УСТРОЙСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ГОРЮЧЕСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ ДЛЯ УСЛОВИЙ ОБИТАЕМЫХ ГЕРМООТСЕКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ИНОПЛАНЕТНЫХ СТАНЦИЙ
DEVICE FOR DETERMINATION FLAMMABILITY PARAMETERS OF STRUCTURAL NON-METAL MATERIALS DURING SPACE FLIGHT FOR CONDITIONS OF INHABITED PRESSURE COMPARTMENTS OF SPACECRAFTS AND PLANETARY STATIONS

Изобретение относится к обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов (далее - КЛА) и инопланетных станций (далее - ИС) как в части предотвращения возникновения в них пожаров, так и в части их тушения. Данное техническое решение предназначено для определения показателей, характеризующих пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов (далее - КНМ) и веществ в условиях обитаемых гермоотсеков модулей пилотируемых КЛА и сооружений, предназначенных для размещения на других планетах, имеющих ускорение силы тяжести, отличающееся от земного, а также для разработки способов и средств обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС.
Пожароопасные ситуации, имевшие место на ранней стадии осуществления космических полетов, а также в гермоотсеках другого назначения, поставили пожароопасность в обитаемых гермоотсеках КЛА в число основных опасных факторов космического полета (Безопасность космических полетов. Г.Т.Береговой и др. - М.: Машиностроение, 1977. - 263 с.). Повышенная пожарная опасность обитаемых гермоотсеков КЛА обусловлена сочетанием таких специфических факторов, как повышенная до 30-40% (здесь и далее % - объемные) концентрация кислорода (Сох) в рабочей атмосфере гермоотсеков, создающаяся при работе систем регенерации кислорода; использование большого количества КНМ, определяемое требованием снижения массы оборудования КЛА; большая насыщенность гермоотсеков электрооборудованием, элементы которого при отказах часто становились источниками пожара в обогащенной кислородом атмосфере (Накакуки А. / «Пожары и противопожарные мероприятия в камерах высокого давления и концентрации кислорода» // В журнале «Андзен Когаку». 1972, т.2, №5. - С.98-105. Перевод с японского, №Ц 21297. - 27 с.).
Большая часть из применяемых КНМ является горючей в обогащенной кислородом атмосфере. В обогащенной кислородом атмосфере при большом количестве материалов может существенно повышаться скорость развития пожара, что создает большие трудности при борьбе с ним. Экипажу КЛА практически невозможно оказать помощь снаружи при пожаре в гермоотсеках.
Пилотируемые и другие КЛА относятся к критически важным объектам, так как аварии, в том числе пожары в КЛА, могут нанести большой ущерб национальным интересам страны во многих сферах (ГОСТ Р 52551-2006 «Системы охраны и безопасности. Термины и определения»).
В настоящее время одной из основных задач космонавтики является создание космических баз, предназначенных к размещению на других планетах, и в первую очередь на Луне и на Марсе. Так, США планирует создание на Луне опорной базы для запуска пилотируемых космических кораблей на Марс (Яшлавский А. / Космическая одиссея 2015 // В газете «Московский комсомолец» от 16 января 2004 г.). Отмечается высокая стоимость сооружения инопланетных баз. Аналогичные проекты прорабатываются в разных странах с развивающейся космонавтикой и, естественно, в России. При разработке проектов остро встают проблемы обеспечения безопасности людей при их проживании и проведении работ на инопланетных базах. Обслуживающий персонал будет пребывать в обитаемых гермоотсеках, например, спутника Земли длительное время. Одной из проблем в данном случае является обеспечение высоконадежной и низкозатратной пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков модулей инопланетных баз.
Известные традиционные способы не пригодны для обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС на экономически целесообразном уровне.
Использование подхода, который заключается в применении материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере, несмотря на определенные успехи в этой области (Жевлаков А.Ф. и др. / «О влиянии состава полимерного материала на способность его к горению» // Экспресс-информация: Пожарная опасность веществ и материалов, Сер.1, вып.85 - М.: ВНИИПО, 1976. - С.1-9), оказалось крайне дорогостоящим и не обеспечило многообразные потребности космонавтики в конструкционных материалах с необходимыми физико-механическими свойствами.
Использование подхода, который заключается в применении традиционных средств тушения пожара с помощью практически всех известных огнетушащих веществ, также оказалось неприемлемым в связи со следующими обстоятельствами. Применение огнетушащего вещества в обитаемом гермоотсеке в период эксплуатации на Земле, на орбите и на другой планете, само по себе, независимо от масштаба пожара, является аварийной ситуацией, которая может привести к срыву программы полета и гибели обитаемого гермоотсека и КЛА в целом из-за загрязнения атмосферы гермоотсека и оборудования. В частности, в случае объемного пожаротушения (инертными газами, хладонами, углекислотой) атмосфера гермоотсека нуждается в очистке или замене, и для продолжения эксплуатации КЛА необходимо иметь в гермоотсеках мощные фильтры или запасы азота и кислорода.
3
3
С увеличением концентрации кислорода в атмосфере во много раз возрастает необходимый запас огнетушащего вещества (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. / «Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами» // В сборнике «Вопросы горения и тушения полимерных материалов». М.: 1989, с.74-83). Так, для объемного тушения многих материалов при концентрации кислорода в атмосфере, равной 40%, необходимо свыше 1 кг шестифтористой серы на 1 м объема гермоотсека. Оценки показали, что для гермоотсека объемом 80 м масса установки объемного пожаротушения может составить 200-250 кг. Доставка только на околоземную орбиту 1 кг оборудования стоит сейчас не менее 20000 долларов. Стоимость доставки грузов на другую планету несоизмеримо больше.
Данные обстоятельства вызывают необходимость разработки нетрадиционных, высоконадежных, экономичных и экологичных способов и средств обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС с учетом специфики их устройства и условий эксплуатации.
Исследования в области обеспечения пожарной безопасности и опыт внедрения их результатов показали, что эффективное, с минимальными материальными затратами, обеспечение пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков в космическом объекте и на инопланетной станции может быть реализовано только на основе изучения процессов горения с учетом влияния основных факторов, характерных для эксплуатации обитаемых гермоотсеков в космосе и на других планетах: ускорения силы тяжести (g), концентрации кислорода в атмосфере и др.
Обеспечение пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и инопланетных станций может быть основано на выполнении следующих условий пожаробезопасности:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>g</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>K</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>o</mi><mi>x</mi><mo>.</mo><mi>m</mi></mrow></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>K</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>g</mi><mrow><mi>p</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>K</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>g</mi><mrow><mi>g</mi><mi>o</mi></mrow></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
lim.g
ox.m
lim.c
pl
go
s
2
2
2
где C - предел горения материалов по концентрации кислорода при данном ускорении силы тяжести, %; C - максимально возможная (проектная) концентрация кислорода в атмосфере ГО, %; g - нижний предел горения материалов по ускорению силы тяжести при данной концентрации кислорода, см/с; g - ускорение силы тяжести на данной планете, см/с; g - максимально возможное ускорение силы тяжести в обитаемом гермоотсеке КЛА, см/с; K - коэффициент безопасности.
