Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом



Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом
Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом
Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом
Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом
Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом

 


Владельцы патента RU 2432979:

Федеральное государственное учреждение Всероссийский ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (ФГУ ВНИИПО МЧС России) (RU)

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при разработке радиоэлектронных блоков (далее РЭБ) различного назначения. В РЭБ горизонтально, вертикально и произвольно расположены печатные платы относительно друг друга, стенок корпуса РЭБ, стенок всех встроенных в корпус РЭБ элементов на расстояниях, не превышающих величин, при которых горения между печатными платами элементов из любых не плавящихся конструкционных неметаллических материалов не происходит. Торцы печатных плат размещены относительно стенок РЭБ, а также относительно стенок элементов, встроенных в РЭБ, на расстояниях, не больших, чем предельные для горения торцевых участков печатных плат и стенок элементов из горючих неметаллических материалов. Корпус радиоэлектронного блока изготовлен в плотном негерметичном исполнении из негорючих материалов, конструкция которого исключает проникновение вентиляционных газовых потоков из гермоотсека во внутреннюю полость радиоэлектронного блока, имеющих скорость Vгп, превышающую значения предельных для горения применяемых неметаллических материалов скоростей потока - Vпр, чем достигается выполнение условия пожаробезопасности радиоэлектронного блока: Vпр≥Kб*Vгп, где Кб - коэффициент безопасности, и обеспечивается пожарная безопасность радиоэлектронного блока в невесомости, преимущественно в орбитальном полете пилотируемых космических летательных аппаратов. 5 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к противопожарной технике. Оно может быть использовано при разработке радиоэлектронных блоков и электрошкафов различного назначения, пожаробезопасных в обитаемых герметичных отсеках с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, имеющей нормальное (земное) или отличающееся от него давление, работающих при наличии ускорения силы тяжести Земли или другой планеты, а также в невесомости.

Обитаемые герметичные отсеки (далее - гермоотсеки) с обогащенной кислородом атмосферой входят в состав различных космических летательных аппаратов (далее - КЛА), подводных лодок, жилых модулей космических баз, разрабатываемых для размещения на Луне, Марсе и на других небесных телах (патент России №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. Опубл. 20.03.2008. Бюл. №8), а также в состав глубоководных водолазных комплексов, многоместных и одноместных медицинских барокамер, декомпрессионных водолазных камер, наземных тренажеров для имитации высотных полетов и др.

Атмосфера в указанных гермоотсеках в зависимости от его вида может быть обогащена кислородом от нормального (20,8%) до 100% (здесь и далее концентрация газовых компонентов в атмосфере дана в объемных процентах). Рабочее давление в указанных гермоотсеках может находиться в диапазоне от 26 кПа до 0,4 МПа (абсолютных), а в некоторых случаях - больше (Ацуси Накакуки. / Пожары и противопожарные мероприятия в камерах высокого давления и концентрации кислорода. / В журнале «Андзен Когаку». 1972, т.2, №5. - С.98-105; Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. / Безопасность космических полетов. / - М.: «Машиностроение», 1977. - 263 с.).

В соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 г. №116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» объекты, в которых обращаются окисляющие вещества - вещества, поддерживающие горение, относятся к опасным производственным объектам, требующим при обеспечении безопасности разработки специальных мероприятий по предотвращению возникновения пожара и его ликвидации. Перечисленные выше объекты, включающие обитаемые гермоотсеки, как правило, относятся к критически важным объектам, поскольку нарушение функционирования их может наносить ущерб национальным интересам страны в политической, экономической, социальной, и других сферах и потребует серьезных материально-технических, финансовых ресурсов на ликвидацию последствий нанесенного ущерба (Федеральный закон РФ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» №123-ФЗ от 22.07.2008 г.

Пожары в обитаемых гермоотсеках с атмосферой, обогащенной кислородом, и тем более при повышенном давлении характеризуются тяжелыми последствиями, как правило, с гибелью людей и с нарушением функционирования объекта. Это связано с высокой скоростью развития пожара в гермоотсеках с указанной атмосферой, невозможностью быстрого вскрытия гермоотсека для тушения пожара извне из-за необходимости его декомпрессии, которая может составлять десятки секунд (Пожары в медицинских гипербарических бароаппаратах. Обзор с данными статьи Sheffield P.V., Desantels D.A. из журнала «Undersea And Hyperbarc Medicine». Vol.24 (3), 1997, pp.153-164 в журнале «Гипербарическая физиология и медицина», №1, 1999. - С.24-32; Мелихов А.С. / «Заключение пожаро-технической экспертизы по факту пожара в одноместной лечебной барокамере «ОКА-МТ» в Краевой детской больнице г.Красноярска» // В журнале «Гипербарическая физиология и медицина», 1995 №2. - С.34-37). По данным упомянутых статей при рассмотренных пожарах в гермоотсеках погиб 81 человек.

Анализ статистических данных, приведенных в указанных работах, показал, что главными источниками возникновения пожаров в обитаемых гермоотсеках (более 85% от общего числа, расследованных пожаров) являлись тепловые проявления, возникающие при отказах в элементах применяемого в гермоотсеках электрооборудования (электрические разряды /электрические дуги/, возникшие при обрыве токонагруженных цепей; проводники, нагретые при токовой перегрузке и др.). Это связано со снижением минимальной энергии зажигания применяемых конструкционных неметаллических материалов (далее КНМ или неметаллические материалы) при повышенной концентрации кислорода (далее Сох) в атмосфере и повышенном ее давлении. При этом вероятность загорания аппаратуры в атмосфере, обогащенной кислородом, повышается (Калинкин В.И., Мелихов А.С. Писков Ю.К. и др. / О вероятности зажигания твердых материалов от электрических разрядов // В сб. научн. трудов «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.4 - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1979. - С.48-54), что приводит к отмеченному большому числу пожаров в обитаемых гермоотсеках.

