RU2318559C2 - Способ определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости и устройство для его реализации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к противопожарной технике. Оно предназначено для определения нижнего предела горения материалов по скорости потока - базового показателя, характеризующего пожарную опасность материалов в условиях невесомости. Данный показатель обеспечивает разработку в рамках новейших технологий высокоэффективных средств и способов обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов (далее КЛА) как в части предотвращения возникновения в них пожаров, так и в части их тушения без применения огнетушащих веществ. Предлагаемое устройство имеет преимущество по сравнению с известными техническими решениями. Оно позволяет снизить погрешность определения значения V_lim материалов в условиях моделирования процесса горения материалов в невесомости за счет того, что горящий образец перемещается в камере сгорания, выполненной в виде плоского горизонтально расположенного канала, в покоящейся газовой среде. Данная разработка имеет большое практическое значение, поскольку не требует для определения основного показателя пожарной опасности таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов в свободно падающих контейнерах, в самолетах-лабораториях, на космических станциях. 2 н.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к противопожарной технике. Оно предназначено для определения нижнего предела горения материалов по скорости потока (V_lim), характеризующего пожарную опасность материалов в условиях невесомости.

Данный показатель обеспечивает разработку в рамках новейших технологий высокоэффективных средств и способов обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов (далее КЛА) как в части предотвращения возникновения в них пожаров, так и в части их тушения без применения огнетушащих веществ. Показатель V_lim обнаружен российскими исследователями и затем введен в практику обеспечения безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА в космических полетах (Мелихов А.С., Потякин В.И. О предельных условиях горения твердых веществ в невесомости. Материалы VI Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Алма-Ата, 23-26 сентября 1980 г. В сб. «Химическая физика процессов горения и взрыва». Черноголовка, - 1980, - с.48-51), (Алексеев В.А., Зайцев С.Н., Мелихов А.С., Иванов А.В. Особенности пожаротушения в обитаемых гермоотсеках космических станций в период орбитального полета. В журнале «Космонавтика и ракетостроение», №3 (28), 2002, «ЦНИИМАШ», - с.145-154).

Пожарная опасность в обитаемых гермоотсеках КЛА входит 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 связано с повышенной пожарной опасностью обитаемых гермоотсеков КЛА и обусловлено тем, что атмосфера в обитаемых гермоотсеках КЛА, как правило, значительно (до 30-40 об.%) обогащена кислородом, гермоотсеки в высокой степени насыщены электрооборудованием, элементы которого нередко становились источниками возникновения пожароопасных ситуаций в обитаемых гермоотсеках КЛА, а также конструкционными неметаллическими материалами (далее КНМ), большая часть из которых является горючей в обогащенной кислородом атмосфере. Оборудование в гермоотсеках, в том числе ответственное за живучесть КЛА, крайне уязвимо для пожара. Практически невозможно оказать помощь экипажу извне при пожаре на КЛА. Затруднена эвакуация экипажа при пожаре.

Известны различные традиционные способы обеспечения пожарной безопасности с использованием мер по предотвращению пожара и его тушению. Работы, направленные на обеспечение пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, только за счет использования материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере, не дали необходимого результата. Создание таких материалов оказалось длительным и дорогостоящим. Не удалось в полной мере удовлетворить многообразные потребности космонавтики в негорючих материалах с необходимыми конструкционными свойствами. Ограничения по массе и объему оборудования, жесткие требования к обеспечению экологической устойчивости обитаемых гермоотсеков КЛА, требования к обеспечению бесперебойной работы электрооборудования КЛА воспрепятствовали использованию в них традиционных средств пожаротушения (водяных, пенных, газовых, порошковых и т.д.).