Условия (1-3) обеспечивают подбор материалов, негорючих при данных концентрации кислорода и ускорении силы тяжести в обитаемых гермоотсеках КЛА и инопланетных станций и тушения загораний в обитаемых гермоотсеках.
lim.c
lim.c
ох
lim.c
ох
Выполнение условий (1-3) для любого материала в разных обитаемых гермоотсеках может быть установлено по значению g при знании зависимости g от С. Пример зависимости g от С для некоторых материалов приведен в работе (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).
lim.g
Выполнение условия (1) для данного материала может быть достигнуто путем определения по указанной зависимости значения показателя горючести данного материала (C) и сравнения его с максимально возможной концентрацией кислорода в атмосфере гермоотсека.
lim.c
Выполнение условий (2, 3) для материала может быть достигнуто путем определения по указанным зависимостям значению g и сравнения его с ускорением силы тяжести на данной планете или с максимально возможным значением ускорения силы тяжести в обитаемом гермоотсеке КЛА при маневрах или в режиме искусственной тяжести.
lim.c
lim.g
lim.с
Наличие существования новых показателей горючести материалов g, C, а также необходимое при разработке данного устройства значение V, было установлено целенаправленными исследованиями процесса горения при действии основных факторов космического полета: величины ускорения силы тяжести (в том числе состояния невесомости (при g=0)), концентрации кислорода в атмосфере, скорости вентиляционного потока (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).
Это способствовало разработке нетрадиционных эффективных способов обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС (патент Российской Федерации №2116092 «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Приоритет изобретения от 05.12.1995. Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. Опубликован 27.07.1998. Бюл. №21; патент Росийской Федерации №2284204 «Способ пожаротушения в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете в режиме искусственной тяжести». Приоритет изобретения от 09.04.2004. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Болодьян И.А. Опубликован 27.09.2006. Бюл. №27 (1 ч.); патент Российской Федерации 2306965. «Способ противопожарной защиты обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Приоритет изобретения от 24.10.2005. Автор: Мелихов А.С. Опубликован 27.09.2007. Бюл. №27; патент Российской Федерации №2319528 «Способ обеспечения пожарной безопасности герметичных отсеков жилых модулей космических баз на Луне». Приоритет изобретения от 17.04.2006. Авторы: Копылов Н.П., Болодьян И.А., Мелихов А.С. Опубликован 20.03.2008. Бюл. №8).
Данные разработки представляют новую технологию в обеспечении пожарной безопасности космической техники. Она легла в основу обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков российских КЛА, в том числе корабля «Союз» и модулей космической станции (КС) «Мир» и российского сегмента международной космической станции (PC MKC). Способы основаны на выполнении условий пожаробезопасности (1-3).
Для дальнейшего развития новой технологии необходимо совершенствование средств определения показателей горючести КНМ для условий обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС.
lim.c
ох
Очевидно, что наиболее важным для выполнения базовых условий пожаробезопасности применения материалов и веществ в обитаемых гермоотсеках КЛА и ИС (1-3) и установления условий тушения в них является определение предельной для горения материалов и веществ зависимости - значения g от С.
lim.g
lim.g
lim.g
Известны устройства для определения показателей пожарной опасности веществ и материалов при различных концентрациях кислорода в атмосфере. В работе (Предельные условия газофазного горения полимерных материалов при вибрации. / Калинкин В.И. и др. // Физика горения и взрыва. 1989, №4. - С.47-49) описано устройство для определения предела горения материалов по концентрации кислорода (C) при земном ускорении силы тяжести и вибрационных перегрузках. Устройство включает в себя цилиндрическую камеру сгорания, которая была вертикально установлена на вибрационном столе. Образец испытываемого материала закрепляется в камере сгорания с помощью держателя, так чтобы оси симметрии камеры сгорания и образца совпадали. Снизу в камеру сгорания от смесителя подавалась газовая смесь с заданными расходом и концентрацией кислорода. В качестве источника зажигания образца использовалась газовая горелка, питаемая горючим газом из баллона. Для определения значения C в камере сгорания создавался газовый поток с некоторой исходной концентрацией кислорода. Если после зажигания наблюдалось устойчивое горение образца материала, то в следующем опыте концентрацию кислорода в смеси снижали. Таким образом последовательно находили предельную для горения концентрацию кислорода, ниже которой устойчивое горение материала становилось невозможным - C.
lim.c
2
С помощью представленного устройства нельзя даже приближенно определить нижний предел горения материалов по ускорению силы тяжести - значение g, так как опыты в данном случае можно проводить только при ускорении силы тяжести Земли, равном 981 см/с, и при вибрационных перегрузках.
lim.c
ох
lim.c
lim.c
При решении вопроса обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке КЛА в условиях орбитального полета (патент Российской Федерации №2284204 «Способ пожаротушения в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете в режиме искусственной тяжести». МПК А62С 3/08, B64G 9/00. Приоритет изобретения от 09.04.2004. Заявка №2004110913/12. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Болодьян И.А. Опубл. 27.09.2006. Бюл. №27 (1 ч.)) для ряда различных материалов были определены зависимости значения g от С. Работа выполнялась на модифицированной экспериментальной установке (ЭУ), устройство которой описано в работе (О предельных режимах горения полимеров в отсутствии свободной конвекции. / Мелихов А.С., Потякин В.И., Рыжов A.M., Иванов Б.А. // Физика горения и взрыва. №4, 1983, - С.27-30). Различное ускорение силы тяжести, действующее на горящий образец материала, достигалось за счет вращения камеры сгорания с образцом с разной угловой скоростью при помощи центрифуги, находящейся в контейнере свободнопадающей системы. Время невесомости в свободнопадающей системе ограничено. Поэтому с помощью такого устройства можно было определить значения g, для узкого круга материалов с малым временем тепловой релаксации зоны горения - для таких, например, как материалы, горящие в газовой фазе без твердого остатка. Для определения g материалов, образующих коксовый остаток при горении, способ с коротким периодом невесомости оказался непригодным, так как время охлаждения зоны горения у этих материалов составляет несколько минут и за короткое время падения (невесомости) их потухание не достигается.
