СПОСОБ ВЫТЕСНЕНИЯ РАСТВОРА ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗ ОГНЕТУШИТЕЛЯ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF EXTRACTING FOAMING AGENT SOLUTION FROM FIRE EXTINGUISHER FOR SPACECRAFT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к переносным водопенным огнетушителям, преимущественно для обитаемых космических летательных аппаратов (КЛА).
Обитаемые КЛА относятся к объектам повышенной пожарной опасности вследствие наличия кислородообогащенной атмосферы, а также большого количества потенциальных источников зажигания (электроприборы, оборудование, электрические проводники и т.д.) и горючих, в основном полимерных материалов (изоляционные и отделочные покрытия, одежда, постельные принадлежности).
В настоящее время отечественные КЛА оснащены переносными водопенными огнетушителями (S.N. Kopylov, N.V. Smirnov, L.T. Tanklevsky. Fire extinguishers for manned spacecraft, Original Research Article, Acta Astronautica, Volume 109, April-May 2015, Pages 225-230; Алексеев B.A., Зайцев C.H., Мелихов A.C., Иванов А.В. Особенности пожаротушения в обитаемых гермоотсеках космических станций в период орбитального полета. 2002, №3 (28) - М.: ЦНИИМАШ, с. 145-154).
Первый отечественный огнетушитель для КЛА закачного типа ОКР-1 содержит баллон, в котором размещена резиновая емкость с раствором пенообразователя. Для пожаротушения оператор открывает клапан на рукоятке, при этом давление азота в баллоне сжимает резиновую емкость и передавливает раствор к распылителю малогабаритного пеногенератора. Одновременно газ подается в пену с целью повышения ее огнетушащей способности.
Новый огнетушитель для КЛА получил название ОСП-4 (S.N. Kopylov, N.V. Smirnov, L.T. Tanklevsky. Fire extinguishers for manned spacecraft, Original Research Article, Acta Astronautica, Volume 109, April-May 2015, Pages 225-230; Алексеев B.A., Зайцев C.H., Мелихов A.C., Иванов А.В. Особенности пожаротушения в обитаемых гермоотсеках космических станций в период орбитального полета. 2002, №3 (28). - М.: ЦНИИМАШ, с. 145-154). Огнетушитель содержит 2,5 л водного раствора пенообразователя. Газ-вытеснитель содержится в отдельной емкости (колбе), которая разгерметизируется в момент снятия огнетушителя с быстросъемного держателя оригинальной конструкции. Вытеснение раствора из баллона осуществляется поршнем. Насадка огнетушителя содержит подвижную вставку, перемещение которой приводит к изменению режима подачи раствора с пенного на струйный и обратно.
Огнетушитель ОСП-4 эксплуатировался на космических орбитальных станциях типа «Салют» и «Мир», он применялся для тушения наиболее известного пожара в космосе, который произошел на станции «Мир» 23 февраля 1997 года. В настоящее время огнетушитель ОСП-4 входит в состав многомодульной международной космической станции.
Известны способы вытеснения раствора пенообразователя из огнетушителя для КЛА, а также конструкции указанных огнетушителей.
Техническая проблема способа вытеснения раствора в условиях отсутствия гравитации заключается в том, что поверхность раздела жидкости и газа в баллоне имеет неопределенную форму. Поэтому разделение фаз газ-жидкость в огнетушителях осуществляют с помощью подвижного конструктивного элемента, через который передают давление на раствор.
Реализация способа вытеснения раствора через подвижный конструктивный элемент приводит к существенному повышению массы огнетушителя, усложнению его конструкции и снижению надежности применения.
Известны изделия, в которых применен способ вытеснения жидкости давлением газа через конструктивный элемент, последний обеспечивает раздел жидкостной и газовой фаз и выполнен подвижным в виде:
- резиновой емкости с раствором пенообразователя в баллоне цилиндрической формы (Патент RU 2158153 от 13.07.1999, A62C 13/68, опубл. 27.10.2000);
- сильфона с раствором пенообразователя в баллоне цилиндрической формы (Авторское свидетельство СССР №971360 от 25.05.1981, A62C 13/24, опубл. 07.11.1982 бюл. №41).