Причинами тяжелых последствий пожаров в обитаемых гермоотсеках являлось произвольное использование в гермоотсеках конструкционных неметаллических материалов, отсутствие специально разработанных средств тушения пожара и предотвращение действия на людей через обитаемую среду гермоотсека опасных факторов пожара. Практика показывает, что при создании изделий с обитаемыми гермоотсеками с кислородной и кислородообогащенной атмосферой не всегда удается оснастить их эффективными (быстродействующими) системами пожаротушения. (Мелихов А.С./ К вопросу о противопожарной защите пациентов в одноместных медицинских стационарных бароаппаратах // В журнале «Гипербарическая физиология и медицина», 2003 №3, - с.37-47).

Поэтому обеспечение пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков с атмосферой, обогащенной кислородом, строится сейчас, в основном, на мерах по предотвращению возникновения пожара, главными в которых являются меры по предотвращению возникновения пожара от источников электрической природы.

К элементам электрооборудования, в котором наиболее часто проявляются пожароопасные ситуации и которые при этом являются источниками пожаров в обитаемых гермоотсеках, относятся различные радиоэлектронные блоки (далее - РЭБ), электрошкафы, электрические кабели. В РЭБ и электрошкафах пожароопасные ситуации наиболее часто проявляются во внутренней их полости.

РЭБ и электрошкафы, как правило, представляют собой конструкции с прочным корпусом из металла или другого огнестойкого материала, в котором заключены разнообразные элементы: печатные платы с расположенными на них микроузлами (далее - радиоэлектронные элементы), элементы, формирующие внутреннюю полость РЭБ, соединительные электрические кабели и провода, трансформаторы, катушки индуктивности, преобразователи постоянного напряжения, элементы электросоединителей и другие элементы, которые в совокупности создают высокую насыщенность внутренней полости РЭБ неметаллическими электроизоляционными материалами, большинство из которых являются горючими в обогащенной кислородом атмосфере. Неметаллические материалы в этих условиях приобретают способность к зажиганию от источников с малой энергией - при отказах элементов, задействованных, в том числе, в слаботочных электроцепях. Это определяет высокую пожарную опасность электрооборудования, применяемого в обитаемых гермоотсеках с искусственной атмосферой.

Для предотвращения катастрофических пожаров в обитаемых гермоотсеках из-за загораний в РЭБ требуется разработка специальных мер по предотвращению возможности развития горения во внутренней полости РЭБ, которая наиболее насыщена горючими в обогащенной кислородом атмосфере неметаллическими материалами и сильно токонагруженными элементами (см. табл.2 и 3).

Для определения аналогов и прототипа предполагаемого изобретения по обеспечению пожаробезопасного устройства РЭБ и электрошкафов выполнен анализ способов обеспечения пожарной безопасности различных объектов, в том числе электроустройств.

1. Одним из наиболее эффективных способов обеспечения пожарной безопасности объектов является использование неметаллических материалов, негорючих в рабочей атмосфере гермоотсека объекта, в котором находится обслуживающее его электрооборудование.

Практика показала, что обеспечить пожарную безопасность электрооборудования, работающего в атмосфере, обогащенной кислородом, указанным способом оказывается практически невозможным, так как круг электротехнических неметаллических материалов с необходимыми физико-механическими, физико-химическими и электрическими свойствами, негорючих при нормальной, повышенной концентрации кислорода в атмосфере и в атмосфере чистого кислорода, крайне ограничен. Это подтверждается данными, приведенными в табл.1, где приведены параметры горючести неметаллических материалов, используемых в электрооборудовании обитаемых гермоотсеков изделий различного рода в обогащенной кислородом атмосфере. Значения предельных для горения неметаллических материалов концентраций кислорода - Cпр, ниже которых не происходит горения данных материалов, являются базовым показателем горючести неметаллических материалов при любых значениях ускорения силы тяжести (g) и в невесомости. Значения предельных для горения неметаллических материалов скоростей вынужденного газового потока - Vпр, ниже которых при данной концентрации кислорода горение материалов не происходит, является базовым показателем горючести неметаллических материалов в условиях невесомости. (Внутри РЭБ и электрошкафов вынужденный газовый поток побуждается средствами вентиляции гермоотсека или внутренних источников вентиляции в полостях РЭБ и электрошкафов с целью охлаждения элементов в полостях). Значения Спр и Vпр для электротехнических материалов в обогащенной кислородом атмосфере указаны в табл.1. Неметаллические материалы допускаются к применению в РЭБ и электрошкафах, если для материалов выполняются условия пожаробезопасности: №1: Спр≥Кбох и №2: Vпр≥Kб*Vгп, где Сох - концентрация кислорода в атмосфере гермоотсека; Vгп - скорость газового потока в местах размещения горючих неметаллических материалов в гермоотсеке, см/с; Кб - коэффициент безопасности. Значения параметров горения Спр и Vпр определялись по методикам, представленным в работе (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. / Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации // Материалы 5-го симпозиума «Азия-Океания» по науке и технике пожара, г.Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204).

