RU2284206C2 - Устройство по определению показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций - Google Patents

Abstract

Предложено устройство, обеспечивающее определение показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций, которым является нижний предел горения материалов по ускорению силы тяжести. Устройство содержит камеру сгорания с установленным в ней образцом испытываемого материала, в которой две противолежащие плоскопараллельные стенки установлены перпендикулярно вектору силы тяжести, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения. Камера сгорания размещена в центрифуге с плоскостью вращения, перпендикулярной вектору силы тяжести, при этом противолежащие стенки камеры сгорания, перпендикулярные вектору центробежной силы, выполнены пористыми. Представлено соотношение для вычисления высоты камеры сгорания h_k при определении показателя пожарной опасности материала в зависимости от параметров рабочей газовой атмосферы. Изобретение основано на практически полном исключении естественной конвекции в направлении, перпендикулярном вектору силы тяжести, и обеспечении процесса тепломассопередачи при горении за счет конвекции, создаваемой центростремительным ускорением. Использование изобретения позволяет с минимальными материальными затратами получать информацию о горючести материалов, которая может быть получена только на другой планете либо на борту космического летательного аппарата посредством дорогостоящих экспериментов. Определенные с помощью предлагаемого технического решения данные позволяют обоснованно разрабатывать меры по обеспечению пожарной безопасности жилых объектов, размещаемых на других планетах и в космосе. 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к противопожарной технике. Оно предназначено для определения показателя, характеризующего пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов (КНМ) в условиях обитаемых помещений сооружений, размещаемых на других планетах, имеющих различную силу тяжести. Этим показателем является нижний предел горения материалов по ускорению силы тяжести (g_lim).

Показатель впервые обнаружен и введен в практику для использования в космонавтике. Данный показатель необходим также для разработки мер по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков транспортных космических летательных аппаратов (КЛА), при эксплуатации которых в них изменяется ускорение силы тяжести.

Имевшие место на ранней стадии развития пилотируемой космонавтики пожароопасные ситуации в обитаемых гермоотсеках КЛА различного назначения поставили пожароопасность для этих изделиях в число основных опасных факторов космического полета (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: Машиностроение, 1977. - 263 с.). Это обусловлено следующим.

Искусственная атмосфера в обитаемых помещениях космических аппаратов всегда обогащена кислородом. Это связано, во-первых, с особенностями работы систем регенерации кислорода в атмосфере гермоотсеков, во-вторых, с необходимостью установления повышенного парциального давления кислорода в атмосфере для более комфортных условий пребывания и работы людей в длительных космических экспедициях.

В то же время тенденция развития космической техники такова, что с выполнением требований по снижению массы оборудования в обитаемых гермоотсеках космических аппаратов постоянно расширяется применение конструкционных неметаллических материалов. Основная их доля является высоко горючей в обогащенной кислородом атмосфере. Неметаллические материалы составляют основную горючую (пожарную) нагрузку в обитаемых гермоотсеках КЛА. Именно их применение, в сочетании с обогащенной кислородом атмосферой, создает высокий потенциальный уровень пожарной опасности в обитаемых гермоотсеках КЛА.

Гермоотсеки в высокой степени насыщены электрооборудованием. Его элементы при отказах в 85% случаев являлись источником катастрофических пожаров в гермоотсеках и гермокамерах различного назначения.

Гермоотсеки крайне уязвимы для пожара.

Практически трудно оказать помощь извне и эвакуировать экипаж при пожаре.

Все это создает высокий потенциальный уровень пожарной опасности в гермоотсеках космических аппаратов и повышает вероятность срыва программ космических экспедиций.

С учетом специфики устройства и условий эксплуатации обитаемых гермоотсеков КЛА необходимы надежные средства по обеспечению их пожарной безопасности.

