Способ предотвращения возникновения пожара в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности космических летательных аппаратов и может быть использовано при разработке технических решений по предотвращению возникновения пожаров в обитаемых гермоотсеках как долговременных орбитальных станций, так и транспортных космических кораблей в период орбитального полета. Изобретение основано на установленных закономерностях воспламенения и горения материалов в невесомости. Способ состоит в том, что детали бортового электрооборудования, находящиеся в сильно токонагружаемых цепях, размещают на элементах конструкций гермоотсека из горючих материалов в пожаробезопасных зонах, ограниченных по периферии пожарозащитными зонами, ширина которых, начиная от кромок элементов, обдуваемых вентиляционным потоком, определяется из приведенного соотношения:

где 1zf1 - ширина периферийной пожарозащитной зоны на элементе конструкции, см; Δzf1 - расстояние от поверхности материала до эквидистантой поверхности над ним, между которыми находится источник зажигания, см; Vvf - скорость вентиляционного потока, обдувающего элемент из данного материала, см/с; Vlim.i - предельная для воспламенения материала скорость газового потока в невесомости при данной концентрации кислорода, см/с; νg - коэффициент кинематической вязкости газовой атмосферы в гермоотсеке, см2/с. Изобретение обеспечивает исключение возможности воспламенения материалов в орбитальном полете в случае появления источников, возникших при отказах в сильно токонагружаемых элементах электрооборудования при штатной работе системы ветиляции в гермоотсеке космического летательного аппарата. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности космических летательных аппаратов (далее КЛА) и может быть использовано при разработке технических решений по предотвращению возникновения пожаров в обитаемых гермоотсеках как долговременных орбитальных станций, так и транспортных космических кораблей в период орбитального полета.

Имевшие место ранее пожароопасные ситуации в обитаемых гермоотсеках КЛА различного назначения поставили пожароопасность для этих изделий в число основных опасных факторов космического полета (Г.Т.Береговой, А.А.Тищенко, Г.П.Шибанов, В.И.Ярополов. Безопасность космических полетов. - М.: "Машиностроение", 1977. - 263 с.).

Повышенная пожарная опасность обитаемых гермоотсеков КЛА обусловлена влиянием целого ряда специфических факторов устройства и эксплуатации этих изделий. В гермоотсеках КЛА используется атмосфера со значительно повышенной (до 30-40% объемных) концентрацией кислорода (Сох). Выполнение требований по снижению массы элементов оборудования для гермоотсеков КЛА приводит к использованию в них большого количества конструкционных неметаллических материалов (КНМ). Именно применение КНМ в сочетании с обогащенной кислородом атмосферой создает высокий потенциальный уровень пожарной опасности в обитаемых гермоотсеках. В обитаемых гермоотсеках КЛА используется разнообразное электрооборудование, элементы которого при отказах, даже при малых токах в них, могут являться источником пожара в обогащенной кислородом атмосфере. Гермоотсеки снабжены системой вентиляции, обеспечивающей движение газовых потоков в них со скоростью до 4050 см/с. Вентиляционный поток обеспечивает устойчивое горение материалов в невесомости и в обогащенной кислородом среде может способствовать быстрому развитию пожара в гермоотсеке. Экипаж в гермоотсеках крайне уязвим для пожара вследствие быстрого повышения температуры атмосферы и ее отравления продуктами горения материалов. Автономность КЛА в полете не дает возможности оказания срочной противопожарной помощи извне и создает технические сложности при эвакуации экипажа при пожаре.

Известны различные традиционные и нетрадиционные способы обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА с использованием мер по предотвращению пожара и его тушению.

Ограничения по массе и объему оборудования и жесткие требования к обеспечению экологической устойчивости обитаемых гермоотсеков КЛА и обеспечению бесперебойной работы электрооборудования корабля препятствует использованию в них традиционных средств пожаротушения (водяных, пенных, газовых, порошковых и т.д.).

Учитывая данные обстоятельства, наиболее эффективным при обеспечении пожаробезопасности обитаемых гермоотсеков КЛА является использование мер по предотвращению возникновения пожара из-за загорания материалов в обогащенной кислородом атмосфере.

