RU2371221C2 - Способ определения нижнего предела тления материалов и горения их на поверхности по скорости газового потока для условий невесомости - Google Patents

Abstract

Предложен способ определения нижнего предела тления материалов и горения их на поверхности по скорости газового потока для условий невесомости. Нижний предел горения материалов является основным показателем, характеризующим пожарную опасность материалов в условиях невесомости. Способ заключается в определении при заданных параметрах газовой атмосферы в плоской камере сгорания скорости потока, при которой достигаются условия, предельные для горения материала в режиме тления или горения его на поверхности. При этом при заданных параметрах газовой атмосферы определяются зависимости нижнего предела тления образца материала или горения его на поверхности по скорости потока от высоты плоской камеры сгорания, а затем по точке перегиба построенной зависимости определяют нижний предел тления материала или горения его на поверхности по скорости потока для заданных параметров газовой атмосферы. Данное техническое решение важно для космонавтики, поскольку не требует для определения основного показателя пожарной опасности для условий невесомости таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов на долговременных орбитальных станциях. 5 ил., 2 табл.

Description

Изобретение относится к противопожарной технике. Оно предназначено для определения нижнего предела тления материалов или их горения на поверхности по скорости газового потока (V_lim.sm) для условий невесомости. Нижний предел горения материалов является основным показателем, характеризующим пожарную опасность материалов в условиях невесомости, он необходим при разработке систем пожаротушения в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов (КЛА) (транспортных космических кораблей и долговременных космических станций) в период орбитального полета.

Обитаемые гермоотсеки КЛА относятся к объектам повышенной пожарной опасности в связи со следующими обстоятельствами. В данных изделиях используется искусственная атмосфера, которая значительно, до концентрации (С_ох) равной 30-40% (здесь и далее проценты объемные), обогащена кислородом. При этом тенденция развития космической техники такова, что с выполнением требований по снижению массы оборудования в обитаемых гермоотсеках КЛА постоянно расширяется применение неметаллических конструкционных материалов. Основная их доля является горючей в обогащенной кислородом атмосфере. При рабочих значениях вентиляционного потока в гермоотсеках КЛА, лежащих в диапазоне от 0,1 до 0,6 м/с, а на выходе из вентиляторов до 1,5 м/с, создается высокий потенциальный уровень пожарной опасности в гермоотсеках в орбитальном полете. Гермоотсеки КЛА в высокой степени насыщены электрическим и электронным оборудованием, элементы которого при отказах даже в слаботочных электрических цепях являлись источником загораний в обогащенной кислородом атмосфере, нередко переходящих в интенсивные пожары. Гермоотсеки КЛА крайне уязвимы для пожара. Практически невозможно оказать помощь экипажу извне и быстро эвакуировать его при пожаре из гермоотсеков.

КЛА относятся к критически важным объектам, так как аварии, в том числе пожары в КЛА важного назначения могут нанести ущерб национальным интересам страны во многих сферах. Имевшие место ранее 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.).

С учетом изложенного, вопрос обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА является весьма актуальным. Принимая во внимание престижность космонавтики для страны, этот вопрос должен решаться на самом высоком научно- техническом уровне.

Исследования российских ученых показали, что известные традиционные средства и способы обеспечения пожарной безопасности при их применении в условиях обитаемых гермоотсеков КЛА имеют много недостатков и поэтому их использование в космосе крайне ограничено (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.).

Использование огнетушащих веществ в гермоотсеке КЛА в период подготовки к полету на старте или в орбитальном полете независимо от масштаба пожара является аварийной ситуацией, которая может приводить к срыву программы полета и к прекращению полета из-за загрязнения атмосферы гермоотсека и оборудования. При этом электронное оборудование может выходить из строя от действия продуктов горения без возможности его ремонта.

Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА за счет использования негорючих материалов в условиях обогащенной кислородом атмосферы также оказался неэффективным. Во многих странах были развернуты обширные программы по созданию материалов с пониженной горючестью в атмосфере, обогащенной кислородом. Были достигнуты определенные успехи в этой области: созданы материалы с высокими пределами горения по концентрации кислорода (C_lim): ткань «Аримид-Т», ткань НТ-7, фторлон, ряд искусственных кож и других конструкционных материалов («Исследование предельных условий горения твердых неметаллических материалов». Болодьян И.А., Долгов Э.И., Калинкин В.И., Мелихов А.С. и др. В сб. «Вопросы горения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.1. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1975, - с.3-14; «О влиянии состава искусственных кож на их способность к горению». Афанасьев A.M., Болодьян И.А. и др. В сб. «Пожарная профилактика». М.: ВНИИПО МВД СССР. №12, 1976, - с.48-54.) (Значения C_lim представляет собой концентрацию кислорода, ниже которой горение данного материала не происходит.). Однако эти разработки явились крайне дорогостоящими и не обеспечили многообразные потребности космической техники в конструкционных материалах с необходимыми для этой техники физико-механическими свойствами. В итоге, как правило, в электрооборудовании обитаемых гермоотсеков современных КЛА любой принадлежности только 20-25% материалов (по массе) являются негорючими при той наибольшей концентрации кислорода, которая может иметь место в гермоотсеках КЛА. Остальные 75-80% материалов, а это несколько сотен наименований, являются горючими.