1. Известен способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой, в том числе космических аппаратов, который заключается в использовании материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере. В связи с обеспечением пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков различного назначения (гермоотсеки КЛА, медицинские барокамеры, кабины самолетов, скафандры и т.д.) во многих странах были развернуты обширные программы по созданию материалов с пониженной горючестью в атмосфере, обогащенной кислородом. Были достигнуты определенные успехи в этой области - создан ряд материалов для интерьеров и электрооборудования гермоотсеков с высокими пределами горения по концентрации кислорода (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О предельных условиях горения полимеров. Физика горения и взрыва. - 1979. №4, с.63-65; Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О способности материалов к горению при повышенных давлениях. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах. Сб. науч. тр. Вып.2. - М.: ВНИИПО, 1977, с.14-17; Афанасьев А.М., Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф. и др. О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, №12, 1976, с.48-54.). Однако эти разработки явились крайне дорогостоящими и не обеспечили многообразные потребности в конструкционных материалах с необходимыми физико-механическими свойствами.

В этой связи для решения вопроса обеспечения пожарной безопасности обитаемых отсеков КЛА стали использоваться традиционные средства, включающие тушение пожара с помощью огнетушащих веществ.

2. Одно из таких решений описано в работе Афанасьев А.М., Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф. и др. О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, №12, 1976, с.48-54. Оно представляет собой систему, обеспечивающую пожарную безопасность внутри гермоотсеков американского орбитального корабля многоразового использования "Спейс Шатлл". Система включает в себя: дымовые пожарные извещатели, средства тушения и средства контроля за работоспособностью элементов системы. В качестве огнетушащих веществ используются хладон или углекислота.

Использование данного традиционного способа в обитаемых гермоотсеках КЛА имеет много недостатков. Применение огнетушащего вещества в обитаемом гермоотсеке в период эксплуатации само по себе, независимо от масштаба пожара, является аварийной ситуацией, которая может привести к срыву программы полета из-за загрязнения атмосферы гермоотсека и оборудования. В частности, в случае объемного пожаротушения атмосфера гермоотсека нуждается в тщательной очистке или замене и для продолжения эксплуатации необходимо иметь в гермоотсеке мощные фильтры-поглотители или запасы азота и кислорода. Вывод на орбиту и перевозка на другую планету всего комплекса оборудования (фильтров, баллонов с газами и т.д.) связано с большими материальными затратами.

Следует учитывать, что с увеличением концентрации кислорода в атмосфере во много раз возрастает необходимый запас огнетушащего вещества, а следовательно, и масса оборудования для пожаротушения (Афанасьев А.М., Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф. и др. О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, №12, 1976. с.48-54). Так, для тушения многих материалов при 40%-ной концентрации кислорода в среде необходимо свыше 1 кг шестифтористой серы на 1 м³ объема отсека. Оценки показывают, что для гермоотсека объемом 100 м³ (гермоотсек модуля МКС) масса установки объемного пожаротушения может составить 200-250 кг.

Все это создает необходимость разработки специальных нетрадиционных, надежных и экологичных средств обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА с учетом специфики устройства и условий их эксплуатации.

Опыт показал, что эффективное с минимальными материальными затратами обеспечение пожарной безопасности обитаемых герметичных помещений в космическом объекте может быть реализовано только на основе исследований процесса горения с учетом влияния факторов, характерных для эксплуатации объектов в космосе и на других планетах.

Учитывая вышеизложенное, были проведены целенаправленные исследования по разработке эффективных нетрадиционных способов обеспечения пожарной безопасности обитаемых помещений космических аппаратов.

Выполненные в этой связи исследования процессов горения материалов в невесомости (а точнее при микрогравитации) и в широком диапазоне ускорений силы тяжести позволили выявить существование нижних пределов горения материалов: а) по скорости потока при микрогравитации (V_lim); б) по ускорению силы тяжести (g_lim), т.е. значение скорости потока и значение ускорения, ниже которых горение данного материала не происходит.

Полученные результаты позволяют при разработке объектов, предназначенных для работы на других планетах, обеспечивать их пожарную безопасность, подбирая материалы на основе ранее не использованного показателя горючести - значения g_lim.