Известен способ предотвращения возникновения пожара обитаемых гермоотсеков, который заключается в использовании только материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере (А.Ф.Жевлаков, И.А.Болодьян, А.С.Мелихов, В.А.Третьяков / 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). Разработки в этом направлении оказались крайне длительными и дорогостоящими и не смогли в полной мере обеспечить многообразные потребности космонавтики в негорючих материалах с необходимыми конструкционными свойствами.

В качестве прототипа выбран способ обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке КЛА в орбитальном полете (Патент России №2076497. Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов. Авторы: А.С.Мелихов, С.Н.Зайцев. МКИ 6 А 62 С 2/00. Приоритет изобретения 11.11.94 г. Опубл. 27.03.97. Бюл. №9). Сущность его заключается в том, что с целью предотвращения возникновения пожара в обитаемом гермоотсеке КЛА в орбитальном полете для всех элементов из горючих на Земле материалов обеспечиваются газодинамические условия, при которых скорость потока в погранслое на определенном расстоянии от поверхности материала устанавливается меньше нижнего предела его горения по скорости потока (Vlim), измеренного в невесомости.

В основе способа по прототипу лежат закономерности процесса горения материалов в условиях невесомости (О предельных режимах горения полимеров в отсутствии естественной конвекции. / А.С.Мелихов, В.И.Потякин, А.М.Рыжов, Б.А.Иванов // В журнале "Физика горения и взрыва", 1983, №4. - с.27-30. Предварительные результаты третьей серии экспериментов по исследованию горения неметаллических материалов в ЭУ "Скорость" на борту орбитальной станции "Мир" /А.В.Иванов, В.Ф.Алымов, А.Б.Смирнов, А.С.Мелихов и др. // Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации. США, г. Кливленд, 18-20 мая 1999 г.).

В связи с анализом недостатков прототипа необходимо отметить следующее.

Во-первых, обеспечение условий предотвращения возникновения пожара по прототипу требует, чтобы на стадии разработки гермоотсека КЛА в термостатированном полномасштабном макете гермоотсека около поверхности каждого элемента из горючих материалов была измерена скорость вентиляционного потока в пределах динамического погранслоя. Затем на основании этих измерений должны формироваться конструкции гермоотсека и поля вентиляционных потоков около них так, чтобы для всех элементов из горючих материалов на определяемом расстоянии от их поверхности скорость вентиляционного потока (Vvf) не превышала значения Vlim для данных материалов, то есть выполнялось условие Vvf<Vlim. Такой подход к решению вопроса предотвращения возникновения пожара по прототипу требует выполнения, во-первых, чрезвычайно большого объема работ и использования уникального оборудования, а именно термостатированного полномасштабного макета гермоотсека с системой точечного измерения скорости вентиляционного потока около поверхности каждого элемента из горючих материалов. Во-вторых, для того чтобы выполнялось условие Vvf<Vlim для высокогорючих материалов необходимо снижать скорость вентиляционного потока в гермоотсеке, что может нарушить газообмен в гермоотсеке, осуществляемый для регенерации кислорода в рабочей атмосфере, для поглощения вредных примесей из этой среды и для снятия тепла с электрооборудования. В-третьих, способ предотвращения возникновения и развития пожара в гермоотсеке КЛА за счет оперативного снижения производительности системы вентиляции по сигналу пожарных извещателей для достижения значений скоростей вентиляционных потоков в гермоотсеке, равных Vlim, имеет следующие недостатки, затрудняющие реализацию способа:

- введение системы регулирования скорости вращения электроприводов вентиляторов снижает надежность системы вентиляции;

- из-за замедленной доставки продуктов разложения (горения) к пожарным извещателям увеличивается время обнаружения факта прекращения пожара; для предотвращения этого необходимо увеличивать количество пожарных извещателей.

Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков.