Таблица 1
Значения Спр и Vпр электротехнических материалов в обогащенной кислородом атмосфере
Марка материала Назначение материала Значение Спр, % Значение Vпр, см/с при Сох, %, равной:
21 40
Провод МПО,
ТУ 16-505.193-79
Проводники в изоляции, горючей в обогащенной кислородом атмосфере (поливинилхлорид, полиэтилентерефталатная пленка с защитным покрытием из полиэфирных нитей, пропитанных кремнийорганическим лаком, х/б нити, лак винифлекс, лавсановое волокно, натурального шелка и др.) 23,0 н/г 2,7
Провод ПЭВ-2,
ГОСТ7262-78
22,0 н/г 3,2
Провод ПЭЛЛО, ГОСТ16507-70 19,0 7,8 3,5
Провод МС-16-13-ОС, ТУ16-505.083-78 Во фторопластовой изоляции >50,0 н/г н/г
Провод МС-16-13, ТУ16-505.083-78 >50,0 н/г н/г
Провод МСЭ-16-13 ОС,
ОСТВ160.800.764-80
>50,0 н/г н/г
Провод МК-27-11-ОС,
ТУ 16-505.779-80
>50,0 н/г н/г
Поливинилхлорид (трубка МРТУ 6-05-919-63 и пленка ГОСТ 16214-86) Для изготовления электроизолирующих элементов 20,0 12,1 2,4
Стеклотекстолит фольгированный
СФ-1-50Г-1,5, ГОСТ 10316-78 СД
Для изготовления печатных плат и крепежных электроизолирующих элементов 19,0 25,2 8,2
Стеклотекстолит СТЭФ-1, ГОСТ12652-74 Для изготовления печатных плат 18,0 15,9 2,4
Фольгированный стеклотекстолит FR4 толщиной 1 и 2 мм. Сделан в США Для изготовления печатных плат 25,1-28,5 н/г 2,5-7,8
Стеклотекстолит СТЭФ-У-1,
ТУ16-89И79.0066
002ТУ ВС
Для изготовления печатных плат и крепежных электроизолирующих элементов 18,0 26,0 6,8
Гетинакс, ГОСТ 2718-74 Для изготовления крепежных электроизолирующих элементов 17,0-19,0 14,0 7,2
Прессматериал АГ-4В,
ГОСТ20437-89
Для изготовления крепежных электроизолирующих элементов 19,0 18,3 5,4
Прессматериал ДСВ-4Р-2М-Л,
ГОСТ 17478-72
Для изготовления крепежных электроизолирующих элементов 22,0 н/г 6,1
Картон электротехнический ЭВ,
ГОСТ2824-75
Для изготовления прокладок между электротехническими элементами 14,0 4,2 0,5
Поликарбонат ПК-Л41,
ТУ 6-06068-89
Для изготовления элементов корпусов РЭБ, прозрачных элементов для табличек 23,0 н/г 4,6
Органическое стекло СО-120,
ГОСТ 10667-90
Для изготовления прозрачных элементов для табличек 15,5 2,4 0,4
Кожа натуральная, ТУ 4-85 Декоративная отделка корпусов РЭБ 22,0 н/г 1,9
Лакоткань ЛШМ-105,
ТУ16-90И37.0012.002ТУ
Электроизолирующий материал 16,0 8,6 0,7
Лента лавсановая ЛТ-19,
ТУ 6-17-626-79
Электроизоляционный материал 16,0 2,9 0,4
Пенополиэтилен, ТУ-0102-1-95 Демпфирующие прокладки 17,0 5,0 1,0
Пластина губчатая,
ТУ38.105867-90
Звукопоглощающий и демпфирующий материал 17,0 - ~0,7
Пенопласт ПС-1-200,
ТУ 6-05-1178-87Е
Теплоизоляционный и звукопоглощающий материал 16,0 4,8 0,6

Из табл.1 видно, что большинство неметаллических электротехнических материалов являются высоко горючими в нормальной и, особенно, в обогащенной кислородом атмосфере (судя по значению Vпр материалов при Сох, равной 40%). К ним относятся композиционные неметаллические материалы (стеклотекстолиты, стеклопластики, прессматериалы и др.), используемые для изготовления печатных плат и других элементов РЭБ, изоляция проводов (за исключением фторопластовой изоляции, негорючей в составе проводов при Сох, равной 50 и более процентов). Для большинства материалов, как правило, не выполняются условия пожаробезопасности №1 и №2. При концентрации кислорода, равной, например, 40% среди материалов табл.1 горючими являются 84% материалов. Этот процент справедлив для любой электроаппаратуры. Создание же новых, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере материалов, удается редко, так как эта задача является технически сложным и крайне дорогостоящим мероприятием.

Поэтому разработчики вынуждены применять в приборном оборудовании для обитаемых гермоотсеков материалы, которые, как правило, являются горючими в атмосфере, обогащенной кислородом.

2. Для обеспечения пожарной безопасности оборудования разных объектов стали широко применяться огнезащитные краски и покрытия. Во многих случаях применение огнезащитных красок и покрытий решило вопросы обеспечения пожарной безопасности электрического, теле- и радиооборудования. На Останкинской телевизионной башне после пожара в 2000 г. для исключения горения и разрушения кабелей применены высокоэффективные огнезащитные кабельные покрытия (Пехотиков В.А. / Останкинская телебашня: модернизация противопожарной защиты // В журнале «Пожарное дело». - М.: №1, январь 2008. - С.26-28). В последнее время разработаны огнезащитные покрытия, которые являются негорючими в атмосфере с повышенной (до 30-40%) концентрацией кислорода. Они применяются для огнезащиты кабелей на объектах, на которых обращается большое количество кислорода.

Практика показала, что огнезащитные покрытия высокоэффективно могут применяться, в основном, для повышения пожарной безопасности и огнестойкости кабелей и металлических и неметаллических строительных конструкций. Для обеспечения пожарной безопасности РЭБ и их элементной базы такой способ мало приемлем из-за нарушения удобства доступа к элементам РЭБ и электрошкафов, нарушения эстетики внешнего вида радиоэлектронного оборудования, нарушения экологии в обитаемых гермоотсеках из-за выделения вредных газов из покрытий и т.д.

3. Пожарную безопасность РЭБ, предназначенных для работы в невесомости (в орбитальном полете КЛА), можно обеспечить применением всего одной меры - за счет использования плотного (можно негерметичного) негорючего корпуса РЭБ и негорючих (например, в металлических оправах) частей электросоединителей на корпусе, их ответных частей, негорючих или экранированных негорючими материалами элементов органов управления РЭБ. При этом если зазоры на стыках между стенками корпуса, между стенками корпуса и встроенными элементами (частями электросоединителей, органами управления и прочими) не будут превышать критических величин, равных 0,1-0,2 мм, то будет полностью исключено проникновение вентиляционных потоков из гермоотсека внутрь корпуса РЭБ, и для всех неметаллических материалов, находящихся внутри корпуса РЭБ, будет выполняться условие пожаробезопасности №2 (Vпр≥Кб*Vгп). Выполнение этого условия означает, что возникновение и развитие очага пожара внутри РЭБ будет невозможно даже при появлении источников электрической природы с параметрами, превышающими значения параметров, ограниченных в табл.2 и 3 (естественно, те источники, которые не могут разрушить конструкцию РЭБ).