Практика и анализ условий в гермоотсеках КЛА показывает, что особенно высокой пожарной опасностью обладают материалы, склонные к тлению. Это материалы растительного происхождения, натуральные кожи, латексная, кремнийорганическая и другие резины, некоторые композиционные материалы. Данные материалы, как правило, имеют невысокую стоимость, поэтому имеется тенденция к их широкому применению. Процесс горения этих материалов имеет скрытый период, когда в начале появившейся пожароопасной ситуации очаг горения обнаружить трудно, а иногда невозможно. Но по прошествии некоторого времени и изменении условий (скорости газового потока, концентрации кислорода в атмосфере, ее давления, размера очага) горение может перейти пламенный режим, то есть в быстропротекающий пожар. Процесс тления до перехода в быстропротекающий пожар при значительном скоплении этих материалов может длиться несколько дней.

Изложенные обстоятельства привели к необходимости поиска новых технологий обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, которые бы отличались высокой надежностью, экономичностью и экологической чистотой.

Принимая во внимание, что гермоотсеки орбитальных станций и других КЛА несравненно большую часть времени эксплуатируются на орбите, особое внимание было уделено вопросу обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков в условиях невесомости и особенно в длительной невесомости. Исследования проводились в самолете-лаборатории, в свободно падающем контейнере, на космической станции «Мир» в условиях орбитального полета (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.).

Основным результатом проведенных исследований, определившим направления новой технологии пожаротушения в гермоотсеках КЛА в полетах различной, в том числе сверхбольшой длительности, явилось выявление наличия у материалов ранее не известного показателя пожарной опасности, а именно нижнего предела горения по скорости потока в условиях невесомости - значения V_lim, представляющего собой значение скорости потока, ниже которой горение данного материала в невесомости не происходит.

На базе этого результата разработаны принципиально новые способы по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, например (Патент России №2076497. «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н. Приоритет 11.11.1994 г. Опубл. 27.03.97. Бюл. №9; Патент России №2116092. «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. Приоритет 05.12.1995 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21.), включающие новые способы предотвращения возникновения пожара в обогащенной кислородом атмосфере и новые способы пожаротушения в ней.

Для обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА необходимо для неметаллических конструкционных материалов, предназначенных к использованию в этих гермоотсеках, определять значения V_lim с учетом влияния параметров рабочей атмосферы: значения С_ох и давления (P_en).

Для дальнейшего развития новых технологий обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и повышения надежности принимаемых технических решений особое внимание необходимо уделять изучению процесса горения в невесомости материалов, способных к тлению, и определению их значений V_lim.sm.

Известные способы и устройства для определения параметров процесса тления (ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.; Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ, - М.: Химия, 1979, - 403 с.) не могут быть использованы для определения значений V_lim.sm материалов, так как в них не предусмотрено исключение действия естественно-конвективное движения газовой среды на процесс тления, как в условиях, соответствующих невесомости.

Следует отметить, что определение значения V_lim, в том числе для тлеющих материалов для условий невесомости, расчетным путем практически невозможно. Для этого необходимо знать значения кинетических констант реакции, протекающих в процессе их горения (тления). Определение кинетических констант для каждого материала, которых в гермоотсеках применяется несколько сотен, является трудоемкой и самостоятельной задачей.

Существует несколько способов определения значений V_lim материалов для условий невесомости.

Значения показателей пожарной опасности материалов, в частности значений

V_lim.sm, для условий невесомости наиболее точно могут определяться в экспериментах на орбитальных станциях (Иванов А.В., Алымов В.Ф., Смирнов А.Б., Мелихов А.С. и др. Предварительные результаты третьей серии экспериментов по исследованию горения неметаллических материалов на экспериментальной установке «Скорость» на борту орбитальной станции «Мир». Материалы 5-го Интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, г.Кливленд, 18-20 мая 1999).

Однако учитывая, что стоимость таких испытательных работ крайне велика, а перечни материалов, используемых в обитаемых гермоотсеках современных КЛА, насчитывают несколько сот наименований, значения практически важных показателей пожарной опасности основной массы материалов для условий невесомости в нашей стране принято определять в настоящее время на наземных экспериментальных установках (наземных имитаторах горения в невесомости), разработанных с учетом результатов исследований на орбитальных станциях.

К такому подходу стремятся ученые и в других странах (М.К.King. 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).