Целью изобретения является исключение возможности воспламенения материалов в орбитальном полете в случае появления источников, возникших при отказах в сильно токонагружаемых элементах электрооборудования, при штатной работе системы вентиляции в гермоотсеке КЛА.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов, преимущественно долговременных станций, в орбитальном полете, включающем в себя формирование в вентиляционном потоке гермоотсека пожароопасных конструкций из горючих материалов, детали бортового электрооборудования с токонагружаемыми цепями располагают на элементах конструкций гермоотсека из горючих материалов в пожаробезопасных зонах, ограниченных по периферии пожарозащитными зонами, ширина которых, начиная от кромок элементов, обдуваемых вентиляционным потоком, определяется из соотношения:

где lzf1 - ширина периферийной пожарозащитной зоны на элементе конструкции;

Δzf1 - расстояние от поверхности материала до эквидистантной поверхности над ним, между которыми находится источник зажигания, см;

Vvf - скорость вентиляционного потока, обдувающего элемент из данного материала, см/с; Vlim.i - предельная для воспламенения данного материала скорость газового потока в невесомости при заданной концентрации кислорода, см/с;

νg - коэффициент кинематической вязкости газовой атмосферы в гермоотсеке, см2/с.

Новое техническое решение стало возможным на базе результатов фундаментальных исследований процессов воспламенения и горения материалов в невесомости за счет обоснованного и контролируемого исключения размещения в пожарозащитных зонах конструкций из горючих материалов элементов сильно токонагружаемых электроцепей. В пожарозащитной зоне формируется пограничный слой, структура которого исключает воспламенение конструкции в пожаробезопасной зоне, находящейся внутри пожарозащитной зоны.

При разработке подхода к определению ширины периферийной пожарозащитной зоны элемента lzf1, где воспламенение еще возможно, а за границей ее невозможно, мы воспользовались решением системы уравнений в приближении Прандтля для пограничного слоя (Л.Г.Лойцянский / Механика жидкости и газа // М.: Наука. 1987. - 840 с.), которое, например, для плоского элемента выглядит следующим образом:

где Vgf - скорость набегающего потока; Vlok - скорость потока в любой точке пограничного слоя;

X, Y - координаты: совпадающая с направлением вектора скорости потока и перпендикулярная ему.

Приняв Vgf=Vvf; Х=1zf1; Y=Δzf1 и Vlok=Vlim.i из соотношения (2) получено уравнение, по которому можно определять значение ширины пожарозащитной зоны lzf1 для данного материала при заданной скорости вентиляции и данном Vlim.i:

Таким образом, при отсутствии естественной конвекции возможность зажигания по длине элемента определяется локальным значением скорости потока в данной точке пограничного слоя. Данное положение свойственно только для состояния невесомости.

На фиг.1 показана схема размещения образца материала и электродов в экспериментальной установке (ЭУ) "Плоский канал". На фиг.2 приведена зависимость времени задержки зажигания бумаги от скорости газового потока в ЭУ "Плоский канал": при расстояниях от края образца 1-1 мм; 2-2,5 мм; 3-5 мм; 4-10 мм.

С целью разработки мер по предотвращению возникновения пожара в орбитальном полете были проведены исследования параметров воспламенения материалов для условий невесомости. Исследования проводились в ЭУ "Плоский канал" (Патент России №2116093. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. МПК 6 А 62 С 2/00. Авторы: А.С.Мелихов, А.В.Иванов, В.И.Потякин. Приоритет изобретения 05.12.95 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21). В основе его лежит организация воспламенения образца материала в плоском горизонтально расположенном движущемся слое окислительной среды определенной толщины, ограниченном по высоте параллельными пластинами, в котором число Грасгофа не превышает критического для развития естественной конвекции значения. Данный метод физического моделирования позволяет получать значения параметров воспламенения и горения материалов для условий невесомости при наличии силы притяжения Земли. Это подтверждено результатами исследований, полученными на космической станции "Мир" (Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования /А.С.Мелихов, А.В.Иванов, И.А.Болодьян и др. // Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации. США, г. Кливленд. 18-20 мая 1999).

При изучении процесса воспламенения материалов в ЭУ "Плоский канал" использовался высоковольтный электрический разряд - источник, надежно зажигающий материалы (В.И.Калинкин, А.С.Мелихов, Б.Г.Попов / Исследование зажигания материалов электрическими разрядами в ограниченных пространствах. // В сб. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах. М.: ВНИИПО, вып.4. - с.35-42). Схема размещения в ЭУ "Плоский канал" образца материала и электродов зажигания относительно вектора скорости потока Vgf показана на фиг.1. Образец материала 1 в виде пластинки с помощью элемента 2 размещался в канале вертикально вдоль потока на оси канала. Электроды зажигания 3 соединены с устройством для получения электрического разряда. Для зажигания образца на различных расстояниях dx от его лобовой точки имелась возможность перемещения образца относительно электродов. Для создания оптимальных условий зажигания материалов могло меняться межэлектродное расстояние de1.