Условие пожаробезопасности в этом случае может быть представлено в виде:

где g_lim - предельное для горения материала ускорение силы тяжести, см/с²;

g_p1 - ускорение силы тяжести на данной планете, см/с²;

K_s - коэффициент безопасности (например, по ГОСТ [7]).

Таким образом, для реализации новых подходов по обеспечению пожарной безопасности обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций необходимо для материалов, предназначенных к использованию в них, определить значения g_lim с учетом влияния на него параметров атмосферы: концентрации кислорода в атмосфере (С_ох) и его давления (P_en).

Известны устройства для определения горючести материалов при различных концентрациях кислорода в атмосфере и ее давлениях. Например, в работах (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О предельных условиях горения полимеров. Физика горения и взрыва. - 1979. №4, с.63-65; Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О способности материалов к горению при повышенных давлениях. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах. Сб. науч. тр. Вып.2. - М.: ВНИИПО, 1977, с.14-17; Афанасьев A.M., Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф. и др. О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, №12, 1976, с.48-54) представлено устройство для определения предела горения материалов по концентрации кислорода (С_lim) при различных давлениях, а ГОСТом и в работе (Space Shattle News Referense NASA. 1981) предусмотрено определение "кислородного индекса" материалов. В том и другом случае используются устройства, которые включают в себя устанавливаемую вертикально цилиндрическую камеру сгорания. Снизу в камеру сгорания от смесителя с определенным расходом подается газовая смесь с заданной объемной концентрацией кислорода (С_ох). Для равномерного распределения газовой смеси по сечению камеры сгорания в ее нижней части установлен пористый элемент (например, пакет сеток). С помощью держателя испытываемый образец материала устанавливается по оси симметрии камеры сгорания. Для определения предела горения материала С_lim в камере сгорания создают газовый поток с некоторой исходной концентрацией кислорода. Если при этом наблюдается устойчивое горение образца материала, то в следующем опыте концентрацию кислорода в смеси снижают. Таким образом, последовательно находят предельную концентрацию кислорода, ниже которой горение материала невозможно. Эта величина используется как показатель горючести материала в атмосфере, обогащенной кислородом.

С помощью представленных способов и устройств нельзя определить показатель горючести материалов g_lim, т.к. опыты в данном случае можно проводить только при g=981 см/c².

3. Значения показателей пожарной опасности материалов для условий микрогравитации могут определяться в экспериментах на орбитальной станции (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, 1989, с.74-83).

4. Однако, учитывая, что стоимость таких испытательных работ крайне велика, а перечни материалов, используемых в обитаемых гермоотсеках современных КЛА, насчитывают до 400-500 наименований, значения практически важных показателей пожарной опасности основной массы материалов для условий микрогравитации определяются в настоящее время на наземных экспериментальных установках (наземных имитаторах горения при микрогравитаци (Space Shattle News Referense NASA. 1981, ГОСТ 12.1.044.89. Пожарная опасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения, Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov А.В., Melikhov A.S., Bolodyan I.A., Potyakin V.I. et al. Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In "Skorost" Apparatus On The Space Station "Mir". Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999, патент Российской Федрации №2106166 от 30.11.1995 г.). Такая тенденция наблюдается и в других странах. Например, в США из запланированных для выполнения в ближайшее время 73-х проектов по изучению процессов горения при микрогравитации большинство (около 50) планируется провести в наземных условиях (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами. В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, 1989, с.74-83).