С учетом требований сокращения расходов на определение значений V_lim были разработаны устройство и соответствующий ему способ, которые позволяли испытывать газофазногорящие и в том числе плавящиеся при горении материалы с учетом влияния на это значение параметров атмосферы С_ох и P_en (Патент №2116093 России «Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости». Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет изобретения от 05.12.95 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21). Данное техническое решение в части заложенного в нем способа взято за прототип.

В указанном техническом решении, взятом за прототип, на основе результатов выполненных исследований («О предельных режимах горения полимеров в отсутствии свободной конвекции». Авторы: Мелихов А.С., Потякин В.И., Рыжов A.M., Иванов Б.А. В журн. «Физика горения и взрыва». №4, 1983, - с.27-30.) было найдено соотношение, по которому можно определить высоту h_k плоской камеры сгорания, в которой обеспечивается возможность измерения значений V_lim газофазногорящих и в том числе плавящихся при горении материалов с учетом влияния на это значение параметров атмосферы С_ох и P_en:

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

Исследования показали, что значения V_lim газофазногорящих материалов, существенно отличающихся по физико - химическим свойствам, определенные методом физического моделирования в плоской камере сгорания, достаточно хорошо совпадают по величине со значениями V_lim, определенными на борту станции «Мир» в орбитальном полете (Melikhov A.S., Bolodyan LA., 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 1999).

Такое положение объясняется следующим обстоятельством.

В зоне горения материала в ограниченном пространстве интенсивность подъемной силы, вызывающей естественно конвективное движение среды, можно характеризовать числом Грасгофа:

где g - ускорение силы тяжести, см/с²; ΔТ=T_fl-Т₀ - перепад температур, K; T_fl - температура пламени, K; Т₀ - температура окружающей среды, K; l_fl - характерный размер пламени, см; T_en=0,5·(T_fl+Т₀) - определяющая (осредненная) температура среды, K; ν - кинематическая вязкость среды при T_en, см²/с.

Теоретическими и экспериментальными и исследованиями (Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. «О расчете предельных условий горения полимерных материалов». Пожарная профилактика. Вып.13. - М.: ВНИИПО, 1977. - с.81-88.; «О предельных условиях горения полимеров». Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. В журн. «Физика горения и взрыва». №4, 1979, - с.63-65.) было установлено, что на предельных режимах горения газофазногорящих материалов в широком диапазоне параметров (при концентрации кислорода от 15 до 100% и давлении среды от 0,001 до 0,12 МПа) максимальная температура в зоне пламени практически постоянна независимо от вида материала. Эти исследования указали также на постоянство значения «ν» при предельной для горения температуре пламени.

Из указанной выше теоретической работы следует, что температура в зоне пламени не изменяется от условий горения на предельных режимах, поскольку значение температуры в уравнениях, описывающих процесс, присутствует в показателе экспоненты. Даже при существенном изменении константы скорости химической реакции и коэффициента массообмена требуется малое изменение температуры, чтобы уравнения тепломассообмена, приведенные в указанной теоретической работе, выполнялись.

Так как максимальная температура в зоне пламени на предельных режимах горения мало зависит от вида материала и параметров газовой среды, то в рассматриваемом случае горения в плоской камере сгорания параметры g, ΔT, T_en, ν в числе Грасгофа (2) являются постоянными величинами, а основным параметром, определяющим интенсивность естественной конвекции в зоне горения, является высота камеры сгорания h_k.

Модель газофазного горения такова, что пламя контактирует с образцом и со стенками камеры сгорания через тепловые пограничные слои в газе. Учитывая, что теплопроводность газовой фазы мала и поэтому тепловые потери из зоны пламени в окружающее пространство ограничены, температура в зоне пламени даже на предельных (критических) режимах горения любых материалов достигает высоких значений - не менее 1500-1600 K.

Пламя, имеющее указанную высокую температуру, занимает практически всю высоту плоской камеры сгорания, поэтому в зоне горения образуется нагретый сгусток газовой среды с повышенной вязкостью. Это затрудняет развитие естественной конвекции в зоне горения и способствует увеличению рабочей высоты плоской камеры сгорания, необходимой для определения значений V_lim газофазногорящих материалов без увеличения тепловых потерь из зоны горения в стенки камеры сгорания.

Поскольку на предельных режимах горения газофазногорящих материалов максимальная температура в зоне пламени постоянна, то высота плоской камеры сгорания h_k при определении значения V_lim любого газофазногорящего материала при одинаковых значениях параметров атмосферы С_ох и P_en будет получена по расчету из соотношения (1) одинаковой.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что соотношение (1) не может быть применено для определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, если горение осуществляется в режиме тления или на поверхности (по модели, иллюстрированной фигурой 2) в связи со следующими обстоятельствами:

1. В режиме тлеющего горения или горения материалов на поверхности температура в зоне горения на предельных режимах горения существенно ниже, чем у газофазногорящих материалов (в зоне пламени): у тлеющих - около 900 K, у гетерогенно горящих - около 1400 K (Melikhov A.S., Bolodyan I.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 1999; Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. «О расчете предельных условий горения полимерных материалов». Пожарная профилактика. Вып.13. - М.: ВНИИПО, 1977, - с.81-88).