Методика определения ширины пожароопасного участка (1zf1) от электрического разряда, например, для печатных плат заключалась в следующем.

Вначале при заданном значении Сох определялось значение Vlim.i материала.

По формуле hk=Kg*(Cox)-03*(P)-0,5 (Патент России №2116093. Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости. МПК 6 А 62 С 2/00. Авторы: А.С.Мелихов, А.В.Иванов, В.И.Потякин. Приоритет изобретения 05.12.95 г.) устанавливалась высота камеры сгорания hk, при которой следует проводить опыт в условиях, соответствующих условиям невесомости. Образец материала устанавливался в держателе и вводился между электродами так, чтобы лобовой торец образца располагался на заданном расстоянии dx от концов электродов. Устройством для получения разряда задавалась его мощность. В камере сгорания создавался поток азотно-кислородной газовой смеси с заданными скоростью и концентрацией кислорода. Включался задатчик времени действия разряда на образец, затем фиксировалось наличие или отсутствие воспламенения образца. Определялось значение времени задержки зажигания материала (τig) в зависимости от скорости газовой смеси при заданной концентрации кислорода. За величину τig принималось время действия разряда на образец, при котором в 10 опытах воспламенение образца происходило хотя бы один раз, а при времени на 0,02 с меньшем - ни одного раза. Значение Vlim.i при данных dx и Сох определялось как скорости потока, при которых зависимость величины τig от Vgf выходила на вертикаль.

Исследованы материалы с различными физико-химическими свойствами: стеклотекстолит для изготовления печатных плат, бумага, гетинакс, текстолит, органическое стекло, электротехнический картон и других широко используемых в обитаемых гермоотсеках КЛА. У всех испытанных материалов характер зависимостей был идентичным, однако значение Vlim.i при разных значениях Сох у каждого материала было свое.

В результате экспериментов было установлено, что величина τig материалов в условиях невесомости зависит от места зажигания образца относительно его торца, на который набегает газовый поток, - расстояния dx. На фиг.2 представлены зависимости величины τig для бумаги от скорости потока, полученные в ЭУ "Плоский канал" для различных значений dx при концентрации кислорода, равной 30%. Расстояния от лобового торца образца до места зажигания составляло: 1-1 мм; 2-2,5 мм; 3-5 мм; 4-10 мм. Минимальное значение Vlim.i имеет место при зажигании в лобовой точке образца и существенно увеличивается при удалении от нее далее по потоку. Такое положение свойственно только для состояния невесомости.

В табл.1 приведена экспериментально определенная зависимость τig от Vgf для стеклотекстолита, используемого для изготовления печатных плат. Здесь Сох=40%, мощность разряда (Ned) - 12,3 Вт. Место зажигания соответствовало лобовой точке образца. Видно, что значение Vlim.i для стеклотекстолита при Сох=40% составляет 14,4 см/с.

Таблица 1
Скорость вентиляционного потока, см/с14,414,51620304065
Время задержки зажигания, с0,380,30,230,20,180,170,15

С учетом результатов выполненных исследований по формуле (1) определены значения lzf1 для печатных плат, выполненных из стеклотекстолита, для разных скоростей газового потока при концентрации кислорода, равной 40%. При этом значение Vlim.i взято равным 14,4 см/с. Высота печатного элемента - источника зажигания Δzf1 принята равной 0,25 мм.

Таблица 2
Скорость газового потока, см/с1020304050
Значение lzf1, мм0,21,65,41325

Экспериментально установлено, что значение Vlim.i, а следовательно, и значение lzf1 для различных материалов практически не зависит от мощности источника зажигания, то есть мощности разряда (Ned) и длительности его действия (τed) в наиболее возможных диапазонах этих параметров (Ned до 25 Вт, τed до 10 с).

Данный способ может быть реализован для любого вида элементов конструкций из горючих материалов, на которых располагаются детали бортового электрооборудования с токонагружаемыми цепями.