Эти огнетушители закачного типа, то есть раствор пенообразователя и конструктивный элемент постоянно находятся под избыточным давлением газа-вытеснителя.
Известен огнетушитель с раздельным хранением газа-вытеснителя (Авторское свидетельство СССР №641968, A62C 13/46, опубл. 15.01.1979. бюл. №2) в цилиндрическом баллоне, где подвижный конструктивный элемент выполнен в виде П-образного поршня, закрытого крышкой со стороны днища цилиндрического баллона и снабженного ломкими заглушками. Поршень, закрытый крышкой, используется как баллон для газа-вытеснителя.
Известно устройство повышенной герметичности для вытеснения текучей среды (Патент RU 2493892 от 29.10.2008, A62C 13/66, опубл. 27.09.2013, бюл. №27), которое содержит цилиндрический баллон, разделенный поршнем на две полости (газовую и жидкостную). При этом источником газа-вытеснителя является пиротехнический газогенератор.
Недостатком устройств является наличие подвижного конструктивного элемента (т.е. резиновой емкости или сильфона с узлами их крепления, а также поршня). Это усложняет конструкцию огнетушителя, снижает надежность его работы и повышает вес.
Замена эластичного конструктивного элемента на поршень существенно повышает массу огнетушителя, а необходимость обеспечить цилиндрическую форму полости баллона для перемещения поршня приводит к дополнительному повышению толщины стенок баллона. Кроме того, баллон цилиндрической формы имеет массу существенно выше, чем баллон сферической формы при равной вместимости и давлении.
Масса огнетушителя в условиях космических полетов имеет весьма большое значение.
Отмеченные технические решения обеспечивают вытеснение из баллона раствора, а для пожаротушения необходимо преобразовать раствор в струю капель или пены, для чего необходимо применить распылитель и (или) пеногенератор.
Предлагаемый способ в зависимости от характеристик пожарной нагрузки КЛА позволяет подать пену, полученную в баллоне и вытесняемую собственным давлением:
- в виде струи указанной пены без преобразования (в аналогах вытесняется раствор для преобразования на распылителе и (или) пеногенераторе), что позволяет упростить конструкцию огнетушителя и уменьшить его вес;
- в виде струи мелкодисперсных капель при преобразовании на распылителе (двухфазный газоводяной поток пены в распылителе обеспечивает улучшение дисперсности капель, при этом газ улучшает доставку капель к очагу пожара);
- в виде пены с повышением ее кратности при преобразовании на эжекционном пеногенераторе (более мелкие капли и газ улучшают эжекцию, что позволяет получить пену необходимой более высокой кратности).
Известно устройство пожаротушения (Патент RU 2407570 C2, A62C 13/72 от 28.12.2006, опубл. 27.12.2010, бюл. №36), которое принято за прототип. Устройство содержит цилиндрический баллон, в котором размещен поршень с возможностью осевого перемещения. Поршень разделяет объем баллона на две части - жидкостную и газовую. Источником газа-вытеснителя является малогабаритный баллон, который расположен внутри баллона с огнетушащей жидкостью. При этом наружная поверхность малогабаритного баллона является направляющей для перемещения поршня.
При обнаружении пожара производят вскрытие герметизирующего элемента баллона с газом-вытеснителем. Последний поступает в газовую полость под поршень, что обеспечивает наддув устройства и, при перемещении поршня, вытеснение и подачу жидкости на очаг пожара.
Недостатком прототипа является наличие подвижного элемента (поршня), который перемещается по двум направляющим цилиндрическим поверхностям (внутренней поверхности цилиндрического баллона и наружной поверхности малогабаритного баллона). Такое решение существенно усложняет конструкцию устройства и повышает его массу. Кроме этого, применение баллона цилиндрической формы увеличивает массу огнетушителя. Оптимальным решением для уменьшения массы баллона являются шар-баллон или тор-баллон.