2. Количество тепла, которое уходит из зоны гетерогенного горения (с поверхности) в материал, намного больше, чем из пламени, т.к. между пламенем и поверхностью материала имеется газовая прослойка; твердый материал, на поверхности которого расположена зона горения, имеет коэффициент теплопроводности намного больше, чем газовая среда. Это приводит к понижению температуры в зоне гетерогенного горения в противоположность повышению температуры в зоне пламенного горения.

3. Интенсивность выгорания и скорость тепловыделения при горении тлеющих игетерогенно горящих материалов намного (примерно на порядок) меньше, чем у газофазногорящих материалов. Так при горении газофазногорящего органического стекла (полиметилметакрилата) скорость тепловыделение в зоне горения равна около 90 Дж/см²·с, а при тлении хлопчатобумажных материалов тепловыделение в зоне горения составляет 9,6 Дж/см²·с. Это также приводит к понижению температуры в зоне гетерогенного горения.

Учитывая изложенное, можно заключить, что при тлении в плоской камере сгорания около зоны горения не образуется нагретый сгусток высокотемпературной газовой среды, заполняющий камеру сгорания по всей ее высоте. Поэтому около зоны тления вязкость среды существенно меньше, чем в пламени, что увеличивает интенсивность естественной конвекции в камере сгорания. Данное обстоятельство требует того, чтобы при определении значений V_lim.sm для материалов тлеющих и горящих на поверхности число Грасгофа, а следовательно, и высота камеры сгорания h_k (найденные по уравнению (1)), были меньше, чем при определении значений V_lim газофазногорящих материалов.

Действительно, исследования показали, что значения V_lim газофазногорящих материалов можно определять в плоской камере сгорания при числе Грасгофа, равном в среднем 322, а значения V_lim.sm тлеющих материалов - при числе Грасгофа, равном в среднем 161. При этом у тлеющих и гетерогенно горящих материалов в отличие от газофазногорящих материалов температура на предельных режимах горения не одинакова, а у каждого материала своя (от 900 до 1400 K для исследованных материалов). Учитывая, что значение температуры на предельном режиме горения для данного материала, который необходимо испытать, неизвестно, то составить соотношение типа (1) для тлеющих и гетерогенно горящих материалов, по которому (по соотношению) можно было бы определить высоту h_k плоской камеры сгорания, в которой обеспечивается возможность измерения значений V_lim.sm тлеющих и гетерогенно горящих материалов, пока не представилось возможным.

Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков прототипа.

Целью данного изобретения является разработка способа определения нижнего предела по скорости газового потока (V_lim.sm) для тлеющих и горящих на поверхности (гетерогенно) материалов для условий невесомости при действии силы земного притяжения. Ставится также цель достичь максимальной простоты в обработке результатов испытаний образцов при определении значения V_lim.sm для указанных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения нижнего предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, включающем снижение интенсивности естественной конвекции в плоской камере сгорания образца испытываемого материала, до состояния, приближенного к условиям невесомости, за счет установления высоты камеры сгорания, в которой проводится испытание материала, при заданных концентрации кислорода в газовой атмосфере и ее давлении экспериментально определяют зависимость нижнего предела тления образца материала или его горения на поверхности по скорости потока от высоты камеры сгорания, а затем по точке перегиба полученной зависимости определяют нижний предел тления материала или его горения на поверхности по скорости потока для заданных параметров газовой атмосферы.

На фиг.1 приведена модель газофазного горения материала (органического стекла) в плоской камере сгорания: 1 - подача газовой смеси от смесителя; 2 - пакет сеток; 3 - пламя; 4 - прогретая поверхность материала; 5 - горизонтальные стенки плоской камеры сгорания; 6 - образец материала. На фиг.2 приведена модель горения материала в плоской камере сгорания в режиме тления: 7 - подача газовой смеси от смесителя; 8 - пакет сеток; 9 - зона тления или горения на поверхности материала; 10 - горизонтальные стенки плоской камеры сгорания; 11 - образец тлеющего материала. На фиг.3 приведены результаты определения значений V_lim.sm для режима тления хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5 в плоской камере сгорания при различных концентрациях кислорода и атмосферном давлении. Здесь кривые соответствуют: 12 - С_ох=15%; 13 - С_ох=19%; 14 - С_ох=23%; 15 - С_ох=25%. На фиг.4 представлены зависимости предельной для тления материалов скорости потока от концентрации кислорода, определенные в плоской камере сгорания для следующих материалов: 16 - шнур ШХБ 4-3,5; 17 - картон электротехнический «ЭВ»; 18 - натуральная кожа техническая «Чепрак»; 19 - кремнийорганическая резина. Линиями 20-23 обозначены предельные для горения этих материалов концентрации кислорода - C_lim. На фиг.5 приведен график 24 зависимости максимального значения скорости вентиляционного потока в гермоотсеках модулей PC MKC после выключения системы вентиляции в гермоотсеках.

