации кислорода в атмосфере, полученные на устройстве-прототипе (кривая 1), на модернизированном устройстве (кривая 2) и на космической станции «Мир» в орбитальном полете (точка 3). На фиг.5 приведены экспериментальные данные о предельных параметрах горения стеклотекстолита КАСТ-В в условиях, соответствующих невесомости: данные о нижнем пределе горения по скорости потока (значение V_lim) и данные о длине зоны устойчивого горения образца материала до его самопроизвольного потухания (L_fl) на устройстве-прототипе (кривые 1n-3n) и на модернизированном устройстве (кривые 1m-3m). На фиг.6 приведены зависимости скорости распространения зоны газофазного горения по образцам хлопчатобумажного шнура от скорости газового потока при С_ох=23,1%, полученные в ЭУ «Скорость» на борту орбитальной станции «Мир» (точки 1), в модернизированном устройстве (точки 2) и в устройстве-прототипе (точки 3).

На фиг.1 и 2 показана схема камеры сгорания устройства, модифицированного для снижения погрешности определения показателей пожарной опасности материалов для условий невесомости.

Камера сгорания 1 устройства выполнена из двух параллельно расположенных пластин 2, имеющих высокую теплопроводность, толщиной, при которой исключался локальный прогрев пластин при горении образца испытываемого материала 3. С помощью подвижной верхней пластины обеспечивается изменение высоты камеры сгорания h_k. При испытаниях в камеру сгорания по трубопроводу 4 подается газовая смесь с заданной концентрацией кислорода и с заданным расходом (в соответствии со значениями параметров газовой среды в обитаемых гермоотсеках КЛА). В начале камеры сгорания 1 для формирования равномерного по ее сечению потока газовой смеси установлен пористый элемент 5. Камера сгорания 1 имеет два окна 9 для наблюдения за горением образца материала и видеосъемки.

В состав камеры сгорания 1 входит разделительная пластина 7 с прорезью, в которую устанавливается образец испытываемого материала 3 таким образом, чтобы обдуваемый в камере сгорания газовым потоком 10 лобовой срез 10 образца 3 был расположен на одной линии с лобовым срезом разделительной пластины. Ширина паза в разделительной пластине выполнена такой, что продольные кромки паза и образца образовывают узкий зазор 8, в котором исключается возможность горения образца по краю, параллельному направлению газового потока. Разделительная пластина имеет ширину, при которой после ее ввода в камеру сгорания ее продольные стороны размещаются на минимальном (не более 1 мм) расстоянии от окон 9. Толщина разделительной пластины равна толщине образца. Разделительная пластина 7 выполнена подвижной, чтобы при изменении высоты камеры сгорания обеспечивать одинаковую высоту h_k верхней и нижней камер.

Для зажигания образца используется электрическая спираль или газовая горелка.

При испытаниях материалов используются образцы двух типов. Образцы материалов, при горении которых не остается твердого прочного каркаса, составляются из двух пластин 11 (фиг.3), разделенных тонкой (толщиной не более 0,2 мм) теплопроводящей негорючей и неплавящейся пластиной 12, имеющей ширину, равную ширине образца. Для быстрого и надежного зажигания образца передний край пластины 1 отстоит от переднего края образца на расстояние d=1...2 мм. Образцы материалов, при горении которых остается твердый прочный каркас (это композиционные материалы: стеклопластики, стеклотекстолиты, пресс-материалы и так далее), изготавливаются в виде монолитной пластины заданной толщины.

В процессе испытания разделительная пластина 7 с образцом материала 3 после его зажигания вне камеры сгорания с помощью привода 6 вводится в камеру сгорания и устанавливается параллельно стенкам 2 камеры сгорания на равных расстояниях от них. Разделительная пластина вводится в канал таким образом, чтобы передний ее торец и торец образца располагались на определенном расстоянии от пористого элемента 5, где по результатам тарировки устройства точно известна скорость газового потока.

Для определения показателей пожарной опасности материалов при разных давлениях камера сгорания размещается в герметичном сосуде. Для максимального исключения влияния естественной конвекции на результаты опытов камера сгорания устанавливается строго горизонтально.