5. Известно устройство (ГОСТ 12.1.044.89. Пожарная опасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения; Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov A.B., Melikhov A.S., Bolodyan I.A., Potyakin V.I. et al. Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In "Skorost" Apparatus On The Space Station "Mir". Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999), которое обеспечивает возможность определения базового показателя пожарной опасности материалов для условий микрогравитации - значения V_lim. Микрогравитация создается при свободном падении системы с горящим образцом материала. Устройство включает в себя два контейнера - внутренний и внешний. Внутренний контейнер, в котором размещается горящий образец материала, перед сбрасыванием находится в верхней части внешнего контейнера. В процессе свободного падения внешний контейнер воспринимает на себя аэродинамическое сопротивление воздуха, чем обеспечивается высокая степень микрогравитации во внутреннем контейнере. Образец размещается в камере сгорания с прямоугольным поперечным сечением вдоль ее оси и может обдуваться газовым потоком с заданными параметрами (скорость потока газовой смеси и концентрация в ней кислорода). Камера выполнена с прозрачными стенками, чем обеспечивается возможность киносъемки кинокамерой, установленной во внутреннем контейнере. Требований к ориентации стенок камеры сгорания не предъявляется.

Предельная для горения материала скорость потока определялась следующим образом. В канале с установленным в нем образцом создавался газовый поток с заданной скоростью. Образец зажигался электроспиралью, которая затем удалялась за пределы канала, и контейнеры освобождались от подвесов. В течение некоторого времени горение протекало при микрогравитации. При этом велась киносъемка процесса горения образца материала. Если при данной скорости потока наблюдалось устойчивое горение образца, то в следующем опыте скорость потока снижалась. Таким образом, определялась предельная скорость газового потока, ниже которой горение материала при микрогравитации не поддерживалось.

С помощью представленного устройства нельзя определить показатель горючести материалов g_lim, т.к. опыты в данном случае можно проводить только при ускорении силы тяжести (g), близком к нулю.

В качестве прототипа принято устройство, представленное в заявке Российской Федерации №95120687, А 62 С 3/08, опубл. 27.07.1998 г., Бюл. №21. Оно обеспечивает возможность определения показателя горючести материалов при микрогравитации (V_lim) при действии силы земного притяжения и выполнено следующим образом. В камере сгорания, устроенной в виде плоского канала, для организации равномерного по его сечению потока установлен пористый элемент (пакет сеток). Конструктивно, с помощью подвижной верхней пластины обеспечено изменение высоты камеры h_k. Образец материала размещается в держателе, удерживающем его лобовую часть на оси канала. Газовый поток с заданными расходом и концентрацией кислорода (С_ох) подготавливается в смесителе. (Для определения значений V_lim материалов при разных давлениях среды (P_en) устройство размещается в герметичном сосуде). Для исключения влияния естественной конвекции на результаты опытов камера сгорания устанавливается строго горизонтально.

Методика определения значений V_lim состоит в следующем.

В зависимости от параметров газовой среды в опыте (С_ox и P_en) устанавливалось рабочее расстояние между пластинами h_k, которое рассчитывалось по формуле

где k, m, n - эмпирические коэффициенты;

С_ох - объемная доля кислорода в газовой среде, %;

Р=P_en/P₀ - безразмерное давление среды;

P_en - давление среды, МПа;

P₀ - атмосферное давление среды, МПа.

В держатель устанавливался образец материала. В камере с помощью смесителя создавался поток азотно-кислородной смеси с заданными параметрами: скоростью потока (V_gf), С_ox и P_en. Образец зажигался и устанавливался в камере на равных расстояниях от горизонтальных ее стенок. Велось наблюдение за горением. За величину V_lim принималась скорость потока, при которой горение продолжалось, а ниже которой прекращалось.

6. Описанное техническое решение основано на фундаментальных закономерностях процессов тепломассообмена и результатах исследования предельных условий горения материалов, в том числе при микрогравитации (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов. Сб. науч. тр. - M.: ВНИИПО, 1989, с.74-83; Кузьменко К.П., Калинкин В. И., Блинов А.А. Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами. В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов. Сб. науч. тр. - M.: ВНИИПО, 1989, с.74-83; Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov A.B., Melikhov A.S., Bolodyan I.A., Potyakin V.I. et al. //Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In "Skorost" Apparatus On The Space Station "Mir". //Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999; Патент Российской Федерации №2106166 от 30.11.1995 г.; 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).