lim.с
Значения показателей пожарной опасности материалов могут определяться в экспериментах на орбитальной станции. В 1994-1998 гг. на КС «Мир» космонавтами было проведено три серии экспериментов по изучению предельных условиях горения и тушения материалов при длительной невесомости в орбитальном полете. Для этого была создана и установлена в гермоотсеке модуля «Квант» КС «Мир» ЭУ «Скорость». ЭУ «Скорость» представляла собой небольшую аэродинамическую трубу, в камере сгорания которой сечением 80×150 мм с помощью газовсасывающего агрегата создавался равномерный поток обогащенной кислородом газовой среды с заданной скоростью: от 0,3 до 20 см/с. Испытываемый образец материала устанавливался в камере сгорания с помощью держателя, так чтобы оси симметрии камеры сгорания и образца совпадали. Для зажигания образцов с торца использовалась нихромовая спираль, нагреваемая электрическим током (A.V.Ivanov, V.Ph.Alymov, A.B.Smirnov, A.S.Melikhov, I.A.Bolodyan, V.I.Potyakin et al. // Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In «Skorost» Apparatus On The Space Station «Mir». // Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999). Изучались такие показатели пожарной опасности, как: нижний предел горения материалов по скорости потока в невесомости (V); скорость распространения пламени по материалу; скорость выгорания материала, размеры пламени при разной скорости газового потока и концентрации кислорода. Опыты проводились с материалами с существенно отличающимися физико-химическими свойствами: непластифицированное органическое стекло, хлопчатобумажный шнур, стеклотекстолит СФ-1-35Г, плавящиеся при горении материалы - полиацетал, полиэтилен, пластифицированое органическое стекло.
Проведенные исследования предельных условий горения и тушения материалов в невесомости позволили получить уникальные данные, определяющие в настоящее время ход развития новой технологии обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА.
lim.c
В то же время с помощью представленной ЭУ «Скорость» нельзя определять показатель горючести материалов g, так как конструкция данной ЭУ не обеспечивает возможность проведения опытов при различных ускорениях силы тяжести.
lim.c
lim.c
Наиболее близким аналогом, взятым в качестве прототипа при разработке данного технического решения, принято устройство, представленное патентом (патент Российской Федерации №2284206. «Устройство по определению показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций». МПК А62С 39/00. Приоритет изобретения от 09.04.2004. Заявка №2004110915/12. Авторы: Мелихов А.С., Иванов A.B., Ермак А.Л. Опубликована 27.09.2006. Бюл. №27). Данное устройство предназначено для определения показателя горючести материалов g при действии силы земного притяжения. Возможность определения показателя g с помощью этого устройства обеспечена тем, что в плоской камере сгорания устройства путем обоснованного ограничения ее высоты предотвращено возникновение естественно-конвективного движения рабочей газовой среды под действием силы земного притяжения. При уменьшении высоты плоской камеры сгорания снижается число Грасгофа и процесс тепломассопередачи становится эквивалентным кондуктивному (молекулярному) (Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. -М.: «Наука». 1972. - 392 с.).
k
lim.c
Камера сгорания с установленным в ней образцом размещена в контейнере центрифуги с плоскостью вращения, перпендикулярной вектору силы тяжести Земли. Высота камеры сгорания (h) в направлении вектора силы тяжести Земли при определении показателя g в атмосфере, в которой предполагается использовать материал, устанавливается исходя из соотношения:
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>o</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>0,25</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>0,65</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ох
en
0
где С - объемная доля кислорода в газовой среде; Р=P/P - безразмерное давление среды;
en
0
P - давление среды при проведении опыта, МПа; Р - атмосферное давление среды, МПа.
Соотношение (4) найдено в результате обработки данных, полученных в опытах в свободнопадающей системе и в результате анализа картины горения образцов материалов в плоской камере сгорания с определением условий, когда естественно-конвективное движение рабочей газовой среды, побуждаемое силой тяжести Земли, перестает деформировать пламя, сформированное естественно-конвективными потоками, образованным действием центробежного ускорения.
ох
lim
lim.c
Устройство работает в соответствии со следующей методикой. В камере сгорания закреплялся образец испытываемого материала. В контейнере создавалась азотно-кислородная среда с заданными С и Р. Включалась центрифуга, электроспиралью зажигался образец. Далее горение протекало под действием естественно-конвективного потока газовой среды, возникшего в зоне горения под действием центробежного ускорения, создаваемого при вращении центрифуги. В серии опытов определялось предельное для горения данного материала значение угловой скорости, ниже которой горение образца материала не происходило - ω. Значение g рассчитывалось как сумма векторов центробежного и кориолисова ускорений:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>g</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>g</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>g</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Центробежное ускорение определялось по формуле:
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ω</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi><mo>.</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
lim.c
c
где ω - угловая скорость вращения центрифуги, при которой наблюдается предельный режим горения данного материала с последующим его потуханием, 1/с; R - радиус вращения зоны горения образца, м.
Кориолисово ускорение определялось по формуле:
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>k</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
lim.c
где V - скорость продуктов горения в зоне пламени на пределе горения, принятая равной значению предельной для горения материала скорости газового потока в невесомости (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).
Примечание. В российских публикациях применяют термин «невесомость» (Космонавтика. Энциклопедия. - М:. «Советская энциклопедия». 1985. - 527 с); в зарубежных публикациях - термин «микрогравитация».
lim.g
lim.c
lim.c
Очевидно, что необходимо точное знание показателей пожарной опасности материалов C, g и V, так как их значения определяют условия предотвращения возможности саморазвивающегося горения материалов, а также возможность и время их тушения при пожаре в обитаемых гермоотсеках, например, способами по представленным выше патентам Российской Федерации №2116092, №2284204, №2306965, №2319528.
Устройство - прототип не в полной мере обеспечивает эти требования.
k
Для создания условий в плоской камере сгорания устройства-прототипа, максимально приближенных к невесомости, при которых возможно проведение опытов с горением при малых ускорениях силы тяжести, высота камеры сгорания (h) в опыте должна быть ограничена величиной, определяемой из соотношения (4).
lim.c
Исследования, проведенные с разными материалами показали, что устройство-прототип по патенту Российской Федерации №2284206 с достаточной достоверностью позволяет определять показатели пожарной опасности материалов, в том числе значение g, только для материалов, у которых пламя расположено около поверхности образца материала и имеет размер по вертикали, меньший, чем значение h^, определенное из соотношения (4). К такому классу относятся стеклопластики, стеклотекстолиты и другие композиционные материалы.
lim.c
lim.c
lim.c
ох
ох
lim.c
ох
На фиг.1 показано сравнение высоты плоской камеры сгорания 1 и размера высокотемпературной зоны пламени 3 при горении образца 2 стеклопластика ВПС-7 В ОСТ92-0956-74, в условиях, когда процесс горения протекает на пределе, то есть при ускорении силы тяжести, практически равном значению g. В этих условиях пламя не касается стенок камеры сгорания и поэтому стенки практически не влияют на определяемое значение g. В этой связи, например, у композиционных материалов наблюдается хорошее соответствие между пределами горения, полученными в плоской камере сгорания и в истинной длительной невесомости. Из фиг.2 видно, что у стеклотекстолита СФ-1-35Г ГОСТ 10316-78 значение V, определенное при С=21,5% в плоской камере сгорания с размерами поперечного сечения, равными 7×150 мм (точка в зависимости 4 при С=21,5%), близко к значению V, полученному при той же С, на борту КС «Мир» в ЭУ «Скорость», имеющей камеру сгорания с размерами поперечного сечения, равными 80×150 мм (точка 5) (A.V.Ivanov, V.Ph.Alymov, A.B.Smirnov et al. / Study of Materials Combustion Processes in Microgravity. - Proceedings of the Joint Tenth European and Sixth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity. / St. Petersburg, June 15-21, 1997. Moscow, 1997, vol.1, pp.401-408).