Данное техническое решение основано на фундаментальных закономерностях процессов тепломассообмена в ограниченных пространствах. В работах (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.) показано, что уменьшение толщины плоского газового слоя, заключенного между горизонтально расположенными пластинами, образующими плоский канал, позволяет осуществлять процесс тепломассопередачи, эквивалентный кондуктивному (молекулярному). В свете предлагаемого изобретения это позволяет при определенной высоте плоского канала h_k практически полностью исключать естественно-конвективное движение газовой среды в слое и обеспечить условия протекания процесса горения в плоской камере сгорания, близкие к условиям горения в невесомости, т.е. к условиям, при которых нет предпосылок к возбуждению естественной конвекции, которая поддерживала бы процесс горения материалов и тем самым искажала бы процесс, характерный для невесомости.

Способ определения нижнего предела тления и горения материалов на поверхности по скорости газового потока для условий невесомости (V_lim.sm) базируется также на результатах исследований предельных условий горения материалов, в невесомости и в условиях, приближенных к ней, к которым относятся:

- исследования теневым методом изменения интенсивности естественной конвекции в плоской камере сгорания при существовании в ней очагов горения различного размера и мощности при разных характерных размерах (высотах) плоской камеры сгорания;

- определение параметров горения материалов с различными физико-химическими свойствами, имеющими различное расположение зоны горения относительно поверхности материала; этими параметрами являются: температура в зоне горения, предельная для горения материала концентрация кислорода, определенная для неограниченного пространства и в плоской камере сгорания в зависимости от ее высоты, скорость газового потока, размеры образца материала;

- сравнение значений V_lim различных материалов, определенных в плоской камере сгорания и на борту космической станции «Мир» в орбитальном полете (Melikhov A.S., Bolodyan LA., 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 1999).

Исследования в направлении разработки способа определения нижнего предела тления материалов по скорости потока для условий невесомости проводились на экспериментальной установке, содержащей плоскую камеру сгорания, в которой конструктивно было обеспечена возможность изменения расстояния h_k между горизонтальными пластинами. Для организации газового потока, равномерного по сечению плоской камеры сгорания, в начале ее установлен пористый элемент (пакет сеток). Камера сгорания выполнена из двух массивных медных пластин, использование которых исключало локальный их прогрев и влияние тем самым прогрева на режим тления. Образец материала размещался на штанге, которая могла перемещаться с помощью привода, удерживая лобовую часть образца на оси камеры сгорания. Газовый поток с заданным содержанием кислорода подготавливался в смесителе и подавался в плоскую камеру сгорания перед пакетом сеток. Расход газа и концентрация в нем кислорода измерялись с помощью ротаметра и газоанализатора. Для исключения влияния естественной конвекции на результаты опытов камера сгорания устанавливалась строго горизонтально. Конструкция привода обеспечивала установку торца образца материала, который зажигался перед введением в канал, на заданном расстоянии от сеток. При определении значений V_lim.sm материалов в зависимости от давления газовой среды камера сгорания могла размещаться в герметичной емкости.

Методика определения значений V_lim.sm заключается в следующем.

Для данного материала определялось значение предела горения по концентрации кислорода (C_lim.sm). Определение значения V_lim.sm для данного материала проводились, если значение C_lim.sm оказывалось меньше заданного максимального значения концентрации кислорода в атмосфере гермоотсека, где предполагается использовать данный материал (например, 30%).

Устанавливалась начальная высота камеры сгорания. В держатель устанавливался образец материала длиной 60 мм так, чтобы он после введения в плоский канал находился на равных расстояниях от горизонтальных стенок канала. В камере сгорания с помощью смесителя создавался поток азотно-кислородной смеси с заданными скоростью, концентрацией кислорода и давлением. Образец зажигается вне камеры в струе выходящей из нее газовой среды. После начала устойчивого горения в течение времени, не более 5 с, образец вводился в рабочую камеру так, чтобы горящая лобовая часть образца была расположена на расстоянии 10-20 мм от сеток. Велось наблюдение за горением.

При определении значений V_lim.sm материалов в режиме тления или горения на поверхности высота плоский камеры сгорания устанавливалась в каждой серии опытов, равной от 3 до 7 мм. После определения значения V_lim.sm при начальной высоте камеры сгорания высота камеры сгорания перед проведением следующей серии опытов увеличивалась 0,2-0,5 мм.