Это положение было подтверждено экспериментами по изучении горения неметаллических материалов на космической станции (КС) «Мир» в орбитальном полете (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С./ Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации // Материалы 5-го симпозиума «Азия-Океания» по науке и технике пожара, г.Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204). Для проверки указанного положения в гермоотсеке модуля «Квант» КС «Мир» была установлена экспериментальная установка (ЭУ) «Скорость», в камере сгорания которой мог создаваться газовый поток со скоростью Vгп=0,3-25 см/с, т.е. со скоростями, отвечающими значениям Vпр широко применяемых неметаллических материалов для диапазона Сох в атмосфере от 21 до 40%. По наличию всех предусмотренных в ЭУ «Скорость» функциональных элементов камера сгорания ЭУ имитировала типовой РЭБ. В ней размещались: элементы из различных горючих конструкционных неметаллических материалов, предназначенных для зажигания при изучении процесса их горения, электрический источник зажигания элементов, выполненный в виде электроспирали мощностью 50 Вт, средства охлаждения элементов ЭУ и др.).

При наличии газового потока в камере сгорания ЭУ со скоростью Vгп, превышающей значение Vпр для образцов испытываемых неметаллических материалов, наблюдалось развивающееся их горение, интенсивность которого возрастала с увеличением скорости газовой атмосферы внутри камеры сгорания ЭУ и концентрации кислорода в газовой атмосфере. То есть в вентилируемых и продуваемых РЭБ возможно развитие очагов пожара даже в невесомости (в орбитальном полете, где нет естественно-конвективных потоков атмосферы).

С уменьшением скорости газовой атмосферы ниже значения Vпр материала происходило потухание любого из них в атмосфере, обогащенной кислородом.

В отсутствие потока газового атмосферы в камере сгорания экспериментальной установки или при скорости потока ниже значения Vпр неметаллического материала при данной концентрации кислорода воспламенение и горение любого неметаллического материала становилось невозможным даже при длительном (до нескольких минут) воздействии на него источника зажигания с температурой 1100°С при мощности 50 Вт. Таким образом:

- пожарная безопасность РЭБ, предназначенных для работы в невесомости (в орбитальном полете КЛА), может быть обеспечена за счет использования плотного (негерметичного) негорючего корпуса;

- в отсутствие конвективного движения газового атмосферы внутри РЭБ горение в нем материалов становится невозможным, так что для предотвращения развития очага пожара внутри РЭБ в орбитальном полете (в невесомости) РЭБ следует заключать в плотный (можно негерметичный) корпус из негорючих материалов.

- пожарная безопасность РЭБ, предназначенных для работы при наличие силы тяжести может быть обеспечена искусственным исключением (торможением) за счет специальных конструктивных приемов естественно-конвективных газовых потоков.

4. Известно, что горение может поддерживаться не только вынужденными и естественно-конвективными газовыми потоками, но и молекулярной диффузией газовой окислительной среды в зону горения. Установлено (Потякин В.И., Мелихов А.С., Иванов Б.А. / Об условиях существования сферического пламени при действии ускорения силы тяжести // Химическая физика процессов горения и взрыва. - Черноголовка. 1986. - С.85-88), что молекулярная диффузия может обеспечивать горение неметаллических материалов (органического стекла) только при давлении, меньшем 15 мм. рт.ст. (за счет большой длины пробега молекул окислителя (кислорода).

Таким образом, если исключить возможность движения вынужденных и естественно-конвективных газовых потоков внутри корпуса РЭБ, то при давлениях атмосферы, больших 15 мм рт.ст., которое имеет место во всех обитаемых гермоотсеках, горение внутри РЭБ происходить не будет и этим будет обеспечена пожарная безопасность используемых в них РЭБ.

5. Существует способ обеспечения взрывозащиты электрооборудования, заключающийся в том, что устраняется возможность воспламенения окружающей электрический прибор взрывоопасной среды при загорании взрывоопасной среды внутри прибора. Это достигается тем, что внутренняя полость прибора сообщается с окружающей потенциально взрывоопасной средой только через щелевые зазоры определенного (огнетушащего) поперечного размера. В случае образования взрывоопасной среды в зоне размещения прибора взрывоопасная среда через зазоры проходит в прибор. При возникновении внутри прибора источника зажигания (например, электрического разряда) происходит сгорание взрывоопасной среды в приборе, но пламя не выходит из него в окружающую взрывоопасную среду при любой концентрации горючего газа в воздухе вследствие того, что пламя, входя в зазоры, охлаждается и потухает (Правила устройства электроустановок. Глава 7. Издание 6-е. - М.: «Энергоатомиздат». 1987. - 648 с.).

С помощью данного способа нельзя обеспечить пожарную безопасность радиоэлектронных блоков, так как при этом подразумевается наличие щелевых зазоров в оболочке блока. При реальных зазорах, например более 1,0 мм, для тушения в зазорах смеси с рудничным метаном за счет естественно-конвективной тяги происходит вентилирование внутренней полости РЭБ такого устройства, обеспечивающее при загорании внутри РЭБ полное выгорание конструкционных неметаллических материалов и зажигание через зазоры или через стенки РЭБ за счет самовоспламенения элементов конструкций из неметаллических материалов, расположенных внутри гермоотсека (вне оболочки РЭБ - вблизи ее и в контакте с ней), что может приводить к пожару внутри гермоотсека.

Учитывая представленные данные о способах обеспечения пожарной безопасности различных объектов и результаты анализа возможности их применения их для обеспечения пожарной безопасности радиоэлектронных блоков, в качестве прототипа заявляемого технического решения принято изобретение по авторскому свидетельству СССР №391760, 1973 г. Данное техническое решение содержит размещенную на металлическом основании группу печатных плат с расположенными на них микроузлами (радиоэлектронными элементами), при этом для обеспечения стабильного теплового режима и увеличения плотности монтажа две кромки печатных плат выполнены металлизированными, а в контакте с ними смонтирован трубопровод для охлаждения элементов конструкций РЭБ и газовой атмосферы в нем.

Однако это устройство не обеспечивает пожарной безопасности радиоэлектронного блока, поскольку зона охлаждения атмосферы с помощью трубопровода носит локальный характер и не может за счет теплопроводности охлаждать все пространство внутри РЭБ, где потенциально могут возникнуть загорания. При этом, в прототипе не ставится задача предотвращения возможности возникновения движения естественно-конвективных газовых потоков для исключения поддержания горения неметаллических материалов. При наличии пламени внутри РЭБ тепловыделение в нем будет превышать теплоотвод от пламени за счет теплопроводности газовой атмосферы, то есть за счет охлаждения окружающей атмосферы с помощью, в частности, водяного трубопровода тушение пламени достигнуто быть не может. Размещение большого количества трубопроводов с другими - более охлаждающими агентами (хладонами, жидким азотом и прочими) проблематично, т.к. в этом случае могут быть повреждены при сильном охлаждении радиоэлектронные элементы.