Целью изобретения является создание нового способа вытеснения раствора пенообразователя из баллона огнетушителя для КЛА без применения подвижного конструктивного элемента, который обеспечивал разделение жидкостной и газовой фаз в условиях невесомости, а также различные варианты подачи вытесненного огнетушащего вещества на пожар при улучшении эффективности пожаротушения и (или) упрощении конструкции и уменьшении массы огнетушителя.
Целью изобретения является также новая конструкция огнетушителя для реализации указанного способа, которая позволит уменьшить массу огнетушителя при одновременном повышении надежности работы за счет исключения подвижного конструктивного элемента.
Сущность заявляемого способа вытеснения раствора пенообразователя из баллона огнетушителя для КЛА заключается в том, что в способе вытеснения раствора пенообразователя из огнетушителя для космических летательных аппаратов, заключающемся в воздействии давления газа-вытеснителя на раствор пенообразователя через подвижный конструктивный элемент, который обеспечивает разделение фаз газ-жидкость, при этом газ-вытеснитель и раствор хранятся раздельно, согласно изобретению вытеснение раствора осуществляют без применения подвижного конструктивного элемента под действием давления газа в газонаполненной пене, а последнюю образуют в баллоне огнетушителя путем перемешивания и вспенивания раствора струей и (или) струями газа-вытеснителя перед подачей раствора из баллона.
При этом вытеснение раствора осуществляется без применения подвижного конструктивного элемента.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что в огнетушителе, содержащем баллон с раствором пенообразователя, источник газа-вытеснителя и средство запуска для подачи газа-вытеснителя в баллон с раствором пенообразователя, запорный орган для подачи раствора пенообразователя на пожар, распылитель и (или) пеногенератор, согласно изобретению баллон огнетушителя с раствором пенообразователя имеет шаровую форму, а отверстие и (или) отверстия для подачи газа-вытеснителя в баллон с раствором пенообразователя расположены в одной из полусфер баллона и ориентированы так, что струя и (или) струи газа-вытеснителя направлены вдоль внутренней поверхности шара.
Реализация указанных целей позволит повысить надежность работы огнетушителя за счет исключения подвижного элемента и узлов его крепления, а также применения баллона сферической формы. Последнее обеспечивает интенсивное смешивание фаз газ-жидкость, при этом упрощается конструкция огнетушителя и существенно уменьшается его масса.
В условиях отсутствия гравитации перемешивание жидкости газом происходит очень интенсивно без существенных затрат энергии, а также специальных устройств, т.к. вес жидкости приближается к нулю.
2
Полученная в баллоне газонаполненная пена под давлением в условиях отсутствия гравитации обладает высокой стойкостью (т.е. не разрушается длительное время), т.к. разрушение пены в обычных условиях связано прежде всего со стоком жидкости из пленок пены под действием силы тяжести (Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983. - 264 с). При этом для повышения огнетушащей эффективности в качестве газа-вытеснителя применяют огнетушащий газ (азот, CO и т.п.).
Реализация указанного способа позволяет подавать на очаг пожара вытесненную из баллона газонаполненную пену:
2
2
а) без применения дополнительного пеногенератора или иного устройства. Применение в качестве газа-вытеснителя огнетушащего газа (например, азота, CO и т.п.) повышает эффективность пожаротушения, т.к. огнетушащий газ содержится в каждом пузырьке пены. Огнетушащий газ-вытеснитель изменяет концентрацию кислорода несущественно и потому не оказывает влияние на безопасность людей в КЛА: количество газа-вытеснителя невелико, а CO поглощается системой регенерации атмосферы КЛА;
б) в виде струи пены более высокой кратности, если направить вспененный поток через распылитель пеногенератора. На выходе из распылителя пузырьки пены разрушаются и образуется капельный мелкодисперсный поток, т.к. образующийся при разрушении пузырьков газ способствует получению капель малого диаметра. Уменьшение диаметра капель и наличие газового потока позволяет увеличить эжекцию воздуха в пеногенераторе обычной конструкции, что приводит к существенному повышению кратности пены по сравнению с подачей на распылитель жидкости без газа. При этом в составе пузырьков пены сохранится часть огнетушащего газа-вытеснителя;
в) в виде струи мелкодисперсных капель раствора пенообразователя при подаче из распылителя;
г) комбинация вариантов подачи пены по пунктам б) и в). Для этого следует использовать комбинированный ствол (Авторское свидетельство СССР 1618428 от 08.09. 1990, А62С 31/12, опубл. 07.01.91, бюл. №1) или универсальный насадок (S.N. Kopylov, N.V. Smirnov, L.T. Tanklevsky. Fire extinguishers for manned spacecraft, Original Research Article, Acta Astronautica, Volume 109, April-May 2015, Pages 225-230; Алексеев B.A., Зайцев C.H., Мелихов A.C., Иванов А.В. Особенности пожаротушения в обитаемых гермоотсеках космических станций в период орбитального полета. 2002, №3 (28). - М.: ЦНИИМАШ, с. 145-154).