В поисках новых технологий обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА были проведены целенаправленные исследования. Принимая во внимание то обстоятельство, что различные КЛА и тем более орбитальные космические станции, большую часть времени эксплуатируются на орбите, были проведены исследования процессов горения конструкционных материалов в невесомости. Их результаты выявили существование нижних пределов горения материалов по скорости потока, то есть значения скорости потока, ниже которой горение данного материала не происходит, - V_lim. Полученные результаты позволили кардинально изменить подходы к обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА различного назначения. На базе знания значения V_lim разработаны принципиально новые способы по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА (Патент Российской Федерации №2116092. Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов. Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В., А62С 3/08, В64G 9/00. Приоритет 05.12.95. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21). Разработки использованы при противопожарной защите обитаемых гермоотсеков Российского сегмента Международной космической станции. Они исключили применение на станции установок объемного пожаротушения с большой массой огнетушащих веществ.

Для дальнейшего развития технологий обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА необходимо для КНМ, предназначенных к использованию в оборудовании этих гермоотсеков, определять значения V_lim с учетом влияния параметров атмосферы: концентрации кислорода в атмосфере (С_ох) и ее давления (P_en).

Для определения показателей пожарной опасности КНМ для условий невесомости существуют различные способы и соответствующие им устройства.

Значения показателей пожарной опасности материалов, необходимые для обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА в орбитальном полете, успешно могут определяться в экспериментах на орбитальной станции. Для определения значений V_lim материалов была разработана и размещена на орбитальной станции «Мир» экспериментальная установка (далее ЭУ) - ЭУ «Скорость» (Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov A.B., Melikhov A.S. 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 18-20, 1999). Она представляет собой аэродинамическую трубу, в камере сгорания которой с помощью всасывающего вентилятора и сеток на входе газа в камеру сгорания создается равномерный газовый поток с заданной скоростью (V_gf). Камера сгорания имела размеры поперечного сечения, равные 80×120 мм. Изменение основной характеристики режима работы установки - величины V_gf - в пределах от 0 до 25 см/с производилось регулированием оборотов электродвигателя вентилятора в соответствии с наземной тарировкой регулирующих органов ЭУ, обеспечивающей малую погрешность установления скорости потока в камере сгорания - не более 10%. Для проведения экспериментов в невесомости ЭУ «Скорость» была размещена в модуле «Квант» орбитальной станции «Мир». Газовая среда в камеру сгорания засасывалась из атмосферы гермоотсека модуля. Концентрация кислорода в потоке газовой среды в камере сгорания ЭУ «Скорость» определялась ее величиной в атмосфере модуля «Квант» на момент проведения эксперимента. ЭУ «Скорость» обеспечила определение значения V_lim с погрешностью, не превышающей 15%.

С помощью ЭУ «Скорость» на орбите впервые были получены уникальные количественные данные о значениях V_lim, обеспечивающие реализацию новых технологий обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и определение корректности экспериментальных данных, полученных другими способами. Показатели V_lim, полученные на станции «Мир», составили, в частности, для органического стекла: при С_ох=23,7% - 0,75 см/с, а при С_ох=25,5% - 0,62 см/с. Эти данные приведены на фиг.6. Всего на станции «Мир» в трех сериях экспериментов было испытано шесть материалов (Болодьян И.А., Иванов A.B., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара. г.Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204). Учитывая, что стоимость испытательных работ на орбитальной станции крайне велика, испытания длительны, а перечни материалов, используемых в обитаемых гермоотсеках современных КЛА, насчитывают несколько сот наименований, значения показателей пожарной опасности основной массы материалов для условий орбитального полета (невесомости) в настоящее время стремятся определять на наземных экспериментальных установках - наземных имитаторах горения в невесомости (Melikhov A.S., Bolodyan L.A., Potyakin V.I., A.V.Ivanov et al. The Study Of Polymer Material Combustion In Simulated Microgravity By Physical Modeling Method. Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio, May 18-20, 1999). Такая тенденция наблюдается как в России, так и в других странах. Например, в США, из запланированных для выполнения в последнее время проектов по изучению процессов горения в невесомости большинство (около 70%) 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)).