k
lim.c
k
k
lim.c
Основная часть КНМ, горящих без твердого остатка, имеет при горении в обогащенной кислородом атмосфере размер поперечного сечения высокотемпературной зоны пламени, особенно на пределе горения образца, когда скорость естественного или вынужденного газового потока, поддерживающая горение, минимальна, значительно больший, чем у композиционных материалов. На фиг.3 показано горение образца 6 плавящегося полиэтилена в околопредельных условиях в ЭУ «Скорость» на борту КС «Мир». Продукты пиролиза материала максимально отходят от поверхности образовавшейся капли 7 материала и поперечный размер пламени 8 может намного превышать значение h, найденное по формуле (4) для определения значения g в устройстве-прототипе. Высокотемпературная зона пламени при диаметре 16 мм не касается стенок камеры сгорания ЭУ «Скорость». На фиг.4 показано горение образца 10 плавящегося полиацетала в околопредельных условиях плоской камеры сгорания 9, входящей в устройство-прототип. Видно, что стенки плоской камеры сгорания не дают реализовать все естественные размеры пламени 12, то есть тушат внешнюю часть пламени, диаметр поперечного сечения которого в открытом пространстве намного превышает значение h, найденное по формуле (4). Из схемы на фиг.5 видно, что при горении образца 14 в плоской камере сгорания 13 высотой h, найденной по формуле (4), не реализуются все естественные размеры пламени 15, как это происходит, например, условиях в ЭУ «Скорость». Размеры пламени в плоской камере сгорания 13 ограничены. В плоской камере сгорания может существовать только центральная часть пламени (фиг.4 и фиг.5), от которой к образцу передается существенно меньший тепловой поток, чем тепловой поток, передаваемый от пламени полного размера. В этой связи в плоской камере сгорания могут быть получены существенно завышенные значения определяемого предела горения g, по сравнению с истинными.
lim.c
Это является основным недостатком устройства для определения пределов горения материалов g по патенту Российской Федерации №2284206, который может приводить к некорректной разработке мер по обеспечению пожарной безопасности гермоотсеков и оборудования, применяемого в них.
Недостатком устройства-прототипа является также то, что в устройстве с плоской камерой сгорания затруднено или невозможно определение предельных для горения параметров для материалов, плавящихся при горении. Проведенные исследования показали, что при горении таких материалов достаточно быстро увеличивается диаметр капли расплава. На фиг.4 видно, что капля 11 расплавленного «полиацетала», достигшая диаметра 6,5 мм, начинает провисать под действием ускорения силы тяжести Земли. Поскольку диаметр капли увеличивается, то ее поверхность через некоторое время касается горизонтальной стенки плоской камеры. При касании стенки капля расплывается по ней и поэтому резко изменяется характер процесса горения материала. В этих условиях предельные для горения материала показатели корректно определены быть не могут из-за повышенных потерь тепла из зоны горения в стенку камеры сгорания и из-за нарушения условий обтекания образца газовым потоком. Такие условия горения не соответствуют условиям в открытом пространстве гермоотсека КЛА в космическом полете (в невесомости).
В невесомости (A.V.Ivanov, V.Ph.Alymov, A.B.Smirnov, A.S.Melikhov, I.A.Bolodyan, V.I.Potyakin et al. // Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In «Skorost» Apparatus On The Space Station «Mir». // Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999) капля расплавленного материала ведет себя по-иному. На фиг.3. видно, что в невесомости растущая капля 7 полиэтилена диаметром длиной 18 мм и диаметром 9 мм остается расположенной на торце образца 6, соосно с ним. При этом диаметр пламени 8 в поперечнике достиг в данном случае 16 мм и не произошло искажения его формы, во время горения образца оно остается симметричным относительно оси образца. В экспериментах не наблюдалось касания пламени со стенками камеры сгорания ЭУ «Скорость».
lim.c
Таким образом, можно констатировать, что значение нижнего предела горения по ускорению силы тяжести g может быть корректно определено только в обитаемом гермоотсеке КЛА в орбитальном полете на ЭУ с камерой сгорания, имеющей минимальный размер поперечного сечения, исключающий касание высокотемпературной зоной пламени стенок камеры сгорания.
По данным, полученным в ЭУ «Скорость» на борту КС «Мир», и данным работы (Мелихов А.С., Потякин В.И., Фланкин Е.В. Предельные условия горения полимеров при пониженных давлениях // Физика горения и взрыва. 1982, №3. - С.44-47) минимальный размер поперечного сечения камеры сгорания при испытании образцов материалов с размерами, близкими к характерным размерам реальных конструкционных элементов для обитаемых гермоотсеков КЛА, должен быть не менее 80 мм.
Техническим результатом изобретения является разработка устройства для определения показателей горючести конструкционных неметаллических материалов, необходимых при разработке способов и средств обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС и оборудования для них, как в части предотвращения возникновения пожаров, так и их тушения. С учетом анализа современного состояния вопроса разрабатываемое устройство предназначено для определения нижнего предела горения материалов по ускорению силы тяжести в зависимости от концентрации кислорода в атмосфере гермоотсека КЛА в условиях космического полета, в которых исключается погрешность определения показателей горючести на недопустимом уровне.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве по определению показателей горючести конструкционных неметаллических материалов в космическом полете для условий обитаемых герметичных отсеков космических летательных аппаратов и инопланетных станций, содержащем центрифугу с размещенной в ней камерой сгорания образца испытываемого материала, согласно изобретению смежно с камерой сгорания, выполненной в виде цилиндра, размещена дополнительная емкость с рабочей газовой средой, при этом камера сгорания с двух концов соединена с дополнительной емкостью проемами для прохода рабочей газовой среды при образовании замкнутого контура ее движения, побуждаемого естественной конвекцией, возникающей при нагревании газовой среды от горящего образца испытываемого материала, под действием центробежного ускорения силы тяжести, создаваемого в опыте за счет вращения центрифуги, камера сгорания и дополнительная емкость оснащены пластинчатыми теплообменниками, один из которых расположен в камере сгорания между осью вращения центрифуги и образцом испытываемого материала, а другой - в дополнительной емкости между осью вращения центрифуги и выходом рабочей газовой среды из камеры сгорания, проем со стороны входа рабочей газовой среды в камеру сгорания закрыт сеткой из негорючего материала с низким гидравлическим сопротивлением, проемы между камерой сгорания и дополнительной емкостью с каждого конца камеры сгорания выполнены с площадями в просвете, не меньшими, чем площадь поперечного сечения камеры сгорания в зоне расположения образца испытываемого материала.