Указанное выше является основным недостатком технического решения, принятого за прототип.

Целью предлагаемого изобретения является разработка устройства радиоэлектронных блоков и электрошкафов, пожаробезопасных в обитаемых гермоотсеках с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, имеющей нормальное или отличающееся от него давление, работающих при наличии ускорения силы тяжести Земли или другой планеты, а также в невесомости.

Поставленная цель достигается тем, что в радиоэлектронном блоке для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, с различным давлением атмосферы, содержащем расположенные в корпусе радиоэлектронного блока группы печатных плат с размещенными на них микроузлами и с металлизированными на отдельных частях периметра печатных плат, примыкающих к кромкам участках, в качестве электроизоляционных и конструкционных в потенциально пожароопасносных зонах применяются только не плавящиеся неметаллические материалы, печатные платы, расположенные горизонтально, отстоят друг от друга, от горизонтально расположенных стенок корпуса РЭБ и от горизонтально расположенных плоских стенок всех встроенных в корпус РЭБ элементов на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:

dпр.г=4,23*(ρокcp)-1,085*(ρcpср.н)-0,49 /мм/,

где dпр.г - расстояния между горизонтально расположенными печатными платами, при которых и меньше которых между печатными платами горение элементов из любых не плавящихся конструкционных неметаллических материалов не происходит, мм; ρок - плотность кислорода в газовой атмосфере, кг/м3; ρcp.н и ρcp - плотности газовой атмосферы при нормальном ее давлении и заданном ее давлении в обитаемом гермоотсеке, кг/м3,

печатные платы, расположенные вертикально, отстоят друг от друга, вертикально расположенных стенок корпуса РЭБ и от вертикально расположенных стенок всех встроенных в корпус РЭБ элементов на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:

dпр.в=1,48*(ρoxcp)-0,81*(ρcpср.н)-0,78 /мм/,

где dпр.в - расстояния между вертикально расположенными печатными платами, при которых и меньше которых, между печатными платами горение элементов из любых не плавящихся конструкционных неметаллических материалов не происходит, мм;

торцы кромок печатных плат, расположенных горизонтально, вертикально и произвольно по всему периметру плат отстоят от стенок корпуса РЭБ и от всех стенок элементов, встроенных в корпус РЭБ, на расстояниях, не превышающих величин, определенных, определенных из соотношения:

δпр=3-1,03*(ρcpср.н) /мм/,

участки кромок горючих печатных плат, торцы которых отстоят от стенок корпуса РЭБ и от стенок элементов, встроенных в корпус РЭБ, на расстоянии большем, чем значение δпр, а также участки по краям отверстий в горючих печатных платах с диаметром или шириной, превышающими величину δпр, металлизированы с двух сторон, начиная от торцов внешних кромок печатных плат и по периметру отверстий и, начиная от торцов, образующих отверстия, на ширине bmet, не меньшей величины, найденной из соотношения:

bmet=0,27*[dпл*(ρoxcp)]2,5 /мм/,

горючие печатные платы, отстоящие друг от друга и от стенок корпуса РЭБ на расстояниях, превышающих значения dпр.г и dпр.в металлизированы со стороны, обращенной к пространству между печатными платами, превышающему значения dпр.г и dпр.в, при этом максимальная ширина или максимальный диаметр каждого не металлизированного участка между металлизированными участками на защищенной металлизацией поверхности печатной платы не превышает значения δпр.

Технический эффект, реализуемый заявляемым устройством, обуславливается тем, что, за счет целенаправленной компоновки внутренней полости РЭБ (определенного размещения элементов из горючих неметаллических материалов относительно друг друга, относительно элементов корпуса РЭБ и др.), создают во всех потенциально пожароопасносных зонах внутренней полости радиоэлектронного блока условия, при которых в них предотвращается возможность возникновения движения естественно-конвективных газовых потоков, имеющих скорость, превышающую значение предельной для горения применяемых неметаллических материалов скорости потока - Vпр, определенное при максимально возможных концентрации кислорода в атмосфере гермоотсека и ее давлении. Этим обеспечивается выполнение условий пожаробезопасности №2 (Vпр≥Кб*Vгп) и исключается возможность горения во внутренней полости радиоэлектронного блока любых (кроме плавящихся) элементов из горючих неметаллических материалов. Это исключает сгорание элементов, встроенных в стенками корпуса РЭБ, и выход очага горения в жилую зону обитаемого гермоотсека, что обеспечивает пожарную безопасность обитаемого гермоотсека посредством обеспечения пожарной безопасности РЭБ (и другого электрооборудования).

Потенциально пожароопасносными зонами в конструкции РЭБ являются зоны, в которых элементы из горючих электротехнических неметаллических материалов (см. табл.1) находятся в контакте с сильно токонагруженными электроцепями, в которых значения тока превышают приведенные ниже нормативные (предельно допустимые - пожаробезопасносные) значения, и нарушается хотя бы одно из условий пожаробезопасности, определенное с помощью соотношений (3-6).

Для нахождения нормативных (пожаробезопасных) значений токов в электроцепях экспериментально определены минимальные значения зажигающих токов от электрического разряда для наиболее горючих и легковоспламеняющихся электротехнических неметаллических материалов (Борисов B.C., Калинкин В.И. / Зажигание полимерных материалов в ограниченных пространствах // В сб. научн. трудов «Пожарная профилактика». - М.: «Стройиздат». 1986. - С.21-29), которые для обеспечения нормативного уровня надежности достижения пожарной безопасности, указанного в (ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ «Пожарная безопасность. Общие требования»), в данном случае РЭБ, уменьшены на специально определенный коэффициент безопасности, равный 1,5. Нормативные (пожаробезопасные) значения тока в зависимости от концентрации кислорода в азотно-кислородной атмосфере, давления кислородной атмосферы, напряжения в цепи приведены в табл.2 и 3.