Известны устройства для определения горючести материалов при различных концентрациях кислорода в атмосфере и ее давлениях. Например, в работе (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С., Потякин В.И. О предельных условиях горения полимеров. В журнале «Физика горения и взрыва». 1979. №4. - С.63-65) представлено устройство ЭУ для определения предела горения материалов по концентрации кислорода (C_lim) при различных давлениях. Устройство включает в себя вертикально установленную цилиндрическую герметичную камеру сгорания. Снизу в камеру сгорания с определенным расходом подается газовая смесь с заданной концентрацией кислорода. Для равномерного распределения газовой смеси по сечению камеры сгорания в ее нижней части установлен пористый элемент. Образец испытываемого материала устанавливается по оси симметрии камеры сгорания и зажигался снизу с помощь газовой горелки. С помощью данного устройства находят концентрацию кислорода, ниже которой горение материала невозможно. Это значение широко используется в настоящее время как показатель горючести материалов в атмосфере, обогащенной кислородом в наземных условиях. Значение C_lim указывает также на возможность или невозможность горения материалов в невесомости. Оно обеспечивает разработку способов предотвращения возникновения и тушения пожаров в обитаемых гермоотсеках КЛА за счет снижения в них концентрации кислорода или давления.

Однако представленным способом и с помощью представленной ЭУ (для определения C_lim) нельзя определить значения V_lim для материалов, возможность тления материалов в заданном диапазоне скоростей газового потока и другие показатели для условий невесомости, так как горение материалов в камере сгорания представленной ЭУ обеспечивается в основном естественной конвекцией, при которой скорость газового потока в зоне горения образца материала точно не известна, а вынужденный газовый поток в камере сгорания сильно искажен естественной конвекцией и играет роль потока, вентилирующего камеру сгорания от продуктов сгорания.

Таким образом, главным при определении показателей пожарной опасности материалов для условий невесомости, и особенно значения V_lim, является точное знание скорости газового потока, натекающего на образец материала, и возможность тонкого ее регулирования.

Известно устройство (Патент Российской Федерации №2116093 «Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости», А62С 2/00. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет изобретения от 05.12.95. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21), принятое за прототип.

Данное техническое решение основано на фундаментальных закономерностях процессов тепломассообмена в плоских каналах и результатах исследования предельных условий горения материалов, в том числе в невесомости. Было установлено (Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М., 1972, - с.32-61), (Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., 1977, - с.90-93), что уменьшение толщины плоского газового слоя, заключенного между горизонтально расположенными пластинами, образующими канал, позволяет осуществлять процесс тепломассопередачи, эквивалентный кондуктивному (молекулярному). В свете предлагаемого изобретения это позволяет при определенной высоте плоского канала h_k исключать естественную конвекцию в слое и обеспечить условия протекания процесса горения в плоском канале, близкое к условиям горения в невесомости.

Устройство включает в себя камеру сгорания, выполненную в виде плоского горизонтально расположенного канала, со строго определенной для данных С_ох и P_en высотой - h_k. Камера выполнена из двух плоских параллельно размещенных пластин. С помощью подвижной верхней пластины обеспечено изменение высоты камеры сгорания - h_k. В опытах в камере сгорания с помощью смесителя газов создаются заданные расход газовой смеси и концентрация в ней кислорода. Для выравнивания скорости потока газовой среды по ширине поперечного сечения камеры сгорания на входе в нее установлен пористый элемент. Для обеспечения возможности задания в эксперименте необходимой скорости потока в камере сгорания предварительно проводятся тарировочные работы без горящего образца материала. В опытах используются образцы материалов в виде пластины. Образец материала размещается на штанге, которая может вводить его в камеру сгорания по оси ее симметрии. Образец материала перед введением его в камеру сгорания зажигается газовой горелкой или электрической спиралью. Для определения показателей пожарной опасности материалов при разных давлениях устройство размещается в герметичном сосуде. Высота камеры сгорания в опыте в зависимости от С_ох и P_en, при которых предполагается испытывать материал, устанавливается исходя из соотношения

где С_ох - объемная доля кислорода в газовой среде;

Р=P_en/P_o - член, характеризующий давление газовой среды;

P_o - атмосферное давление, МПа;

P_en - давление газовой среды в опыте, МПа;

K_g - эмпирический коэффициент - функция ускорения силы тяжести.