7. Было установлено (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами. В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, 1989, с.74-83; Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov A.B., Melikhov A.S., Bolodyan LA., Potyakin V.I. et al. //Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In "Skorost" Apparatus On The Space Station "Mir". //Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999; Патент Российской Федерации №2106166 от 30.11.1995 г.; 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), что уменьшение толщины плоского газового слоя, заключенного между горизонтально расположенными пластинами, позволяет осуществлять процесс тепло-массопередачи, эквивалентный кондуктивному (молекулярному), т.е. позволяет практически полностью исключать естественную конвекцию. Использование этих особенностей развития естественной конвекции дает возможность в значительной степени уменьшить скорость вертикального перемещения среды в зоне пламени и, следовательно, приблизиться к условиям протекания процесса горения при микрогравитации.

Если рассматривать зону горения как высокотемпературную область газа ограниченных размеров, то относительная эффективность подъемной силы, вызывающей свободно конвективное движение среды, характеризуется числом Грасгофа:

где g - ускорение силы тяжести, см/с²;

ΔT=T_fl-Т₀ - перепад температур, К;

T_fl - температура пламени, К;

Т₀ - температура окружающей среды, К;

l_fl - характерный размер пламени, см;

T_en=0,5·(T_fl+Т₀) - определяющая (осредненная) температура среды, К;

ν - кинематическая вязкость среды при T_en, см²/с.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О предельных условиях горения полимеров. Физика горения и взрыва. - 1979. №4, с.63-65; 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) было установлено, что на предельных режимах горения материалов при концентрации кислорода от 15 до 100% и давлениях среды от 0,001 до 0,12 МПа максимальная температура в зоне пламени практически постоянна, независимо от вида материала. Исследования (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) указывают также на постоянство значения ν при предельной для горения температуре пламени.

7. Таким образом, в рассматриваемом случае в критерии Грасгофа (3) параметры g, ΔT, T_en, ν являются постоянными величинами, а основным фактором, определяющим относительную эффективность естественной конвекции в зоне горения на пределе, является характерный размер пламени l_fl. В условиях горизонтально расположенного плоского газового слоя параметр l_fl принят равным расстоянию h_k между параллельными плоскостями, образующими этот слой. Условия (высота канала h_k, его конструкция), при которых можно получать значения V_lim на Земле, адекватные измеренным при микрогравитации, были определены сравнением данных, полученных в плоском канале в условиях истинной микрогравитации и в таком же канале при наличии силы притяжения Земли (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами. В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, 1989, с.74-83).

Несмотря на то, что при использовании представленного устройства прототипа моделируются условия горения при g=0, с его помощью нельзя определить показатель горючести материалов g_lim, т.к. в данном случае не обеспечивается возможность проведения опытов при различных ускорениях силы тяжести.

Целью данного изобретения является разработка устройства, которое позволяло бы определять показатель горючести материалов g_lim, не прибегая к созданию состояния микрогравитации, т.е. в условиях действия силы земного притяжения.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве по определению показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций, содержащем камеру сгорания с установленным в ней образцом испытываемого материала, в которой две противолежащие плоскопараллельные стенки установлены перпендикулярно вектору силы тяжести, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения, указанная камера сгорания размещена в центрифуге с плоскостью вращения, перпендикулярной вектору силы тяжести, а две противолежащие стенки камеры сгорания, перпендикулярные вектору центробежной силы, выполнены пористыми, при этом высота камеры сгорания h_k в направлении вектора силы тяжести при определении показателя пожарной опасности материала в зависимости от параметров рабочей газовой атмосферы, в которой предполагается использовать материал, устанавливается исходя из соотношения

где С_ох - объемная доля кислорода в газовой среде, %;

Р=P_en/Р₀ - безразмерное давление среды;

P_en - давление среды, МПа;

Р₀ - атмосферное давление среды, МПа;

K_g - эмпирический коэффициент.