Устройство для определения в космическом полете показателей горючести КНМ для условий обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС и его работоспособность поясняются следующими чертежами.
ох
lim
k
На фиг.1 показано горение образца стеклопластика ВПС-7В в околопредельных условиях в плоской камере сгорания устройства-прототипа: 1 - плоская камера сгорания; 2 - образец материала; 3 - пламя. Зона пламени при горении образца ВПС-7В не касается стенок плоской камеры сгорания. На фиг.2 на примере стеклотекстолита СФ-1-35Г показано сравнение предельных для горения параметров для условий невесомости, определенных при С=21,5%: 4 - в плоской камере сгорания; 5 - в ЭУ «Скорость» на борту КС «Мир». Определенные значения пределов горения - значений V - близки. На фиг.3 показано горение образца плавящегося материала - полиэтилена - в околопредельных условиях в ЭУ «Скорость» на борту КС «Мир»: 6 - образец материала; 7 - капля расплавленного материала; 8 - пламя. Высокотемпературная зона пламени не касается стенок камеры сгорания ЭУ «Скорость». На фиг.4 показано горение на пределе образца плавящегося материала - полиацетала: 9 - плоская камера сгорания; 10 - образец материала; 11 - капля расплавленного материала; 12 - пламя. На фиг.5 показано взаимодействие пламени при горении образца с горизонтальными стенками плоской камеры сгорания при размере высокотемпературной зоны пламени, большем рабочей высоты плоской камеры сгорания h: 13 - плоская камера сгорания; 14 - образец материала; 15 - пламя на пределе горения в невесомости вне плоской камеры сгорания; 16 - пламя на пределе горения в плоской камере сгорания. На фиг.6 и 7 показаны горизонтальный и вертикальный разрезы устройства для определения в космическом полете показателей горючести КНМ для условий обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС: 17 - вращающаяся часть центрифуги; 18 - кронштейн для крепления центрифуги в обитаемом гермоотсеке КЛА для эксплуатации; 19 - камера сгорания образца испытываемого материала; 20 - дополнительная емкость; 21 - образец испытываемого материала; 22 - часть камеры сгорания, в которой сжигается образец материала; 23 - пластинчатый теплообменник в камере сгорания; 24 - часть камеры сгорания для отвода рабочей газовой среды из теплообменника 23 в дополнительную емкость 20; 25 - штанга для ввода образца в камеру сгорания; 26 - направляющий канал для штанги для ввода образца; 27 - пластинчатый теплообменник в дополнительной емкости; 28 - проем из камеры сгорания в дополнительную емкость; 29 - проем из дополнительной емкости в камеру сгорания; 30 - сетка, стабилизирующая газовый поток, входящий в камеру сгорания; 31 - электроспираль зажигания образца; 32 - основной электромагнитный привод для подачи электроспирали в рабочее положение; 33 - шток для подачи электроспирали; 34 - резервный электромагнитный привод для подачи дублирующей электроспирали в рабочее положение; 35 - видеокамера для фиксации процесса горения и потухания образца; 36 - зеркало; 37 - веб-камера для показа и фиксации процесса горения компьютером КЛА; 38 - электропривод центрифуги с регулятором скорости вращения центрифуги; 39 - блок скользящих контактов; 40 - штуцер для подключения системы заполнения камеры сгорания и дополнительной емкости газовой средой с заданной концентрацией кислорода.
lim.c
ох
lim
2
На фиг.8 приведены зависимости g от С для: органического стекла СО-120 (линия 41), поливинилхлорида (ПВХ) (линия 42), гетинакса (линия 43), найденные с помощью устройства-прототипа, и значения C для этих материалов, определенные при g=981 см/с(линии 44, 45, 46), ускорения силы тяжести на Луне и на Марсе (линии 47 и 48).
Данное изобретение основано на результатах исследования авторами предельных условий горения материалов в невесомости и в области малых ускорений силы тяжести, в том числе в условиях орбитального полета на КС «Мир» (О предельных режимах горения полимеров в отсутствии свободной конвекции. / Мелихов А.С., Потякин В.И., Рыжов A.M., Иванов Б.А. // Физика горения и взрыва. 1983, №4. - С.27-30; 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).
lim
lim.c
lim.c
Проведенные исследования показали, что горение материалов невесомости (при g=0) без вынужденного потока газовой среды прекращается. Но существует предельная для горения скорость газового потока V, выше которой горение материала при g=0 становится возможным. Такое положение обусловлено тем, что при g=0 молекулярная диффузия не обеспечивает окислителем течение реакций горения. С увеличением от нуля ускорения силы тяжести из-за разности плотностей газовой среды в зоне горения возникает естественно-конвективное движение среды, которое при определенной интенсивности становится достаточным для поддержания процесса горения - оно создает поток, адекватный вынужденному потоку с околопредельной для горения скоростью (g). Таким образом, были выявлены предпосылки для существования предельного для горения ускорения (g); которые были подтверждены экспериментальными исследованиями (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).
lim.c
ох
На фиг.6 и 7 показаны горизонтальный и вертикальный разрезы устройства для определения в космическом полете показателя горючести g KHM и веществ при разных значениях С. Устройство представляет собой центрифугу 17, включающую в себя цилиндрическую камеру сгорания 19 образца испытываемого материала 21, сопряженную соосно с дополнительной емкостью 20. Камера сгорания 19 и дополнительная емкость 20 установлены на кронштейне 18 для крепления центрифуги в обитаемом гермоотсеке КЛА для эксплуатации. Камера сгорания 19 включает в себя часть 22, в которой сжигается образец испытываемого материала 21, и часть 24 для отвода нагретой газовой среды с продуктами горения из теплообменника 23 в дополнительную емкость 20. В дополнительной емкости 20 размещен теплообменник 27. Камера сгорания 19 с двух концов соединена с дополнительной емкостью 20 проемами 28 и 29 для обеспечения возможности образования замкнутого контура движения рабочей газовой среды, побуждаемого естественной конвекцией, возникающей при горении образца испытываемого материала под действием центробежного ускорения силы тяжести созданного в опыте за счет вращения центрифуги. Проем со стороны входа рабочей газовой среды в камеру сгорания закрыт сеткой 30 с низким гидравлическим сопротивлением из негорючего материала. Площади проемов между камерой сгорания и дополнительной емкостью выполняются в свету не меньшими, чем площадь поперечного сечения части 22 камеры сгорания. Для зажигания предусмотрена электроспираль 31, которая с помощью электромагнитного привода 32 и штока 33 из исходного положения по сигналу перемещается к торцу образца. Для точной установки образца в рабочее положение и точного подведения электроспирали к торцу образца штанга 25 вводится по направляющему каналу 26. Для повышения надежности эксплуатации устройства предусмотрен резервный электромагнитный привод 34. Для фиксации процесса горения и потухания образца в процессе вращения центрифуги используется видеокамера 35 с зеркалом 36. Для наблюдения за процессом воспламенения, горения и потухания образца и соответствующего оперативного ручного управления центрифугой используется веб-камера 37, изображение с которой представляется на экране бортового компьютера КЛА и фиксируется им. Вращение центрифуги и регулирование скорости ее вращения обеспечивается электроприводом 38, соединенным с системой и пультом управления вращением блока «камера сгорания - дополнительная емкость» центрифуги. Все электроцепи подводятся к центрифуге через блок скользящих контактов 39. Для подключения блока «камера сгорания - дополнительная емкость» к системе заполнения его газовой средой с заданной концентрацией кислорода служит штуцер 40 с закрывающимся отверстием. К штуцеру 40 подключен трубопровод для вакуумирования блока «камера сгорания - дополнительная емкость».