Формула (1) была составлена в результате анализа зависимостей параметра V_lim от высоты камеры сгорания h_k, полученных на устройстве-прототипе и на устройстве со свободно падающим контейнером, в котором обеспечивалась высокая степень невесомости - остаточное ускорение ускорения силы тяжести в камере сгорания контейнера не превышало 0,2 см/с². Экспериментально (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара. г.Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204) установлено, что при таком ускорении силы тяжести самоподдерживающегося горения материалов не происходит. Опыты по определению зависимостей V_lim от h_k проводились в диапазонах С_ох от 15 до 100% и P_en от 1 до 130 кПа. Эксперименты показали следующее (Патент Российской Федерации №2116093 «Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости», А62С 2/00. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет изобретения от 05.12.95. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21). Зависимости V_lim от h_k, полученные на устройстве-прототипе, имеют перегиб, отделяющий участок зависимости при малых значениях h_k, где тепловые потери из зоны горения в горизонтальные стенки камеры сгорания существенны, от участка зависимости при больших значениях h_k, где тепловые потери в стенки несущественны. Эксперименты на устройстве со свободно падающим контейнером (в истинной невесомости) показали, что зависимости V_lim от h_k также имеют перегиб примерно при тех же значениях h_k, что и зависимости V_lim от h_k, полученные на устройстве-прототипе. Отсутствие влияния на процесс горения при определении V_lim горизонтальных стенок камеры сгорания за счет теплопотерь в них доказывается тем, что предел горения по концентрации кислорода (C_lim), определенный на устройстве-прототипе, практически совпадает со значением C_lim, измеренным в пространстве, где стенки удалены от пламени на десятки сантиметров (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара. г.Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204). Опыты показали, что значение C_lim у всех материалов сильно зависит от теплопотерь из зоны горения.

На основании изложенного было сделано заключение, что точка перегиба зависимостей V_lim от h_k, полученных на устройстве-прототипе, указывает значение V_lim материала при заданных в опыте С_ох и P_en и высоту камеры сгорания h_k, при которой можно определять значения V_lim материалов, близкие к значениям, определенным в истинной невесомости. Получена формула для определения значения h_k от С_ох и P_en.

При анализе недостатков прототипа необходимо отметить следующее.

На фиг.1 приведена схема профилей скоростей потока в пограничных слоях, сформированных около поверхностей стенок камеры сгорания и образца материала. При течении газовой среды в плоской камере сгорания около ее стенок 1 формируются пограничные слои, которые, смыкаясь, образуют поток газовой среды с профилем скоростей 6, близким к параболическому. При этом параметры профиля скоростей изменяются в зависимости от расстояния, которое газ прошел в камере сгорания от пористого элемента 3, расхода газовой смеси и высоты камеры сгорания h_k. В то же время при обтекании образца материала 4 около его поверхности также формируется пограничный слой 7. При взаимодействии двух пограничных слоев 6 и 7 при наличии пламени 8 в лобовой зоне образца материала 4 формируется поток газовой среды, характеристики которого не поддаются оценке. В этой связи определить с достаточной точностью скорость втекания газовой среды в пламя 8, а следовательно, значение V_lim не представляется возможным. Данное обстоятельство могло быть одной из причин несовпадения между данными, полученными с помощью устройства-прототипа, и данными, полученными на космической станции «Мир» с помощью ЭУ «Скорость». Значения V_lim для органического стекла и полиэтилена, определенные на станции «Мир», оказались на 60-70% ниже, чем значения V_lim, определенные на устройстве-прототипе (Melikhov A.S., Bolodyan L.A., Potyakin V.I., Ivanov A.V. et al. The Study Of Polymer Material Combustion In Simulated Microgravity By Physical Modeling Method. Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio, May 18-20, 1999). Другой причиной несовпадения между данными, полученными на станции «Мир» и на устройстве-прототипе, может быть не вполне корректное определение высоты камеры сгорания в устройстве-прототипе - h_k, которая определялась для обеспечения соответствия газодинамических условий в устройстве-прототипе тем же условиям в ЭУ «Скорость». В связи с этим в плоской камере сгорания необходимо, во-первых, создать условия, при которых снижается погрешность в установлении значения скорости втекания газовой среды в пламя горящего образца, во-вторых, уточнить значение высоты камеры сгорания для обеспечения соответствия условий в заявляемом устройстве условиям в ЭУ «Скорость».