На фиг.1 представлена схема устройства для определения предела горения материалов по ускорению силы тяжести g_lim. На фиг.2 показан горизонтальный разрез камеры сгорания. На фиг.3 дан вид А на образец материала 3 сбоку. На фиг.4 приведены: зависимость g_lim от концентрации кислорода для органического стекла СО-120 (кривая 1) и гетинакса (кривая 2) и для сравнения пределы горения этих материалов по концентрации кислорода, определенные для наземных условий при g=981 см/с² (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О предельных условиях горения полимеров. Физика горения и взрыва. -1979. №4, с.63-65) (линии C_lim1 и С_lim2 соответственно).

Данное изобретение основано на результатах исследования авторами предельных условий горения материалов в области малых ускорений силы тяжести.

8. Проведенные исследования (Афанасьев A.M., Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф. и др. О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, №12, 1976, с.48-54; Space Shattle News Referense NASA. 1981) показали, что горение твердых материалов при g=0 без вынужденного потока газовой среды прекращается, но существует предельная для горения скорость газового потока V_lim, при которой горение материала становится возможным. Это обусловлено тем, что при g=0 молекулярная диффузия не обеспечивает окислителем течение реакции горения. С увеличением от нуля ускорения силы тяжести из-за разности плотностей газовой среды в зоне горения возникает естественно-конвективное движение среды, которое при определенной интенсивности становится достаточным для поддержания процесса горения - оно создает поток, адекватный вынужденному потоку с предельной для горения скоростью (V_lim). Таким образом, были выявлены предпосылки для существования предельного для горения ускорения (g_lim).

Основополагающие экспериментальные исследования по проверке этих положений проводились авторами на установке, в которой за счет свободного падения системы двух контейнеров обеспечивалось состояние микрогравитации, а заданное значение ускорения достигалось за счет вращения камеры сгорания с образцом при помощи центрифуги, находящейся во внутреннем контейнере свободнопадающей системы.

Установка включает в себя внешний и внутренний контейнеры.

Внешний контейнер представляет собой аэродинамической формы капсулу. Во внутреннем контейнере смонтированы центрифуга и исполнительные механизмы, обеспечивающие ее работу. Центрифуга приводится во вращение с помощью электродвигателя через редуктор, обеспечивающий изменение скорости вращения от опыта к опыту. На оси центрифуги смонтирована камера сгорания с устанавливаемым в ней образцом материала. Киносъемка процесса производилась с помощью кинокамеры. В исходном состоянии система из двух контейнеров подвешивалась через шток с помощью сцепного электромагнитного устройства. Для зажигания образца использовалась электроспираль, которая автоматически отводилась к стенке камеры сгорания после запуска центрифуги перед сбрасыванием контейнера.

Методика проведения эксперимента состояла в следующем. Образец материала, выполненный в виде пластины, закреплялся в камере сгорания. К внутреннему по радиусу его торцу подводилась электроспираль. Контейнеры заполнялись средой с заданным содержанием кислорода. Включалась система зажигания образца, фиксировалось устойчивое его горение, включалась центрифуга, контейнер освобождался от подвеса и горение в течение времени падения протекало под действием ускорения, создаваемого при вращении центрифуги с заданной угловой скоростью (ω). Если после проявления кинопленки выяснялось, что при данной угловой скорости вращения центрифуги происходило устойчивое горение образца, то в следующем опыте угловая скорость вращения снижалась. Так, методом последовательных приближений определялось предельное для горения материала значение угловой скорости. Различие в значениях угловой скорости в опытах, где горение происходило и где образец потухал, не превышало 5%.

Описанное выше устройство использовано для получения данных, подтверждающих работоспособность заявляемого технического решения, путем сравнения результатов, полученных при микрогравитации и в плоском канале (в заявляемом устройстве).