Таблица 2
Нормативные (пожаробезопасносные) значения тока в зависимости от концентрации кислорода в азотно-кислородной атмосфере
Сох, % 25 Нормативное значение тока (А) при напряжении в цепи, В
12 16 20 24 28 36 120 200
20 9,2 4,8 2,9 2,0 0,8 0,05 0,006
30 19,6 8,3 4,2 2,7 1,8 0,72 0,04 0,005
40 16 7,1 3,7 2,1 1,6 0,63 0,033 0,004
Таблица 3
Нормативные (пожаробезопасносные) значения в зависимости от давления чистого газообразного кислорода
Давление кислородной атмосферы (избыточное), МПа Нормативное значение тока (А) при напряжении в цепи, В
4 8 12 16 20 24 28 36
0 (атмосферное) 0,81 0,39 0,22 0,12 0,07 0,057 0,044 0,019
0,15 0,4 0,2 0,13 0,09 0,06 0,04 0,031 0,016
0,3 0,25 0,13 0,07 0,04 0,03 0,025 0,020 0,013

Из табл.2 и 3 видно, что при изменении параметров атмосферы нормативные (пожаробезопасносные) значения токов могут изменяться на порядки.

На фиг.1 показан вертикальный разрез пожаробезопасного РЭБ с горизонтально расположенными печатными платами пожаробезопасного при эксплуатации в условиях обитаемых герметичных отсеков с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом. На фиг.2 показан вид на радиоэлектронный блок сверху и частичный его горизонтальный разрез вдоль печатных плат. На фиг.3 показан фрагмент системно-исполнительного блока 4 с печатной платой и с расположенными на ней радиоэлектронными элементами. На фиг.4 представлен вид на ответные части 34 электросоединителей 31 для подстыковки печатных плат (вид «А» на ответные части 34 представлен при снятой стенке 39 РЭБ (см. фиг.2). На фиг.5 иллюстрируются требования к противопожарной металлизации поверхностей печатных плат, примененных в условиях возможного их горения.

Данное изобретение базируется на результатах исследования фундаментальных закономерностей процессов тепломассообмена в ограниченных пространствах и результатах исследования предельных режимов горения неметаллических материалов при пониженных скоростях газовых потоков, побуждаемых естественной конвекцией, то есть в условиях, близких к состоянию невесомости, при разной концентрации кислорода в атмосфере и различном ее давлении (Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. - М.: «Наука». 1972. - 392 с.; Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: «Энергия». 1977. - 344 с.; Мелихов А.С., Потякин В.И. / О предельных условиях горения твердых веществ в невесомости // Химическая физика процессов горения и взрыва. Материалы IV Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. Черноголовка, 1980. - С.48-51; Мелихов А.С., Потякин В.И. и др. / О предельных режимах горения полимеров в отсутствии свободной конвекции // В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, №4. - С.27-30.).

Из указанных научных работ известно, что скорость движение газовых потоков, побуждаемых естественной конвекцией, может искусственно замедляться за счет обоснованного установления размеров и формы ограниченных пространств между отдельными элементами. При этом с повышением температуры газовой атмосферы от возникновения источника зажигания вязкость газовой атмосферы повышается, и движение газовых потоков еще более замедляется.

Эта закономерности основаны на следующих положениях указанных научных работ. В работе (Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: «Энергия». 1977. - 344 с.) процессы, связанные с естественным - конвективным движением жидкости в вертикальных и горизонтальных каналах, щелях и других ограниченных пространствах различной формы, отражаются зависимостью:

где εкэквср - коэффициент конвекции, характеризующий степень влияния естественной конвекции на процесс теплоотдачи через слой газа в канале; λэкв - эквивалентный коэффициент теплопроводности в канале; λср - коэффициент теплопроводности среды, находящейся в покоящемся состоянии.

При вычислении критериев подобия Grср и Рrср, независимо от формы ограниченного пространства, за определяющий размер принята его толщина d или δ (см. соотношения 3-6), а за определяющую температуру - средняя температура газа. Если εк=1, то теплопередача в прослойках от горячей поверхности к холодной осуществляется только за счет теплопроводности среды. Это явление наблюдается при Grcp*Prcp<1000. При выполнении данного условия можно оценивать значения d или δ, при которых влияние естественной конвекции сведено к минимуму и горение неметаллических материалов в ограниченных пространствах, вследствие достижения околопредельных для горения их размеров, не происходит.

Природа движения газовой среды в пространстве объясняется выражением для числа Грасгофа, определяющего относительную эффективность подъемной силы, вызывающей естественное - конвективное движение среды при наличии ускорения силы тяжести:

где g - ускорение силы тяжести на планете, см/с2; ΔТ=Тпро - перепад температур в месте аварийной ситуации, К; Тпр - температура пламени при предельной для горения материалов концентрации кислорода в атмосфере - Спр, равная, в соответствии с работой (Мелихов А.С., Потякин В.И., Фланкин Е.В. / Предельные условия горения полимеров при пониженных давлениях // В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, №4. - С.27-30.), величине 1500 К; То - максимальная температура элементов радиоэлектронного блока при штатной работе РЭБ, равная по инструкциям на радиоэлектронную аппаратуру не более 340 К; lt - характерный размер области нагретой газовой среды в направлении действия ускорения силы тяжести, см; Тср=0,5*(Тпро) - определяющая (осредненная) температура газовой среды в месте загорания, К; ν - кинематическая вязкость среды при Тср, см2/с.

Из выражения (2) видно, что интенсивность естественной конвекции, побуждаемой наличием ускорения силы тяжести, характеризуемая (интенсивность) числом Грасгофа, в каждой данной зоне тем ниже, чем:

- меньше ускорение силы тяжести, в пределе - невесомость;

- меньше температура газовой среды около аварийного радиоэлектронного элемента в месте возникновения пожароопасной ситуации при возникновении отказа в РЭБ;

- меньше размеры зоны с нагретой газовой средой;

- выше кинематическая вязкость среды вследствие нагрева ее от аварийного нагретого элемента.