Настоящее изобретение представляет новую технологию в обеспечении пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА. Используя результаты фундаментальных исследований процессов воспламенения и горения материалов в невесомости, стала возможна разработка приемов предотвращения пожара без жестких ограничений в применении материалов в гермоотсеках и в значениях параметров электрических цепей. Предлагаемое техническое решение имеет большую перспективу в практике обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА в долговременных космических полетах. Это решение обеспечивает относительно невысокие материальные затраты на обеспечение пожарной безопасности гермоотсеков КЛА.

Способ предотвращения возникновения пожара в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полете, включающий в себя формирование в вентиляционном потоке гермоотсека пожаробезопасных конструкций из горючих материалов, отличающийся тем, что детали бортового электрооборудования, находящиеся в сильно токонагружаемых цепях, размещают на элементах конструкций гермоотсека из горючих материалов в пожаробезопасных зонах, ограниченных по периферии пожарозащитными зонами, ширина которых, начиная от кромок элементов, обдуваемых вентиляционным потоком, определяется из соотношения

где 1zf1 - ширина периферийной пожарозащитной зоны на элементе конструкции, см;

Δzf1 - расстояние от поверхности материала до эквидистантой поверхности над ним, между которыми находится источник зажигания, см;

Vvf - скорость вентиляционного потока, обдувающего элемент из данного материала, см/с;

Vlim.i - предельная для воспламенения материала скорость газового потока в невесомости при данной концентрации кислорода, см/с;

νg - коэффициент кинематической вязкости газовой атмосферы в гермоотсеке, см2/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для повышения до заданного уровня пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций, элементов инженерных коммуникаций, резервуаров хранения горючих газов и жидкостей, трубопроводов с арматурой.

Изобретение относится к устройствам для предотвращения пожара или сдерживания огня и может быть использовано в качестве огнезащитного противопожарного средства, например, трубопроводов и выступающей на них запорной арматуры.

Изобретение относится к области противопожарной техники и может быть применено в качестве шторы как защитное устройство от загораний окон в многоэтажных зданиях. .

Изобретение относится к устройствам для поливки и мойки и может быть использовано в машинах для мойки дорожных покрытий, а также в пожарных машинах. .

Изобретение относится к судостроению, а именно к пожарным судам. .

Изобретение относится к авиационной технике. .

Изобретение относится к оборудованию, используемому при проведении пожароспасательных работ, для подъема пожарных и средств тушения пожаров, а также эвакуации людей из зданий и сооружений при аварийных и чрезвычайных ситуацях.

Изобретение относится к способам пожаротушения, в частности к способам тушения пожаров в стволах мусоропровода. .

Изобретение относится к методам борьбы с пожарами путем изменения фронта движения огня и может использоваться при тушении пожаров на лесных массивах. .

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для резервуаров хранения горючих газов и жидкостей при избыточном внутреннем давлении, сжиженных газов при криогенных температурах, установленных на открытой площадке под навесом или в помещении

Изобретение относится к технике пожаротушения, преимущественно, при отрицательных температурах окружающей среды в условиях северных широт

Изобретение относится к устройствам противопожарной защиты и может быть использовано в устройствах для подачи топочного материала в загрузочное окно камеры сгорания топки водогрейного котла
Изобретение относится к процессам ликвидации пожаров на объектах энергетики и может быть применено в галереях на трактах топливоподачи

Изобретение относится к способам и устройствам обеспечения пожарной безопасности объектов, характеризующихся высокой запыленностью, наличием мусора и грязи, например мусоро- и массопроводов, тоннелей, кабель-каналов, и может быть использовано для автоматического обнаружения пожарной опасности и тушения, а также для автоматического поддержания в исправном рабочем состоянии (в чистоте) используемых для этих целей средств и самих объектов

Изобретение относится к области защиты жизнедеятельности человека, контактирующего с взрывными газовыми смесями

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для резервуаров хранения горючих газов и жидкостей при избыточном внутреннем давлении, сжиженных газов при криогенных температурах, установленных на открытой площадке под навесом или в помещении

Изобретение относится к способам и устройствам для спасения жизни и противопожарной технике, а именно к доставке противопожарного и аварийно-спасательного оборудования от транспортных средств или мест хранения до мест применения (использования) при тушении пожаров и других аварийно-спасательных работах, требующих сосредоточения различных видов оборудования за малое время, а также эвакуации пострадавших и материальных ценностей
Наверх