lim
ох
Определение значения g при данной С выполняется по следующей методике.
В камеру сгорания устанавливался образец материала. Блок «камера сгорания - дополнительная емкость» вакуумируется. Из баллонов с азотом и кислородом с помощью смесительного устройства в блоке создается азотно-кислородная среда с заданной концентрацией кислорода при заданном давлении.
Проведение космических экспериментов является дорогостоящим мероприятием. При этом проведение космических экспериментов по изучению процесса горения в условиях обитаемого гермоотсека КЛА в орбитальном полете является также потенциально пожароопасным. Стоимость экспериментов и пожарные риски при их проведении зависят как от конструкции устройства, так и от числа экспериментов, которые необходимо провести для выполнения космической программы с достаточно высоким практическим и научным результатом.
Обеспечение проведения космических экспериментов с низким пожарным риском достигается выполнением требований пожаробезопасной технологии проведения работ в обитаемых гермоотсеках КЛА, например по патенту (патент Российской Федерация №2116092 «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Приоритет изобретения от 05.12.1995 г., Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В., Опубликован 27.07.98 г., Бюл. №21).
lim.c
ох
Для обеспечения минимально возможной стоимости выполнения космической программы с применением представляемого устройства следует на устройстве-прототипе определить ориентировочно зависимость g от С исследуемого материала. Такие зависимости для ряда материалов приведены на фиг.8. Затем с помощью пульта системы управления скоростью вращения блока «камера сгорания - дополнительная емкость» центрифуги установить команду на запуск центрифуги, начиная с определенного значения ω.
ох
lim.c
ох
lim.c
ох
lim.c
ох
lim.c
c
c
lim.c
lim.c
ох
lim.c
ox
2
2
Начальное значение ω для данного исследуемого материала при данном значении С можно найти с помощью определенной зависимости g от С для данного исследуемого материала. Например, ожидаемое значение g для поливинилхлорида при С, равной 30%, согласно зависимости g от С, приведенной на фиг.8, равно 100 см/с. С учетом оцененной максимальной погрешности определения данной величины с помощью устройства-прототипа, равной не менее 50%, опыт по определению g на представляемом устройстве следует начать с запуска центрифуги для создания начального g, равного 150 см/с, что при R=260 мм соответствует угловой скорости вращения центрифуги, равной 2,41/с. После приведения центрифуги во вращение с начальной угловой скоростью следует сразу включить привод 32 для подведения электроспирали 31 к образцу материала. Контроль за зажиганием и горением образца материала следует вести по изображению на экране бортового компьютера КЛА, передаваемого веб-камерой 37. При возникновении устойчивого горения образца следует сразу начать снижать угловую скорость вращения центрифуги со скоростью 0,01 радиан/с за секунду. В момент потухания образца материала следует зафиксировать значение угловой скорости вращения центрифуги ω. Это значение угловой скорости следует использовать при определении значения g при данной С. Для определения значения g следует провести 3 параллельных опыта при данной C.
lim.c
Значение g, найденное в каждом опыте, следует определять по формуле (5).
Центробежное ускорение следует определять по формуле (6).
Кориолисово ускорение следует определять по формуле (7).
lim.c
ох
В таблице в качестве примера даны значения составляющих, рассчитанных при определении значения g для поливинилхлорида при С, равной 30%.
ω<sub>lim.c</sub>, 1/с
g<sub>cen</sub>, см/с<sup>2</sup>
V<sub>lim</sub>, см/с
g<sub>kor</sub>, см/с<sup>2</sup>
g<sub>lim.c</sub>, см/с<sup>2</sup>
2,11
115,7
12,0
50,6
126
lim.c
ох,
lim.c
ох
Определив значения g при разных С строится зависимость значения g от С для практического применения при обеспечении пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС.
2
2
lim.c
ох
Кориолисово ускорение в опытах несколько меняет направление суммарного вектора центробежного и кориолисова ускорений, равного 126 см/с, которое определяется в опыте. Это не может существенно влиять на определяемое значение g при данном С, так как горение протекает именно при суммарном g, равном 126 см/с.
Суть процессов, происходящих в представляемом устройстве при определении показателей горючести материалов в космическом полете, иллюстрируется следующими примерами.
lim.c
n
lim.g
ox.m
lim.c
2
2
Если космическому летательному аппарату, имеющему обитаемый гермоотсек, придать в орбитальном полете (в невесомости) вращение для осуществления данного технологического процесса по определению значения g, то предметы будут прижиматься центробежного силой, равной по величине центростремительной силе и обратной ей по направлению (Китайгородский А.И. Введение в физику. § 5. Изд-во «Наука». 1973). При этом условия, начиная с g=3 м/с, будут примерно подобны земным (Артюхин Ю.П. и др. / Системы управления космических аппаратов, стабилизированных вращением // М.: «Наука», 1979. - 100 с.). Человек сможет ходить по гермоотсеку, а материалы, имеющие C≥C, будут устойчиво гореть в зонах, где ускорение будет превышать некоторые значения, при которых эффективные скорости газового потока, возникшие при естественной конвекции в зоне пламени, в среднем будут превышать нижние пределы горения материалов по скорости потока в невесомости (V), которые существенно разные для каждого материала - от 0,3 до 15 см/с(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).