Целью данного изобретения является снижение погрешности определения значения V_lim материалов в наземных условиях, на экспериментальной установке, в которой условия эксперимента соответствуют условиям невесомости за счет снижения интенсивности естественной конвекции в камере сгорания при уменьшении ее высоты.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, включающем снижение интенсивности естественной конвекции в камере сгорания образца испытываемого материала до состояния, соответствующего условиям невесомости, за счет установления определенной высоты камеры сгорания в зависимости от давления среды и концентрации кислорода в среде, в которой проводится испытание материала, обеспечивают движение горящего образца материала с заданной при испытании скоростью относительно покоящейся газовой среды в камере сгорания, а в устройстве для определения предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, содержащем камеру сгорания, образованную плоскими горизонтально установленными стенками, высота которой перед экспериментом устанавливается в зависимости от параметров среды, в которой проводится испытание материала, смеситель для подачи в камеру сгорания окислительной газовой среды заданного состава, источник зажигания образца материала, механизм для ввода в камеру сгорания зажженного образца испытываемого материала, образец материала установлен на каретке, соединенной с приводом ее перемещения в камере сгорания с заданной скоростью в покоящейся окислительной газовой среде, при этом высота камеры сгорания устанавливается, исходя из соотношения

где С_ох - объемная доля кислорода в газовой среде;

Р=P_en/P_o - член, характеризующий давление газовой среды;

P_o - атмосферное давление, МПа;

P_en - давление газовой среды в опыте, МПа;

K_g - эмпирический коэффициент - функция ускорения силы тяжести.

На фиг.1 показана схема камеры сгорания устройства-прототипа со схематическим изображением профилей скоростей потока в пограничных слоях, сформированных около поверхностей стенок камеры сгорания и образца материала, на фиг.2 приведена схема заявляемого устройства, на фиг.3 приведена зависимость параметра V_lim от h_k для органического стекла в истинной невесомости и в условиях моделирования, на фиг.4 и 5 представлены теневые фотографии симметричных тепловых пограничных слоев в зоне пламени газофазного горения образца органического стекла и перед зоной тления образца хлопчатобумажного шнура ШХБ-4-3,5, на фиг.6 показана черно-белая фотография пламени при перемещении горящего образца органического стекла в камере сгорания, на фиг.7 показаны зависимости параметра V_lim для органического стекла от С_ох, полученные с помощью устройства-прототипа, на ЭУ «Скорость» при проведении экспериментов на орбитальной станции «Мир» и с помощью заявляемого устройства, на фиг.8 приведены зависимости параметра V_lim для полиэтилена от С_ох, полученные с помощью устройства-прототипа, на ЭУ «Скорость» при проведении экспериментов на орбитальной станции «Мир» и с помощью заявляемого устройства.