Опыты проводятся в заданных техническими условиями на полет КЛА диапазонах концентрации кислорода в атмосфере (С_ох) и ее давления (P_en).

При испытаниях материалов в режиме тления за величину нижнего предела тления V_lim.sm при данной высоте камеры сгорания h_k принималась скорость потока, при которой после введения в камеру сгорания тлеющего образца наблюдалось устойчивое его тление в течение времени, не менее 120 с, либо сгорал весь образец. При невыполнении этих условий значение скорости газового потока, заданного в опыте, считалось меньше нижнего предела тления при данной высоте камеры сгорания. Путем проведения опытов с последовательных приближений к истинному значению V_lim.sm находятся такие указанные значения скорости газового потока (материал тлеет, материал не тлеет), которые отличаются друг от друга не более чем на 5%.

На фиг.3 приведены результаты определения значений V_lim.sm для режима тления хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5 в плоской камере сгорания при различных концентрациях кислорода и атмосферном давлении. По найденным при разных высотах камеры сгорания значениям нижнего предела тления строились зависимости

V_lim.sm~h_k для разных концентраций кислорода. Здесь кривые соответствуют: 12 - С_ох=15%; 13 - С_ох=19%; 14 - С_ох=23%; 15 - С_ох=25%.

Из фиг.3 видно, что с уменьшением значения h_k значение скорости газового потока, ниже которого тления материала не происходит, увеличивается. При определенных значениях скорости газового потока и высоты плоской камеры сгорания первая производная dh_k/dV_lim.sm в зависимости довольно резко меняет свое значение и образуется перегиб в кривой V_lim.sm~h_k, обозначенный на каждой кривой большой светлой точкой. Анализ теневых картин пограничного слоя в зоне тления в плоской камере сгорания при различных ее высотах показал, что именно при параметрах газового потока, соответствующих точке перегиба, формируется симметричный тепловой пограничный слой относительно оси образца и оси плоской камеры сгорания. Именно такая форма пограничного слоя характерна для условий истинной невесомости.

При этом предел горения по концентрации кислорода для тлеющих материалов (C_lim.sm), определенный в плоской камере сгорания, практически совпадает со значением C_lim.sm, измеренным в практически неограниченном пространстве - в пространстве, где стенки удалены от зоны тления на десятки сантиметров. Исследование (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.) показало, что значение C_lim у всех материалов сильно зависит от теплопотерь из зоны горения. В данном случае значения C_lim.sm практически одинаковы. Таким образом, с учетом результатов исследований теплопотерями из зоны горения в стенки плоской камере сгорания при параметрах газового потока, соответствующих точке перегиба, можно пренебречь.

На основании изложенного сделано заключение, что точка перегиба зависимостей V_lim.sm от h_k указывает значение V_lim тлеющего материала при заданных в опыте С_ох и P_en, a также высоту камеры сгорания h_k, при которой следует определять значение

V_lim.sm данного тлеющего материала при указанных параметрах атмосферы. Исследования многих тлеющих материалов показали, что наиболее четко точка перегиба проявляется в логарифмических координатах.

Значения нижних пределов тления хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5 в точках перегиба кривых на фиг.3 обозначены большими светлыми точками и при различных концентрациях кислорода равны для кривых: 12 - 3,2 см/с; 13- 0,4 см/с; 14 - 0,34 см/с; 15 - 0,3 см/с.

По этим данным и данным, аналогичным полученным при других значениях Сох, построена зависимость нижнего предела тления хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5 от концентрации кислорода в диапазоне этого параметра от 14,3 до 30%. Зависимость приведена на фиг.4 под номером 16.

На основе установления наличия значений V_lim у различных материалов были разработаны автоматизированные системы пожаротушения, с помощью которых в течение ряда лет обеспечивается противопожарная защита обитаемых гермоотсеков Российского сегмента Международной космической станции (PC MKC) и других КЛА в длительных орбитальных полетах. Для разработки автоматизированных систем пожаротушения и оценки эффективности ее работы были определены: а) закономерности вязкостной диссипации энергии движения (остановки) газовых потоков после выключения средств вентиляции в гермоотсеках различных КЛА; б) значения нижних пределов горения материалов, широко применяемых в гермоотсеках различных КЛА, по скорости потока V_lim.

Эти данные обеспечивают определение времени снижения скорости потока в гермоотсеке до значения V_lim материалов, а следовательно, времени самотушения материалов после выключения системы вентиляции или снижения ее производительности. Время самотушения материалов необходимо при определении уровня опасных факторов пожара в гермоотсеке после тушения; оно обеспечивает подбор материалов, применение которых является пожаробезопасным для гермоотсеков.