Обнаруженные закономерности процессов горения материалов при различных ускорениях силы тяжести, а также результаты изучения условий моделирования процесса горения материалов при микрогравитации с помощью плоского канала обеспечили разработку устройства, с помощью которого значение g_lim может определяться без создания микрогравитации и, следовательно, без дорогостоящих опытов.

При этом была получена формула (4) для определения высоты камеры сгорания, при которой можно в центрифуге без создания микрогравитации определять значения g_lim материалов при различных значениях С_ox и P_en.

Коэффициенты, приведенные в формуле (4), определены по результатам обработки опытных данных, полученных в свободнопадающей системе с центрифугой.

Схема устройства для определения g_lim, являющегося предметом данного изобретения, представлена на фиг.1, 2 и 3. Устройство включает в себя (см. фиг.1) герметичную емкость 1, закрепленную на консоле центрифуги, вращающейся в плоскости, перпендикулярной вектору ускорения силы тяжести. В емкости 1 размещена камера сгорания 2 (см. фиг.2) с плоскопараллельными стенками, две из которых 13 (см. фиг.2 и 3) располагаются в плоскости, перпендикулярной вектору ускорения силы тяжести. Одна из этих стенок выполнена с возможностью перемещения для изменения высоты камеры (h_k).

Внутри камеры сгорания (см. фиг.2 и 3) с помощью держателя 4 размещается образец испытываемого материала 3, выполненный в виде пластины, расположенной на равных расстояниях от стенок 13 камеры сгорания. Расстояние от торца образца, где располагается зона горения, до центра вращения (ЦВ) обозначено на фиг.2 как R_ц. Для зажигания образца предусмотрена электроспираль 5, которая с помощью электромагнитного привода 7 из ниши могла по сигналу перемещаться к торцу образца. Для регистрации процесса горения и факта потухания образца в процессе вращения центрифуги используется кинокамера 8 с зеркалом 9 и фотоэлементом 10. При этом боковая стенка 11 камеры сгорания выполнена из прозрачного материала. Для естественного отвода продуктов горения из камеры сгорания две ее стенки 6, расположенные перпендикулярно вектору центробежной силы, выполнены пористыми. Давление внутри емкости измеряется манометром 14. Подвод электропитания и сигналов к исполнительным механизмам в емкости обеспечивается через скользящие контакты, расположенные на валу центрифуги.

Устройство работает в соответствии со следующей методикой.

В камере сгорания центрифуги в радиальном направлении закреплялся образец материала. Контейнер заполнялся средой с заданной С_ох. Включалась центрифуга, образец зажигался, далее горение протекало под действием ускорения, создаваемого при вращении центрифуги с заданной угловой скоростью. Меняя угловую скорость, в серии опытов определялось предельное ее значение для горения данного материала - ω_lim.

Предельное для горения ускорение силы тяжести g_lim определялось как сумма векторов центростремительного и кориолисова ускорений:

Центростремительное ускорение определялось по формуле

где ω_lim - угловая скорость вращения центрифуги, при которой наблюдается предельный режим горения, l/с; R_ц - радиус вращения зоны горения образца, м.

Кориолисово ускорение определялось по формуле

где V_lim - скорость продуктов горения в зоне пламени, принятая равной значению предельной для горения скорости газового потока в невесомости.

9. Следует подчеркнуть, что определение значения g_lim материалов на центрифуге стало возможным при знании значения V_lim материалов. Значение V_lim может быть определено с помощью устройства-аналога и устройства-прототипа (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: Машиностроение, 1977. - 263 с.; Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. О способности материалов к горению при повышенных давлениях. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах. Сб. науч. тр. Вып.2. - М.: ВНИИПО, 1977. - С.14-17; Афанасьев A.M., Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф. и др. О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению. Пожарная профилактика. Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО, №12, 1976. - С.48-54).

Альтернативные устройства для этого в настоящее время отсутствуют.

В таблице в качестве примера даны значения составляющих, рассчитанных при определении значения g_lim органического стекла СО-120 (полиметилметакрилат - ПММА) при С_ох=21% для области ускорений ниже земного. Экспериментальная установка имела R_ц=78 см.