Заявляемое устройство (фиг.2) содержит камеру сгорания, рабочая часть которой образована параллельными пластинами 9 из термостойкого негорючего материала и боковыми стенками из прозрачного материала для наблюдения за горением и съемки. Для создания в камере сгорания среды с заданной концентрацией в ней кислорода устройство снабжено смесителем газов 10. Образец материала 11 закреплен на каретке 12, которая с помощью тросика электромеханического привода 13 и шкива 14 перемещается в камере сгорания с заданной равномерной скоростью. В приводе 13 используется синхронный электродвигатель и редуктор для изменения скорости вращения шкива, ведущего тросик, а следовательно, скорости перемещения образца. Электромеханический привод за счет его индивидуальной тарировки обеспечивает заданную скорость перемещения образца в камере сгорания с погрешностью не более 1%. Для зажигания образца 11 на входе в камеру сгорания имеется источник в виде электрической спирали 15. Для подведения спирали к образцу материала используется электромагнитный привод 16. Каретка 12 с образцом материала 11 при его зажигании размещается на площадке 17 камеры сгорания. Камера сгорания размещена в герметично закрывающемся сосуде 18. Для создания в сосуде давления ниже атмосферного применяется вакуум-насос 19. Сосуд 18 устанавливают таким образом, чтобы пластины 9 камеры сгорания располагались строго горизонтально. Исходя из опыта работы с устройством при испытании различных материалов, длина пластин 9 должна составлять около 1500 мм, а ширина не менее 150 мм.

Работа по определению значения V_lim с помощью предлагаемого устройства проводится следующим образом:

- с помощью установки, описанной в работе (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С., Потякин В.И. О предельных условиях горения полимеров. В журнале «Физика горения и взрыва». 1979. №4. - С.63-65), определяется значение C_lim данного материала при заданном давлении среды; значение V_lim для материала определяется, если значение C_lim оказалось меньше концентрации кислорода, при которой необходимо определить значение V_lim, в том числе, при которой будет использоваться материал в гермоотсеке КЛА;

- в зависимости от параметров газовой среды, заданной в опыте (С_ох и P_en), устанавливалось расстояние h_k между пластинами, определенное по формуле (2);

- в держатель на каретке 12 устанавливается образец материала (образцы монолитных материалов выполнялись в виде пластины с размерами 60×8×(1-3) мм; образцы тканей и пленок размером 30×60 мм устанавливаются в плоском держателе, выполненном в виде вилки с открытой передней кромкой); все виды образцов устанавливаются горизонтально на равных расстояниях от горизонтальных стенок камеры;

- каретка 12 размещается на площадке 17 камеры сгорания таким образом, чтобы обеспечивалась возможность зажигания образца электрической спиралью 15.

- привод 13 настраивается на заданную в опыте скорость перемещения каретки.

- сосуд 18 вакуумируется и с помощью смесителя заполняется окислительной газовой средой заданного состава;

- с помощью вакуум-насоса в сосуде 19 создается заданное давление среды;

- вентили после смесителя и перед вакуум-насосом закрывают, чтобы исключить движение газовой среды в камере сгорания.

- образец зажигается спиралью 15 и после начала устойчивого его горения включается привод движения каретки, она вводится в камеру сгорания, и далее горящий образец с постоянной скоростью перемещается в камере сгорания;

- ведется наблюдение за горением движущегося образца, фиксируются форма образца и размещение зоны его горения в средней по высоте плоскости камеры сгорания;

- для материалов, при сгорании которых не образуется, не остается твердого остатка, за величину V_lim принимается среднее значение скорости движения образца между двумя соседними значениями скорости, при которых время горения образца при движении составляет 15-19 с и 21-25 с; если образец потухает раньше 15 с, то скорость движения образца увеличивается до тех пор, пока время его горения не окажется в диапазоне 15-19 с; если образец потухает позднее 25 с, то скорость движения образца уменьшается до тех пор, пока время его горения не окажется в диапазоне 21-25 с;

- для материалов, при сгорании которых остается твердый остаток, за величину V_lim принимается среднее значение скорости движения образца между двумя соседними значениями скорости, при которых первое соответствует скорости движения, когда в лобовой части образца появляется твердый остаток длиной 1-2 мм, а второе соответствует скорости движения, когда в лобовой части образца образуется твердый остаток длиной 3-5 мм.