Работа системы пожаротушения заключается в фиксировании пожарными извещателями (датчиками) появления продуктов горения (или разложения) материалов при возникновении пожароопасной ситуации, формировании по результатам анализа ситуации обобщенного сигнала и выдаче его в логический блок на управление системами вентиляции в гермоотсеке, например, в режимах полного выключения систем вентиляции в аварийном гермоотсеке на определенное время, перевода работы систем вентиляции в гермоотсеке на циклический режим (Патент России №2116092. «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Авторы Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. Приоритет 05.12.1995 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21.), снижении их производительности до уровня, соответствующего V_lim материалов, и прочее. Скорость вентиляционного потока после выключение систем вентиляции падает по естественной причине за счет вязкостной диссипации кинетической энергии движения газовой атмосферы. При достижении в данном месте гермоотсека скорости вентиляционного потока, равного значению V_lim горящего материала, происходит его самопроизвольное потухание. Использование данной системы пожаротушения сделало ненужным применение на станциях установок объемного пожаротушения с большой массой огнетушащих веществ, которые, как правило, являются вредными как для людей, так и для электронных элементов.

Возможность использования указанного принципа пожаротушения была подтверждена экспериментами на станции «Мир» (Иванов А.В., Алымов В.Ф., Смирнов А.Б., Мелихов А.С. и др. Предварительные результаты третьей серии экспериментов по исследованию горения неметаллических материалов на экспериментальной установке «Скорость» на борту орбитальной станции «Мир». Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, г.Кливленд, 18-20 мая 1999).

В зависимости от поставленных условий полета КЛА (беспилотные испытания, штатный полет с различным количеством людей и т.д.) концентрация кислорода в атмосфере гермоотсека может устанавливаться существенно различной: от 14-15% до 30-40%. Однако в любом случае система пожарообнаружения и пожаротушения, работа которой основана на снижении скорости вентиляционных потоков до значений V_lim материалов, бывает задействована. Поэтому для назначения временного режима работы системы пожаротушения необходимо знание времени, за которое происходит самопроизвольное потухание материалов. Это возможно при знании значений V_lim материалов.

На фиг.5 приведен график для определения времени самотушения любых неметаллических материалов после выключения системы вентиляции, в частности в гермоотсеках модулей PC МКС в зависимости от значения V_lim. Значения V_lim для ряда материалов, широко применяемых в гермоотсеках различных КЛА, и соответствующее время их самотушения (τ_ех) после выключения системы вентиляции в гермоотсеках, например в модулях PC MKC, при наиболее вероятной концентрации кислорода в их атмосфере, равной 30%, приведены в табл.1. Значения V_lim материалов по п.п.1-10, горящих в газофазном режиме, определены с помощью способа-прототипа (Патент №2116093 России «Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости». Авторы Мелихов А.С., Иванов А.В., Потякин В.И. Приоритет изобретения от 05.12.95 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21); значение V_lim.sm для шнура ШХБ 4-3,5 (горение в режиме тления) с помощью предлагаемого способа. Время самотушения материалов после выключения системы вентиляции определяется как время снижения скорости вентиляции до значений их V_lim, определенных в данном случае при С_ох=30%.

Для сравнения горючести материалов в обогащенной кислородом атмосфере в табл.1 приведены также значения C_lim - значения концентраций кислорода, ниже которых горение материалов не происходит.

Таблица 1
№ п/п	Наименование материала		Clim, %	Vlim, см/с при Сох=30%	τех, с
1.	Печатная плата с электронными элементами из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм		25,0	14,8	16,0
2.	Поливинилхлорид (трубка В-230) РТУ 6-05-919-63		22,0	9,9	25,4
3.	Поликарбонат ПК-ЛТ-10	ТУ 6-06-68-81	23,0	8,2	29,7
4.	Гетинакс-1	ГОСТ 2718-74	19,0	8,1	34,6
5.	Материал ABS (акрилбутилстирольная пластмасса) для корпусов электронных приборов		24,0	7,5	33,6
6.	Полистирол ударопрочный для корпусов электронных приборов		23,6	7,4	32,4
7.	Резина 2025 ТУ 38-105160-84		18,0	4,8	47,3
8.	Найлоновая ткань «Номекс»		23,0	4,7	48,2
9.	Полотно ПФО-1 ТУ 17-09-09-1306-82 (интерьерный материал. В модулях PC MKC приклеен к металлическим панелям)		26,0	4,2	51,6
10.	Шнур ШХБ 4-3,5 (хлопчатобумажный) ОСТ 17-184-78 (режим газофазного горения)		14,0	2,2	83,0
11.	Шнур ШХБ 4-3,5 (хлопчатобумажный) ОСТ 17-184-78 (режим тления; точка на линии 16 на фиг.2)		14,3	Vlim.sm=0,2 см/с	295,0

Из табл.1 видно: чем выше значения V_lim горящих материалов, тем быстрее прекращается пожар и наоборот.