Последние два решения позволяют оператору переключать режим подачи огнетушащего веществ со струйного (капельного) на пенный и обратно. Новым решением является преобразование газонаполненной пены под давлением в поток капель или пены более высокой кратности.
В зависимости от условий горения и тушения пожара, пожарной опасности объекта защиты (КЛА) и его конструктивных особенностей могут применяться любые варианты подачи огнетушащего вещества на очаг пожара, указанные выше (т.е. газонаполненная пена, распыленный раствор и (или) пена повышенной кратности).
Устройство огнетушителя для реализации указанного способа позволяет применить баллон сферической формы, который не содержит подвижный конструктивный элемент для разделения жидкостной и газовой фазы в баллоне, а также не содержит узлы его крепления в баллоне. Отсутствие конструктивного элемента с узлом крепления, а также сферическая форма баллона с раствором позволяют существенно уменьшить массогабаритные характеристики баллона и огнетушителя в целом. Отсутствие подвижного элемента повышает надежность применения и упрощает конструкцию. Кроме того, сферическая форма баллона обеспечивает более равномерное перемешивание двух фаз струями газа-вытеснителя и получение пены, характеристики которой приближаются к монодисперсной. Известно, что монодисперсная пена более эффективна для пожаротушения, чем полидисперсная (Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983. - 264 с.).
Для улучшения равномерности перемешивания струи газа следует подавать в одну полусферу баллона вдоль внутренней поверхности (т.е. тангенциально). Такая подача струй обеспечивает передачу максимального вращающего момента силы, обеспечивая наиболее интенсивный конвективный поток для перемешивания фаз.
Баллон с газом-вытеснителем может быть расположен как снаружи шар-баллона с раствором, так и внутри него.
Возможно также вместо баллона с газом-вытеснителем применить пиротехнический газогенератор. Такое решение дополнительно упростит конструкцию огнетушителя и позволит уменьшить его вес.
На фиг. 1 представлено заявляемое устройство, общий вид в разрезе. При этом баллон с газом-вытеснителем расположен снаружи баллона с раствором пенообразователя, а подача пены из шар-баллона производится без использования дополнительного распылителя или пеногенератора.
На фиг. 2 представлен разрез заглушки шар-баллона в зоне размещения отверстий для подачи газа-вытеснителя.
На фиг. 3 представлен вариант огнетушителя, общий вид с частичным разрезом шар-баллона в месте размещения баллона с газом-вытеснителем. При этом баллон с газом-вытеснителем расположен внутри баллона с раствором пенообразователя, а подача огнетушащего вещества производится через трубопровод и универсальный насадок, который содержит распылитель и пеногенератор с подвижной вставкой для переключения подачи огнетушащего вещества со струйного режима на пенный и обратно.
Огнетушитель (фиг. 1) содержит баллон 1, который выполнен в форме шара с упрочнением стеклопластиком, при этом баллон содержит раствор пенообразователя. Баллон 2 с газом-вытеснителем выполнен в форме тора, размещен над шар-баллоном 1 и прижат к нему скобой 3. Штуцер 4 тор-баллона 2 содержит мембрану, над которой размещен ударник 5 с ножом и пружиной, который удерживается чекой 6. Канал для выхода газа-вытеснителя из тор-баллона 2 сообщается с выпускными отверстиями (отверстием) 11 в заглушке 7 шар-баллона 1. При этом выпускные отверстия 11 для газа-вытеснителя (фиг. 2, разрез А-А) расположены в одной из полусфер шар-баллона 1 и ориентированы так, что истечение струй (струи) газа осуществляется вдоль внутренней поверхности шара (т.е. тангенциально). В заглушке 7 выполнен также канал для выхода пены из шар-баллона под собственным давлением и последующей подачи пены через клапан 8 в трубопровод 9.