Поскольку в камере сгорания окислительная газовая среда покоится, то вблизи стенок камеры сгорания не образуется градиентов скорости потока. Поэтому газовая среда в пламя горящего образца втекает со скоростью его перемещения, которая обеспечивается с малой погрешностью (не более 1%). Этим исключается первая из указанных выше причин погрешности определения значения V_lim материалов, характерная для устройства-прототипа.

При разработке устройства-прототипа с помощью шлирен-метода (теневой фотосъемки) определялось состояние пограничного слоя при высоте камеры сгорания h_k, которая соответствует значению, определенному по формуле (1). Для пояснения условий, при которых определялось состояние пограничного слоя на фиг.3, показаны графики 21 и 22, соответствующие графикам 1 и 2, приведенным на фиг.2 в описании устройства-прототипа. Состояние пограничного слоя на устройстве-прототипе определялось при высоте камеры сгорания, соответствующей параметрам точки 23 пересечения продолжения 24 вниз вертикального участка графика 21 с графиком 22. Точка 23 соответствует условиям, при которых естественная конвекция не искажает пограничный слой, но тепловые потери из зоны горения в горизонтальные стенки камеры сгорания максимальны при параметрах, соответствующих вертикальному участку графика 21.

Для уточнения рабочей высоты камеры сгорания были приведены специальные исследования с использованием шлирен-метода. Была поставлена задача определить максимальные значения h_k, при которых в области значений скоростей набегающего на образец газового потока, соответствующих величинам V_lim, определенным на станции «Мир», перед горящим образцом в плоской камере сгорания наблюдается симметричный относительно оси образца тепловой пограничный слой, не искаженный действием естественной конвекции. На фиг.4 и 5 представлены теневые фотографии симметричных тепловых пограничных слоев в зоне пламени газофазного горения образца органического стекла и перед зоной тления образца хлопчатобумажного шнура ШХБ-4-3,5, у которого реакция горения протекает на поверхности материала. На фиг.6 показана обычная черно-белая фотография пламени при перемещении горящего образца органического стекла в камере сгорания в подобранном методом теневой фотографии режиме подавления искажающего действия естественной конвекции. Видно, что пламя, безусловно, симметрично относительно осей образца и камеры сгорания. На фиг.2 пламя движущегося образца показано позицией 20.

Опыты были проведены с разными материалами и найдены условия сохранения симметричного теплового пограничного слоя в диапазоне значений h_k от 3,5 до 10 мм и в диапазоне значений V_gf от 0,5 до 25 см/с. Было установлено, что симметричный относительно оси образца тепловой пограничный слой сохраняется до величины, в среднем на 10% большей, чем значение h_k, обозначенное на фиг.3 точкой 23 (уровень 25 на фиг.3). С увеличением значения h_k выше этого уровня искажающее действие естественной конвекции постепенно повышается. Таким образом, соотношение для определения рабочих значения h_k может быть представлено в виде: h_k=1,1×K_g×(С_ох)^-0,3×P^-0,5. Этим исключается вторая из указанных выше причин погрешности определения значения V_lim материалов, характерная для устройства-прототипа.

На фиг.7 приведены данные о значениях V_lim при разных С_ох для органического стекла, полученные с помощью устройства-прототипа (кривая 26), на ЭУ «Скорость» при проведении экспериментов на станции «Мир» (точки 27 и 28) и с помощью заявляемого устройства (кривая 29). На фиг.8 приведены данные для полиэтилена, полученные с помощью устройства-прототипа (кривая 30), на ЭУ «Скорость» на станции «Мир» (точка 31) и с помощью заявляемого устройства (кривая 32). Видно, что значения V_lim материалов, определенные на ЭУ со скорректированной высотой камеры сгорания h_k, близки к значениям V_lim, определенным на ЭУ «Скорость» при проведении экспериментов на орбитальной станции «Мир».