Для логических построений данного технического решения и для оценочных расчетов вязкостного течения газовой атмосферы взята температура пламени при предельной для горения материалов концентрации кислорода в атмосфере (Спр) (или, что одно и то же при предельной для горения материалов скорости газового потока - Vпр), равная 1500 К, т.е. наименьшая температура, которая может быть при горении неметаллических материалов в околопредельных условиях (т.е. при околопредельных для горения их размерах). При этом кинематическая вязкость нагретой газовой атмосферы соответствует этой температуре и минимальна, т.е. имеет место наиболее пожароопасный режим в аварийной ситуации, вследствие того, что скорость естественно-конвективного движения газового потока при горении аварийного элемента из горючего неметаллического материала максимальна. Если по какой-либо причине температура газовой атмосферы повысится, например, увеличится скорость движение газовых потоков, побуждаемых естественной конвекцией около аварийного элемента, то вязкость газовой атмосферы увеличится. Это приведет снижению скорости движения естественно-конвективных газовых потоков и режим горения приблизится к режиму потухания. То же происходит при уменьшении характерного размера ограниченного пространства Таким образом, в ограниченных пространствах имеет место автоматическое приближение режима горения к предельной для горения материалов скорости газового потока, т.е. к потуханию пламени.

Разработка мер по обеспечению пожарной безопасности РЭБ в рамках данного технического решения потребовала классификации типовых узлов внутренней полости РЭБ на основе предпосылок, заключающихся в выполнении требований подавления естественно-конвективного движения газового атмосферы внутри РЭБ до уровня, при котором горение не может существовать из-за того, что скорость движения естественно-конвективных газовых потоков во всех потенциально пожароопасных зонах оказывается меньше пределов горения неметаллических материалов по скорости газового потока - Vпр (см. условие пожаробезопасности №2 и табл.1). Анализ возможностей обеспечения пожарной безопасности РЭБ за счет снижения естественно-конвективного движения газовой атмосферы внутри РЭБ до указанного уровня позволил выделить следующие типовые узлы в конструкциях РЭБ, по отношению к которым с положительным эффектом могут применяться указанные меры:

а - ограниченные пространства между горизонтально, вертикально и произвольно расположенными печатными платами и пластинами, снижающими естественно-конвективное движение газовой атмосферы в области размещения пожароопасных узлов;

б - ограниченные пространства между торцами печатных плат и стенками РЭБ, а также стенками элементов, встроенных в РЭБ;

в - ограниченные пространства между крупными элементами, встроенными в РЭБ;

г - металлизированные участки печатных плат, примыкающие к их торцам, отстоящим от стенок корпуса РЭБ на расстояниях, превышающих величину δпр;

д - участки печатных плат, металлизированные со стороны, обращенной к пространству между печатными платами, превышающему значение dпр.

При горении неметаллических материалов имеет место многомерная модель тепломассообмена. Поэтому расчетное определение геометрических и других параметров пожаробезопасных типовых узлов для РЭБ крайне затруднено или практически невозможно. В этой связи геометрические параметры типовых узлов и параметры газовой атмосферы, которые являются предельными для горения неметаллических материалов в составе типовых узлов, определялись экспериментально. Опыты проводились на моделях типовых узлов. Для этого использовалась экспериментальная установка с герметичной камерой сгорания и смесительным устройством для создания газовой смеси с заданной Сох (Мелихов А.С., Потякин В.И., Фланкин Е.В. / Предельные условия горения полимеров при пониженных давлениях // В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, №4. - С.27-30). Экспериментальные данные по предельным условиям горения неметаллических материалов, применяемых в составе типовых узлов «а»-«д», были обработаны с целью определения закономерностей горения неметаллических материалов в ограниченных пространствах и составления соотношений для расчетов параметров пожаробезопасных типовых узлов с ограниченными пространствами. Были получены следующие соотношения применительно к типовым узлам с представленными выше обозначениями «а»-«д».

Установлено, что чем меньше расстояние между плоскопараллельными пластинами и, в частности, между печатными платами, тем при больших значениях Сох и давлениях наступают предельные условия для горения поверхностей неметаллических материалов, находящихся между печатными платами - создаются условия для потухания неметаллических материалов. В результате обработки экспериментальных данных получено следующее соотношение для расчета предельного для горения расстояния между горизонтально расположенными печатными платами (dпр.г), при которых и меньше которых горение элементов из любых не плавящихся конструкционных неметаллических материалов не происходит:

Аналогичное соотношение получено для расчета расстояния (dпр.в), предельного для горения неметаллических материалов, находящихся между вертикально расположенными печатными платами:

При расположении печатных плат в группе под углом к горизонтали 45° и менее для расчета расстояния dпр можно пользоваться соотношением (3), при углах больших 45° - соотношением (4).

Установлено, что существует расстояние δпр между торцами печатных плат и стенками РЭБ, а также стенками элементов, встроенных в РЭБ, которое является предельным для горения торцевых участков печатных плат и стенок элементов из горючих неметаллических материалов, к которым примыкают торцевые участки плат. (При этом расстояние между печатными платами не должно быть больше значений dпр.г и dпр.в, определенных по соотношениям (3) и (4)). Расстояние δпр, при котором и менее которого не происходит горения элементов из горючих неметаллических материалов в типовом узле данного типа, может быть определено из соотношения:

Величина зазора δпр, при которой не происходит горения торцевых участков плат, практически не зависит от концентрации кислорода, а определяется только давлением атмосферы, определяющим скорость движение газовых потоков, побуждаемых естественной конвекцией.

Опыты показали, что предотвратить горение участков кромок горючих печатных плат, торцы которых отстоят от стенок корпуса и от стенок встроенных в корпус РЭБ элементов на расстоянии большем, чем значение δпр, а также участки кромок по краям отверстий в печатных платах с диаметром или шириной, превышающими величину δпр, можно, обеспечив противопожарную металлизацию с двух сторон участков кромок печатных плат, начиная от торцов внешних кромок печатных плат и от торцов по периметру отверстий на определенной ширине (bмет), не меньшей величины, найденной из соотношения:

Если в отверстие в печатной плате встроен элемент и расстояние между торцов кромок отверстия и стенками элемента не превышает δпр, то противопожарную металлизацию кромок отверстия в печатной плате можно не производить.