Таблица
ωlim, см/с	gcen, см/с2	Vlim, см/с	gkor, см/с2	glim, см/с2
1,03	82,6	2,4	4,9	82,9

На фиг.4 приведены: зависимость g_lim от С_ох для органического стекла СО-120 (линия 1), гетинакса (линия 2) и значения C_lim для этих материалов, определенные при g=981 см/с² (линии C_lim1 и С_lim2).

Видно, что существуют два предела по ускорению силы тяжести: нижний и верхний. В области g<981 см/с² снижение С_ох ведет к увеличению g_lim. При g=981 см/с² материалы способны к горению при минимальных концентрациях кислорода, равных С_lim для этих материалов. Для органического стекла это значение ровно 15,5%; для гетинакса - 19%. Справа от минимума, при g>981 см/с² горючесть материалов снижается. Здесь с повышением С_ох значение g_lim растет.

Данные, представленные на фиг.4, обеспечивают определение возможности пожаробезопасного применения материалов в обитаемых герметичных отсеках станций, расположенных на других планетах. При этом учитывается влияние на горючесть материалов значения ускорения силы тяжести на данной планете. В частности, гетинакс, имея значение С_ох=19%, является на Земле (g=981 см/с²) горючим материалом (С_ох<21%), но при ускорении силы тяжести Луны (g_p1=162 см/с²) этот материал не горит. Здесь он пожаробезопасен при С_ох<32%. На Марсе, где g_p1=376 см/с², гетинакс является негорючим при С_ох<23%.

Установлено, что приведенные на фиг.4 значения g_lim незначительно (не более чем на 10%) отличаются от данных, полученных в истинной микрогравитации.

Значение g_lim для планет легче Земли (g_p1<981 см/с²) должно определяться по нижнему пределу горения по ускорению силы тяжести; а для планет тяжелее Земли (g_p1>981 см/с²) - по верхнему пределу.

Основным отличительным признаком в заявляемом изобретении является использование в центрифуге камеры сгорания с ограниченной высотой h_k. Зависимость (4) h_k от параметров газовой атмосферы С_ох и P_en для определения g_lim была установлена путем обработки данных, полученных в свободнопадающем контейнере с центрифугой, которые описаны выше.

Таким образом, используя значения g_lim, определенные в наземных условиях с помощью предлагаемого изобретения, можно из горючих (на Земле) материалов подбирать материалы для изготовления конструкций, негорючих в помещениях инопланетных станций.

Использование изобретения позволяет с минимальными материальными затратами получать информацию о горючести материалов, которая может быть получена только на другой планете либо на борту космического летательного аппарата посредством дорогостоящих экспериментов. Определенные с помощью предлагаемого технического решения данные позволяют обоснованно разрабатывать меры по обеспечению пожарной безопасности жилых объектов, размещаемых на других планетах и в космосе.

Claims (1)

1. Устройство по определению показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций, содержащее камеру сгорания с установленным в ней образцом испытываемого материала, в которой две противолежащие плоскопараллельные стенки установлены перпендикулярно вектору силы тяжести, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения, отличающееся тем, что камера сгорания размещена в центрифуге с плоскостью вращения, перпендикулярной вектору силы тяжести, а две противолежащие стенки камеры сгорания, перпендикулярные вектору центробежной силы, выполнены пористыми, при этом высота камеры сгорания h_k в направлении вектора силы тяжести при определении показателя пожарной опасности материала в зависимости от параметров рабочей газовой атмосферы, в которой предполагается использовать материал, устанавливается исходя из соотношения

   h_k=K_g·(C_ox)^-0,25·P)^-0,65,

   где С_ох - объемная доля кислорода в газовой среде, %;

   Р=P_en/Р₀ - безразмерное давление среды;

   P_en - давление среды, МПа;

   Р₀ - атмосферное давление среды, МПа.

   K_g - эмпирический коэффициент.

Images