Если постепенно снижать скорость вращения КЛА, то при некотором ускорении силы тяжести в зоне горения образец материала потухнет. При достаточно точном знании ускорения силы тяжести в зоне горения это значение ускорения можно принимать за нижний предел горения по ускорению силы тяжести данного материала при данной концентрация кислорода в атмосфере. Это значение ускорения можно использовать для оценок пожарной опасности материалов в обитаемых гермоотсеках модулей, расположенных на других планетах, имеющих ускорение силы тяжести, отличающееся от земного, и определять условия тушения материалов и веществ (патент Российской Федерации №2306965 «Способ противопожарной защиты обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Приоритет изобретения от 24.10.2005. Автор: Мелихов А.С.Опубликован 27.09.2007 г,.Бюл. №27; патент Российской Федерации №2319528 «Способ обеспечения пожарной безопасности герметичных отсеков жилых модулей космических баз на Луне». Приоритет изобретения от 17.04.2006. Авторы: Копылов Н.П., Болодьян И.А., Мелихов А.С., Опубликован 20.03.2008, Бюл.№8).
lim.c
Аналогично протекает процесс в зоне расположения образца испытываемого материала в камере сгорания представляемого устройства. При этом для снижения погрешности определения значения g, конструкция устройства должна обеспечивать существование заданного значения g в месте размещения образца материала и замкнутого контура движения рабочей газовой среды в устройстве, исключающего локальное накопление продуктов горения образца материала.
Замкнутый контур движения рабочей газовой среды в устройстве образуется за счет следующей компоновки устройства.
В камере сгорания и в дополнительной емкости размещены пластинчатые теплообменники, представляющие в поле центробежного ускорения своеобразные насосы. Их действие осуществляется вследствие разной температуры в массе газовой среды, что обеспечивает разную плотность среды. За счет центробежного ускорения, действующего на данную среду, происходит ее перемещение в устройстве.
Пластинчатые теплообменники выполнены из цилиндрических элементов, размещенных друг от друга на расстояниях 6-7 мм. При этом обеспечивается ламинарное движение газовой среды в образованных каналах и исключающих движение охлаждающегося газа навстречу нагретому газу (Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. - М.: «Наука». 1972. - 392 с.).
lim.с
lim.c
lim.c
В условиях, приближенных к пределам горения V и g, (g - значение, определяемое с помощью предлагаемого устройства) скорости газовых потоков в зоне горения (в области вокруг пламени) малы (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). Они составляют 0,3-15 см/с. Продукты пиролиза материала отходят от поверхности материала практически с такими же скоростями. Поэтому нагретый пламенем газ занимает все сечение камеры сгорания непосредственно около очага горения - в нескольких сантиметрах от его. Результат получен из решения системы уравнений в приближении Прандтля (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: «Наука». 1987. - 840 с.).
Нагретый газ заполняет все сечение камеры сгорания в зоне 22 до теплообменника и в начале самого теплообменника, проходя между пластинами и отдавая им тепло. Естественно - конвективный поток движется к оси вращения.
Последовательность и механизм газодинамических процессов в устройстве, протекающих при горении образца материала в камере сгорания устройства, следующие.
Эксперименты показали, что, если камеру сгорания с теплообменником установить вертикально в поле ускорения силы тяжести Земли, то после загорания образца образуется струя газовой смеси воздуха и продуктов горения, поднимающаяся вверх.
Следует отметить, что в условиях представляемого устройства выбросу смеси из теплообменника 23 в зону 24 камеры сгорания будет препятствовать, естественно, конвективный поток, перемещающийся в зоне 24 к оси вращения за счет действия центробежной ускорения, т.к. полностью охладить газовую смесь воздуха и продуктов горения в теплообменнике 23 не представляется возможным (из-за наличия «недорекуперации» в процессе теплообмена в теплообменнике).
Для определения возможности перехода газа из частей 22 и 23 камеры сгорания и возникновения в дальнейшем замкнутого контура движения рабочей газовой среды в устройстве следует определить значения чисел Грасгофа в частях 23 и 24, разделенных плоскостью, проходящей по оси вращения, во время вращения камеры сгорания. Таким образом можно сравнить относительную эффективность подъемных сил, вызывающих свободно-конвективное движение газовых сред в обеих частях камеры сгорания вдоль ее оси. Чем больше число Грасгофа, тем выше скорость газового потока, побуждаемого естественной конвекцией.
Число Грасгофа может быть определено по формуле из книги (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: «Наука», 1964. - 847 с., с.320):
<mrow><mi>G</mi><mi>r</mi><mo>=</mo><msub><mi>g</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>n</mi><mo>.</mo><mi>lim</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>β</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mi>w</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>/</mo><msubsup><mi>ν</mi><mi>g</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>g</mi><mrow><mi>c</mi><mi>e</mi><mi>n</mi><mo>.</mo><mi>lim</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>l</mi><mi>w</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>T</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>ν</mi><mi>g</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
cen.lim
w
0
w
0
w
g
w
w
2
2
где g - центробежное ускорение в зоне горения, близкое к предельному для горения, устанавливаемое при проведении опыта, см/с; ΔТ=T-Т - перепад (разница) температур в зонах 22 и 23, К; T - температура среды после ее нагревания при зажигании образца испытываемого материала электроспиралью и горении образца, К; Т - температура окружающей среды, К; l - характерный размер области нагретой газовой среды, см; ν - кинематическая вязкость среды при T, см/с; β=1/T - температурный коэффициент объемного расширения для газов, 1/К. Центробежное ускорение определялось по формуле (6).
lim
ох.m
Значения чисел Грасгофа в частях 33 и 44 камеры сгорания определялись для случая сжигания образцов поливинилхлорида, широко используемого в обитаемых гермоотсеках космических КЛА, имеющего значение C, равное 20%, и значение теплоты сгорания, равное 17 кДж/г. Значения чисел Грасгофа определялись для режима сжигании образцов ПВХ в газовой среде, соответствующей атмосфере обитаемых гермоотсеков модулей PC MKC, т.е. в азотно-кислородной атмосфере с концентрацией кислорода (С), равной 25% (Справочник пользователя. Российский сегмент MKC. ОАО РКК «Энергия» имени С.П.Королева. URL: http://www.energia.ru/ru/iss/researches/iss_rs_guide.pdf).
w
Температура газовой среды в рабочем участке камеры сгорания, которая достигалась после зажигании образца ПВХ электроспиралью и нагревания среды электроспиралью и в процессе горении образца (значение T), определялась из соотношения для теплового баланса для камеры сгорания:
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
sp
fl
w
lim.c
s
p
3
2
где W, W - тепловые мощности электроспирали и горящего образца; W; ρ - плотность газовой среды, г/см; V- нижний предел горения материала по скорости потока - значение скорости газового потока при естественно-конвективном или вынужденном движении газов, выше которого происходит горение данного материала (как при наличии силы тяжести, так и в невесомости), см/с; S - площадь поперечного сечения рабочего участка камеры сгорания, см; c - теплоемкость газовой среды, Дж/(г К).
w
Значение T определялось по формуле:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>w</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>s</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>lim</mi><mo>.</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>c</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>}</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
w
p
w
методом последовательных приближений при использовании значений ρ, и c, которые принимались равными значениям при очередном получаемом значении температуры T. За искомое значение температуры Tw принималась температура, при которой выполнялось соотношение для теплового баланса (9).