В основу технического решения по усовершенствованию устройства-прототипа по определению показателей пожарной опасности материалов для условий невесомости положено увеличение расстояния между стенками плоской камеры сгорания и поверхностью образца материала без изменения интенсивности свободно конвективного движения газовой среды в зоне горения образца материала. Это достигается тем, что разделительная пластина и образец образовывают панель, разделяющую камеру сгорания по высоте на две равные части с высотой, равной h_k, соответствующей значению, найденному по формуле (1). В связи с тем, что после выгорания связующего в образце композиционного материала остается твердый остаток с геометрическими размерами, практически не отличающимися по размерам от исходного элемента, указанная панель сохраняет свою конфигурацию и во время горения, формируя два канала с заданной высотой h_k. При испытаниях материалов, после сгорания которых не остается твердого прочного каркаса, его функцию выполняет тонкая теплопроводящая негорючая и неплавящаяся пластина, находящаяся внутри образца.

Указанное расположение образца материала способствует эффективному его термостатированию, обеспечивая высокую устойчивость процесса его горения. В опытах со всеми материалами пламя после перехода на боковые поверхности образца распространялось по ним вдоль потока с одинаковой скоростью и потухало одновременно, проходя одинаковые расстояния. Это объясняется одинаковыми условиями распространения пламени по поверхности образца с каждой его стороны в верхнем и нижнем канале. При этом две зоны горения (сверху и снизу) связаны между собой термически и поэтому взаимно компенсируют недостаточное тепловое воздействие пламени на образец, если такая недостаточность возникает по какой-либо причине в одном из каналов.

Методика эксперимента на заявляемом устройстве заключается в следующем.

С помощью установки, описанной в работе (О предельных условиях горения полимеров. /Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др.// В журнале «Физика горения и взрыва». 1979, №4, с.63-65), определяется способность данного материала к горению (значение C_lim). При заданной концентрации кислорода С_ох и данном давлении P_en значение V_lim и другие показатели пожарной опасности для материала определяется, если C_lim оказывалось меньше максимальной рабочей концентрации кислорода в обитаемом гермоотсеке; в зависимости от параметров газовой среды в опыте (С_ох и P_en) по формуле (1) определяются и устанавливаются расстояния между стенками плоской камеры сгорания и поверхностью образца материала, точнее высота каналов h_k, при которой можно определять показатели пожарной опасности материалов для условий невесомости; образец испытываемого материала устанавливается в прорезь разделительной пластины в ее плоскости; в камере сгорания с помощью смесительного устройства создается поток азотно-кислородной смеси с заданной скоростью и концентрацией кислорода; образец зажигается вне камеры сгорания (в струе выходящей из нее газовой среды) и после начала его устойчивого горения за время не более 2 с вводится в камеру так, чтобы горящая лобовая часть располагалась на заданном расстоянии от пористого элемента; ведется наблюдение за горением.

Для установления факта выполнения поставленной цели на устройстве-прототипе и на модернизированном устройстве были проведены сравнительные эксперименты с образцами нескольких материалов с определением ряда показателей пожарной опасности материалов и они сопоставлены с данными, полученными на борту станции «Мир».

Определение значений V_lim стеклотекстолита СФ-1-35Г

За величину нижнего предела горения V_lim принимается скорость потока, при которой наблюдается устойчивое горение образца до выгорания материала в его лобовой части, затем пламя переходит на горизонтальные поверхности образца, а после сгорания материала на длине образца 3-4 мм пламя потухает.

На фиг.4 представлены данные о значениях V_lim, полученные для стеклотекстолита СФ-1-35Г ГОСТ 10316-78 на устройстве-прототипе (кривая 1) и на модернизированном устройстве (кривая 2), в зависимости от концентрации кислорода в атмосфере. Из фиг.4 видно, что (кривая 2) лежит существенно левее (кривой 1), что указывает на уменьшение значений V_lim, полученных на модернизированном устройстве. При этом значение V_lim, полученное на модернизированном устройстве (17,9 см/с), больше соответствуют значению, полученному на станции «Мир» (15 см/с, точка 3) при одинаковой концентрации кислорода, равной 21,5%. Полученные результаты объясняются тем, что в камере сгорания модернизированного устройства условия для увеличения размеров пламени с повышением С_ох являются более благоприятными, а это увеличение приводит к более благоприятным условиям для распространения зоны горения по поверхности образца при меньших скоростях газового потока.

Определение значения длины зоны устойчивого горения образца композиционного материала до его самопроизвольного потухания (L_fl).

В камере сгорания создается поток азотно-кислородной смеси с заданной концентрацией кислорода со скоростью, несколько большей, чем значение V_lim данного материала. Эксперимент ведется до самопроизвольного потухания образца. Измеряется значение длины зоны устойчивого горения образца материала. Опыты проводились при нескольких значениях скорости потока.