Огнетушитель применяют следующим образом.
При обнаружении пожара оператор КЛА снимает огнетушитель с кронштейна (не показан), при этом удаляется чека 6 и подпружиненный ударник 5 ножом разрушает мембрану в штуцере 4 баллона с газом-вытеснителем 2. Газ-вытеснитель через канал для выхода газа, соединенный с заглушкой 7, и, далее, через выпускные отверстия (отверстие) 11 в заглушке поступает в одну из полусфер шар-бал она 1 (фиг. 2). Струи газа интенсивно перемешивают раствор пенообразователя и смешиваются с ним. Высокая интенсивность перемешивания обеспечивается отсутствием гравитации, т.к. при этом масса раствора приближается к нулю.
Полученная пена в условиях отсутствия гравитации длительное время не разрушается, т.к. разрушение пены осуществляется преимущественно в результате стока жидкости под действием сил тяжести.
Таким образом, баллон 1 наполняется газонаполненной пеной под собственным давлением.
После приближения к очагу пожара оператор нажимает на пусковую скобу 10, при этом открывается клапан 8 и пена из шар-баллона 1 под собственным давлением поступает в трубопровод 9 и далее на тушение.
Подача пены на пожаротушение может осуществляться непосредственно из трубопровода 9 в виде струи газонаполненной пены (фиг. 1). Кроме того, при подключении к трубопроводу 9 распылителя и (или) пеногенератора возможно получение пены более высокой кратности и (или) распыленного раствора, а также комбинации этих огнетушащих веществ (фиг. 3).
Баллон с газом-вытеснителем 2 может быть также размещен внутри шар-баллона 1 (фиг. 3), а универсальный насадок 12 с клапаном 8 с пусковой скобой 10 подключен к заглушке 7 через трубопровод 9. При удалении чеки 6 ударник с ножом (на фиг. 3 не показан) вскрывает мембрану баллона 2 и газ-вытеснитель через выпускные отверстия 11 поступает в шар-баллон 1, где смешивается с раствором пенообразователя и образует пену под давлением.
Для тушения пожара оператор нажимает пусковую скобу 10 клапана 8 и подает огнетушащее вещество на пожар:
- в виде распыленного раствора, если вставка насадка прижата к распылителю насадка (подача раствора производится через отверстие в сетке пеногенератора);
- в виде пены, если вставка с сеткой выдвинута из насадка.
Предложенный способ позволяет вытеснить раствор пенообразователя из баллона огнетушителя в условиях КЛА без применения подвижного конструктивного элемента для раздела фаз газ-жидкость в условиях невесомости, что позволяет уменьшить массу огнетушителя и повысить надежность его работы. Способ обеспечивает вытеснение раствора из баллона в виде газонаполненной пены, что позволяет применять ее на пожаротушение в виде нескольких вариантов: непосредственно (без преобразования), в виде струи мелкодисперсных капель с газом-вытеснителем и (или) в виде струи пены более высокой кратности, чем получена в баллоне и подается без пеногенератора. Каждый вариант имеет свои достоинства по сравнению с аналогами и прототипом.
Конструкция огнетушителя позволяет обеспечить интенсивное перемешивание и смешивание раствора и газа в условиях невесомости, а также вытеснять (подавать) на пожаротушение высокоэффективную пену, наполненную огнетушащим газом.
Применение баллона шаровой формы позволяет существенно уменьшить массу огнетушителя. При этом шаровая форма баллона обеспечивает более равномерное перемешивание раствора и газа с минимальными затратами энергии, последнее дополнительно интенсифицирует процесс.
В результате применения нового способа и устройства для его осуществления упрощается конструкция огнетушителя и повышается надежность его работы, при этом существенно уменьшается масса огнетушителя.