В таблице в качестве примера приведены значения V_lim для ряда практически важных материалов, определенные с помощью предлагаемого устройства при С_ох=30%.

Таблица
Наименование материала	Vlim, см/с	Наименование материала	Vlim, см/с
Хлопчатобумажный шнур (в режиме тления)	0,2	Лента электроизоляционная из поливинилхлорида с липким слоем	1,8
Полиэтилен	0,3	Резина	2,2
Органическое стекло	0,4	Поливинилхлорид	5,8
Пенополистирол	0,8	Стеклотекстолит СФ-1-35Г	9,9

Видно, что у разных материалов значения V_lim отличаются в десятки раз. При этом время тушения этих материалов за счет торможения потоков (Патент Российской Федерации №2076497. Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., А62С 2/00. Приоритет изобретения 11.11.94. Опубл. 27.03.97. Бюл. №9) может отличаться в несколько раз. Это указывает на то, что при обеспечении пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА подбор материалов следует осуществлять по значениям их V_lim.

Предлагаемое техническое решение позволяет определять характерные для невесомости пределы горения конструкционных материалов, и в первую очередь значение V_lim - основного показателя, необходимого для разработки в рамках новейших технологий высокоэффективных средств и способов обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА (орбитальных станций, транспортных, межпланетных кораблей и т.д.). Получаемые с его помощью данные представляют также большой научный интерес. Предлагаемое устройство имеет преимущество по сравнению с известными техническими решениями. Оно позволяет снизить погрешность определения значения V_lim материалов в условиях моделирования процесса горения материалов в невесомости за счет того, что горящий образец перемещается в камере сгорания, выполненной в виде плоского горизонтально расположенного канала в покоящейся газовой среде. Это исключает действие на горящий материал естественной конвекции и градиентов скорости потока, образующихся при движении газового потока вблизи стенок. Таким образом, при определении значения V_lim материалов пламя существует при газодинамических условиях, характерных для состояния невесомости и в больших пространствах обитаемых гермоотсеков КЛА. Данная разработка имеет большое практическое значение, поскольку не требует для определения основного показателя пожарной опасности таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов в истинной невесомости (в свободно падающих контейнерах, в самолетах-лабораториях, на космических станциях).

Claims (2)

1. Способ определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, включающий снижение интенсивности естественной конвекции в камере сгорания образца испытываемого материала до состояния, соответствующего условиям невесомости, за счет установления определенной высоты камеры сгорания в зависимости от давления среды и концентрации кислорода в среде, в которой проводится испытание материала, отличающийся тем, что обеспечивают движение горящего образца материала с заданной при испытании скоростью относительно покоящейся газовой среды в камере сгорания.

2. Устройство для определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, содержащее камеру сгорания, образованную плоскими горизонтально установленными стенками, высота которой перед экспериментом устанавливается в зависимости от параметров среды, в которой проводится испытание материала, смеситель для подачи в камеру сгорания окислительной газовой среды заданного состава, источник зажигания образца материала, механизм для ввода в камеру сгорания зажженного образца испытываемого материала, отличающийся тем, что образец материала установлен на каретке, соединенной с приводом ее перемещения в камере сгорания с заданной скоростью в покоящейся окислительной газовой среде, при этом высота камеры сгорания устанавливается, исходя из соотношения:

h_k=1,1·K_g·(С_ox)^-0,3·Р^-0,5,

где С_ох - объемная доля кислорода в газовой среде;

P=P_en/P₀ - член, характеризующий давление газовой среды;

Р₀ - атмосферное давление, МПа;

P_en - давление газовой среды в опыте, МПа;

K_g - эмпирический коэффициент - функция ускорения силы тяжести.

Images