Для иллюстрации и сравнения, на фиг.5 приведены экспериментальные данные о значениях V_lim и L_fl, полученные для стеклотекстолита КАСТ-В ГОСТ 10292-74 на устройстве-прототипе и на модернизированном устройстве. Сравнение данных, приведенных на фиг.5, позволяет сделать следующие выводы. Значения V_lim, определенные на модернизированном устройстве при концентрациях кислорода 21, 23 и 26%, равные 10; 8,2 и 4 см/с соответственно (нижние точки кривых 1m-3m), меньше значений V_lim, полученных на устройстве-прототипе при тех же концентрациях кислорода 11; 9 и 6 см/с соответственно (нижние точки кривых 1n-3n). Сравнение зависимостей L_fl ~ V_gf показало, что с повышением скорости газового потока зависимости при одинаковой концентрации кислорода в среде расходятся. Быстрее растет значение L_fl у образцов КАСТ-В, испытанных на модернизированном устройстве (кривые 1m-3m). Из фиг.4 видно, что в процессе горения композиционных материалов на пределе наблюдается минимальная длина зоны устойчивого горения образца. После схода пламени на боковые поверхности образца каждой точке по его длине соответствует свое значение V_lim. Так, из фиг.5 видно, что при С_ох=26% (кривая 3m) значение V_lim для стеклотекстолита КАСТ-В при охваченной пламенем лобовой части образца минимальной длины (L_fl=0,3 см) составляет 4 см/с, а при перемещении пламени по образцу на 6 см значение V_lim увеличивается до 11 см/с. Из приведенных данных следует, что значение L_fl находится в определенной связи со значением нижнего предела горения V_lim. Значение L_fl является важной характеристикой предельных условий горения материалов в невесомости. По этой величине можно, например, определять размеры зон на элементах электро и другого оборудования, где не следует размещать токонагружаемые элементы во избежание их поражения огнем и выхода из строя оборудования.

Определение скорости распространения пламени по хлопчатобумажному шнуру ШХБ 4-3,5

Образец хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5 ОСТ 17-184-78 диаметром 2,5 мм и длиной 60 мм устанавливался в прорези разделительной пластины толщиной 0,2 мм. В камере сгорания создавался поток азотно-кислородной смеси с заданной концентрацией кислорода. Образец зажигался в лобовой точке, и определялось время сгорания отрезка шнура известной длины, далее рассчитывалась скорость распространения пламени по шнуру.

На фиг.6 приведены зависимости скорости распространения зоны газофазного горения по образцам хлопчатобумажного шнура от скорости газового потока при концентрации кислорода, равной 23,1%, полученные в ЭУ "Скорость" на борту орбитальной станции «Мир» (1), в модернизированном устройстве (2) и в устройстве-прототипе (3).

Видно, что значения скорости распространения зоны горения по образцам хлопчатобумажного шнура, полученные в устройстве-прототипе (3), несколько ниже, чем в модернизированном устройстве (2). При этом данные, полученные на модернизированном устройстве (2) и в ЭУ "Скорость" на борту орбитальной станции «Мир» (1), совпадают.

Настоящее изобретение обеспечивает экспериментальное определение с повышенной надежностью показателей пожарной опасности конструкционных неметаллических материалов в условиях, соответствующих невесомости. Наличие надежных данных о предельных параметрах горения материалов в условиях невесомости позволяет решать вопросы обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, в особенности долговременных орбитальных станций, межпланетных кораблей, длительно находящихся в орбитальном полете. Здесь открывается широкая перспектива разработки для гермоотсеков КЛА из горючих на Земле материалов конструкций, негорючих в условиях орбитального полета при повышенной концентрации кислорода в рабочей атмосфере гермоотсеков. Данная разработка имеет большое практическое значение, поскольку не требует для использования таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов в свободно падающих контейнерах, в самолетах-лабораториях, на космических станциях.

Claims (1)

1. Устройство по определению показателей, характеризующих пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов в условиях невесомости, содержащее продуваемую потоком газовой окислительной среды камеру сгорания с двумя массивными плоскопараллельными стенками, установленными перпендикулярно вектору ускорения силы тяжести планеты, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения для изменения высоты камеры сгорания в соответствии со значениями параметров потока газовой среды, в которой предполагается использовать материал, и установленный в камере сгорания образец испытываемого материала, отличающееся тем, что внутри камеры сгорания параллельно двум стенкам, расположенным перпендикулярно вектору силы тяжести и на равных расстояниях от них, установлена плоская разделительная пластина, имеющая прорезь для размещения в плоскости разделительной пластины образца испытываемого материала, при этом обдуваемый потоком лобовой срез образца испытываемого материала расположен на одной линии с лобовым срезом разделительной пластины.

Images