w
p
g
w
Значения ρ и c, а также значение µ для оценок значений Gr с использованием величины ν=µ/ρ, взяты из справочника (Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. «Наука». М.: 1972. - 721 с.).
lim
cen.lim
ох.m
lim
cen.lim
sp
fl
2
Значения V и g для оценок значений Gr определялись по методикам, представленным в работах (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; патент Российской Федерации №2284206 «Устройство по определению показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций». Приоритет изобретения от 09.04.2004. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Ермак А.Л. Опубликован 27.09.2006 г., Бюл. №27). При С, равной 25%, полученное значение V для поливинилхлорида равно 12 см/с. Значение g для поливинилхлорида принято равным 170 см/с. Значение W было принято равным 20 W, а значение W найдено равным 100 W. Диаметр рабочего участка камеры сгорания, где находится образец материала, принят равным 80 мм.
w
22
Расчеты по формулам (8) и (10) для части 22 камеры сгорания при горении в ней образца ПВХ дали следующие результаты: T=599 К; Gr=185268.
cen.lim
Сделан расчет значения числа Gr для части 24 камеры сгорания. Диаметр части 24 камеры сгорания принят равным 40 мм. Оценки показали, что, например, в теплообменнике (8) длиной 200 мм, состоящем из медных пластин толщиной 1 мм, расположенных друг от друга на расстоянии 6 мм, рабочая газовая среда во время горения образца ПВХ может охладиться до с 599 К до 313 К. Тогда значение числа Gr для точки в части 24 камеры сгорания, расположенной симметрично электроспирали и образца, составит величину 3476. В данном случае это в 53 раза меньше, чем для аналогичной точки в части 22 камеры сгорания, где находится образец материала. Таким образом, относительная эффективность подъемной силы, вызываемой свободно-конвективным движением среды, в частях 22 и 23 камеры сгорания существенно выше, чем в части 24 камеры сгорания. В этой связи на выходе из теплообменника 23 формируется газовая струя, истечение которой создает определенное разрежение в полости 22 камеры сгорания. Поэтому сюда поступает газовая среда из дополнительной емкости через проем с сетками 30. Поскольку горение образца материала происходит непрерывно (до потухания образца при достижении g), также непрерывно происходит движение газовой среды по замкнутому контуру. Движению газовой среды по замкнутому контуру способствует ускорение движения в теплообменнике 27, расположенном в дополнительной емкости, из-за неполного остывания газовой среды в теплообменнике 23.
Таким образом, с учетом результатов расчетов, замкнутый контур движения рабочей газовой среды в устройстве образуется за счет реализации следующих процессов. Газовая среда после ее нагревания при зажигании образца испытываемого материала спиралью и при горении образца за счет естественно-конвективного движения проходит в пластинчатый теплообменник 23 и максимально нагревает пластины в зоне, наиболее удаленной от оси вращения центрифуги. В этой связи в теплообменнике 23 возникают тяга и движение рабочей газовой среды. Естественно-конвективный поток, перемещающийся в зоне 24 к оси вращения, не может препятствовать выбросу рабочей газовой среды из теплообменника 23, так как интенсивность движения рабочей газовой среды в зоне 24 несравненно меньше, чем интенсивность движения газовой среды при выбросе ее из теплообменника 23. Учитывая, что скорости движения газовой среды и сопротивление движению из-за больших поперечных сечений емкостей в устройстве малы, постоянно существующее разрежение в полости 22 камеры сгорания обеспечивает непрерывное существование замкнутого контура движения рабочей газовой среды в устройстве. Поступившая холодная газовая среда нагревается в рабочем участке 22 камеры сгорания, и процесс движения рабочей газовой среды продолжается. Поскольку процессы протекают в невесомости, ориентация устройства не играет в движении газовой среды никакой роли, все определяет наличие центробежного ускорения в зоне с неоднородным полем температур.
lim.c
ох
lim
2
Использование возможных приемов, направленных на оценку пожарную опасность материалов в условиях обитаемых гермоотсеков КЛА и ИС и на разработку мер по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков можно проиллюстрировать на примере данных, полученных на устройствах - аналогах. На фиг.8 приведены зависимости g от С для органического стекла СО-120 (линия 41), поливинилхлорида (линия 42), гетинакса (линия 43) и значения C для этих материалов, определенные при g=981 см/с (линии 44, 45, 46), которые равны соответственно 15, 5, 19, 20%.
pl
pl
2
2
По зависимостям можно определить, при каких концентрациях кислорода гермоотсеков возможно горение этих материалов в модулях, размещенных на Луне (g=162 см/с) и на Марсе (g=376 см/с) (линии 47 и 48 на фиг.8). Из фиг.8 видно, что у указанных материалов пределы горения по концентрации кислорода на Луне составляют 17%, 25, 5%, 33%, а на Марсе 16%, 22%, 24% соответственно. Таким образом, горючие на Земле в среде воздуха поливинилхлорид и гетинакс на Луне, на Марсе, является негорючими при концентрации кислорода 21%.
pl
pl
2
2
Значение для планет легче Земли (g<981 см/с) должно определяться по нижнему пределу горения по ускорению силы тяжести; а для планет тяжелее Земли (g>981 см/с) - по верхнему пределу (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 отличительным признаком в заявляемом изобретении является использование в центрифуге смежно с камерой сгорания дополнительной емкости с рабочей газовой средой, при этом камера сгорания с двух концов соединена с дополнительной емкостью проемами с образованием замкнутого контура движения газовой среды, побуждаемого естественной конвекцией, возникающей при горении образца испытываемого материала под действием центробежного ускорения силы тяжести созданного в опыте за счет вращения центрифуги, камера сгорания и дополнительная емкость оснащены пластинчатыми теплообменниками, один из которых расположен в камере сгорания между осью вращения центрифуги и образцом испытываемого материала, а другой - в дополнительной емкости между осью вращения центрифуги и выходом рабочей газовой среды из камеры сгорания. Использование изобретения позволяет с минимальными материальными затратами получать достоверную информацию о горючести материалов в условиях обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов и инопланетных станций. Определенные с помощью предлагаемого технического решения данные позволяют обоснованно разрабатывать меры по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков, размещаемых на других планетах и в космосе. Альтернативные устройства для этого в настоящее время отсутствуют.
Патент Российской Федерации №2284206 «Устройство по определению показателя горючести материалов для условий обитаемых помещений космических аппаратов и инопланетных станций. МПК А62С 39/00. Приоритет изобретения от 09.04.2004 г., Заявка №2004110915/12. Авторы: Мелихов А.С., Иванов А.В., Ермак А.Л., Опубликован 27.09.2006 г., Бюл. №27).