На фиг.4 приведены зависимости предельной для тления материалов скорости потока от концентрации кислорода, определенные с помощью способа-прототипа на экспериментальной установке с плоской камерой сгорания. Здесь: 16 - шнур ШХБ 4-3,5; 17 - картон электротехнический ЭВ; 18 - натуральная кожа Чепрак; 19 - кремнийорганическая резина. Линия 20 - материал 16; линия 21 - материал 17; линия 22 - материал 18; линия 23 - материал 19 указывают значения предельных для горения этих материалов концентраций кислорода C_lim. При параметрах, лежащих ниже этих линий, горение каждого из этих материалов не может поддерживаться при любых скоростях газового потока как в невесомости, так и при наличии силы тяжести; выше этих линий - горение материалов возможно только при скоростях газового потока, превышающих значение V_lim.sm.

Для каждого тлеющего материала существует оптимальный диапазон значения С_ох, в котором режим тления устойчив. На некотором расстоянии от линий 20-23, указывающих значения предельных для горения каждого материала концентраций кислорода, тления материалов не происходят.

Видно, что при высоких концентрациях кислорода значения V_lim материалов невелики, а значит, что времена их самотушения будут значительными. Например, время самотушения хлопчатобумажного шнура ШХБ 4-3,5, у которого значение V_lim.sm при С_ох=30% равно 0,2 см/с, составляет 295 с, что намного (в данном случае в 5-18 раз) больше, чем у приведенных в табл.1 газофазногорящих материалов. Следует отметить еще одно важное обстоятельство, указывающее на высокую пожарную опасностью материалов, склонных к тлению. Газофазное (пламенное) горение шнура ШХБ 4-3,5 (см. табл.1) прекращается через 83 с после выключения системы вентиляции в гермоотсеке, когда скорость вентиляционного потока в месте горения достигает 2,2 см/с, но его горение в режиме тления будет продолжаться еще 212 с. Если при разработке системы пожаротушения для данного обитаемого гермоотсека включение системы вентиляции будет заложено через время, равное 83 с, когда пламенное горение уже прекратилось, то при увеличении скорости вентиляционного потока (после включения системы вентиляции) тление может опять перейти в пламенное горение, то есть в интенсивный пожар.

В табл.2 приведены значения V_lim.sm для шнура ШХБ 4-3,5, горящего в режиме тления, взятые из зависимости 16, приведенной на фиг.4, и значения времени самопроизвольного потухания шнура, определенного при различной концентрации кислорода в атмосфере гермоотсека модуля PC MKC по зависимости, приведенной на фиг.5.

Таблица 2
Концентрация кислорода в атмосфере, Сох, %	30	25	23	21	19	17	15,7	15	14,3
Значения Vlim.sm, см/с	0,2	0,3	0,34	0,36	0,4	0,6	1,6	3,2	8,3
Значения τех, с	295	240	230	224	210	173	100	64	30

Видно, что в зависимости от концентрации кислорода время самопроизвольного потухания шнура существенно меняется: от 30 с при С_ох=14,3% до 295 с при С_ох=30%, то есть в 10 раз для данного диапазона С_ох. Таким образом, для практической реализации нового подхода к тушению в атмосфере гермоотсека КЛА необходимы данные о значениях V_lim.sm в достаточно широком диапазоне концентрации кислорода.

Предложен способ определения нижнего предела тления материалов и горения их на поверхности по скорости газового потока для условий невесомости. Результаты исследований процессов горения, в том числе в обогащенной кислородом атмосфере, показали, что материалы, склонные к тлению, обладают особенно высокой пожарной опасностью. Определение значений V_lim.sm указанных материалов обеспечивает реализацию современных подходов к достижению высокого уровня пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА как в части предотвращения пожара, так и его тушения современными способами. Предложенный способ характеризуется простотой. Данное техническое решение важно для космонавтики, поскольку не требует для определения основного показателя пожарной опасности материалов, применяемых в обитаемых гермоотсеках КЛА, таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов на долговременных орбитальных станциях.

Claims (1)

1. Способ определения нижнего предела тления материалов и горения их на поверхности по скорости газового потока для условий невесомости, включающий снижение интенсивности естественной конвекции в плоской камере сгорания образца испытываемого материала до состояния, приближенного к условиям невесомости, за счет установления определенной высоты плоской камеры сгорания, в которой проводится испытание материала, при этом при заданных концентрации кислорода в газовой атмосфере и ее давлении определяют зависимость нижнего предела тления образца материала или его горения на поверхности по скорости потока от высоты камеры сгорания, а затем по точке перегиба построенной зависимости определяют нижний предел тления материала или его горения на поверхности по скорости потока для заданных параметров газовой атмосферы.

Images