Из соотношения (6) видно, что необходимая ширина противопожарной металлизации участков кромок печатных плат, при которых предотвращается горение кромок плат, увеличивается при возрастании расстояния между печатными платами. Установлено, что величина bmet мало зависит от ориентации печатных плат. Для примера в табл.4 приведены величины bmet в зависимости от расстояния между горизонтально расположенными печатными платами (dпл.г) при Сох=40% и при атмосферном давлении.

Таблица 4
Необходимая ширина противопожарной металлизации участков кромок горизонтально расположенных печатных плат
dпл.г, мм 3 4 5 6 7 8 9 10
bmet, мм 0,55 1,1 1,9 3,1 4,5 6,3 8,8 11,0

Вопрос о принимаемой максимальной ширине bmet должен решаться конструктором РЭБ с учетом принятых из предложенных выше приемов обеспечения пожарной безопасности РЭБ и рационального использования полезной площади печатных плат. Основным приемом уменьшения величины bmet является уменьшение расстояний между печатными платами - dпл (см. табл.4).

В РЭБ, пожарная безопасность которых обеспечивается на предлагаемых принципах, применять плавящиеся неметаллические материалы допускается обоснованно, с ограничениями. Расплавление неметаллических материалов при нагревании и горении и перетекание горящего расплава из одной полости в другую может изменять конфигурацию пространств в радиоэлектронном блоке и делать найденные закономерности (3-6) не действующими. Известно, что развитие пожара при горении плавящихся неметаллических материалов трудно предсказуемо. Поэтому основополагающими нормативными документами Российской Федерации (Правила устройства электроустановок. Издание 6-е. - М.: "Энергоатомиздат", 1987. - 648 с.; Правила пожарной безопасности в Российской Федерации. ППБ-01-93 / в ред. Приказов МВД РФ от 25.07.1995 №282, от 10.12.1997 №814, от 20.10.1999 №817/) не разрешается при проведении реконструкции или ремонта применять кабели плавящиеся, например, с полиэтиленовой изоляцией или оболочкой. Пожар на Останкинской телебашне в 2000 г.подтвердил все эти положения. Известно, что быстрое развитие пожара в телебашне происходило из-за расплавления, горения и стекания полиэтилена, из которого были изготовлены изоляция и оболочки антенных фидеров и другие элементы электрооборудования (Пехотиков В.А. / Останкинская телебашня: модернизация противопожарной защиты // В журнале «Пожарное дело». - М.: №1, январь 2008. - С.26-28). Поэтому в РЭБ применение элементов из плавящихся неметаллических материалов при крайней необходимости возможно, если они не находятся в потенциально пожароопасносных зонах - не входят в состав типовых узлов «а»-«д».

Устройство пожаробезопасного РЭБ для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, иллюстрируется фиг.1-5.

На фиг.1 показан вертикальный разрез пожаробезопасного РЭБ с горизонтально расположенными печатными платами для обозначенного назначения. РЭБ заключен в прочный корпус 1 из не горючего, не плавящегося материала. Корпус 1 выполнен в плотной компоновке, исключающей проникновение вентиляционных потоков из гермоотсека внутрь корпуса РЭБ. Внутри корпуса РЭБ расположены: блок электропитания 2 РЭБ и отделенный от него плотной негорючей (металлической) перегородкой 3 системно - исполнительный блок 4.

Блок электропитания 2 РЭБ имеет электросоединители 5 для подачи электропитания в РЭБ, силовые трансформаторы 6, и другие горючие элементы (проводники, кабели и др.). Нагреваемые при работе элементы типа силовых трансформаторов 6 размещаются на теплоотводящих элементах 7 из материала с высокой теплопроводностью, съем тепла с которых производится через стенки, например, 8 корпуса РЭБ на радиаторы 9, которые рассеивают тепло в окружающем пространстве. Также с помощью радиаторов 12 через стенки корпуса РЭБ производится охлаждение нагреваемых при работе элементов типа 11, расположенных внутри системно-исполнительного блока 4 РЭБ. Блок электропитания 2 питает системно-исполнительный блок 4 с помощью электросоединителей 10, установленных в перегородке 3. Системно-исполнительный блок 4 имеет электросоединители 13 электрических интерфейсов.

На фиг.2 показан вид на радиоэлектронный блок сверху и частичный его горизонтальный разрез вдоль печатных плат. На фиг.3 показан фрагмент системно-исполнительного блока 4 с печатной платой и с расположенными на ней радиоэлектронными элементами 29 различного назначения (микросхемы, транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, провода и др.). Многие из изготовляемых в настоящее время радиоэлектронными элементов являются горючими в обогащенной кислородом атмосфере и могут быть с высокой вероятностью пожароопасными в обогащенной кислородом атмосфере при их отказах без принятия представляемых здесь приемов обеспечения пожарной безопасности.

Типовыми пожароопасными узлами в РЭБ являются электросоединители 31 на печатных платах с ответными частями 34, провода и кабели, отходящие от них к электросоединителям 10 блока электропитания, и электросоединители 13 электрических интерфейсов. Устройство данных узлов показано на фиг.4. Вид «А» на данные пожароопасные узлы представлен при снятой стенке 39 РЭБ (см. фиг.2).

Базовые части 31 электросоединителей печатных плат закреплены на перегородке 32. В них вставляются печатные платы, электронные системы на которых, составленные из радиоэлектронных элементов 29, соединяются с базовыми частями 31 электросоединителей печатных плат с помощью контактных групп 33. От ответных частей 34 электросоединителей печатных плат отходят проводники 35, из которых формируются кабели 36, соединяющиеся с электросоединителями 10 и 13. Для предотвращения загораний ответных частей 34 электросоединителей, проводников 35 и кабелей 36 каждая из этих групп каждой печатной платы разделяется противопожарными перегородками 37, расстояния между которыми не превышают значения dпр.г и dпр.в, определенные по формулам (3) или (4). При этом расстояния между противопожарными перегородками 37 соответствуют расстояниям между печатными платами 14, при которых горение электронных элементов 29 между ними, самих печатных плат, базовых частей 31 электросоединителей предотвращено ограничением размеров свободных пространств. Поскольку (см. фиг.3) всю горючую массу между противопожарными перегородками 37 нецелесообразно располагать от края 38 перегородки 37 на расстоянии, соответствующем расстоянию, определенному по соотношению (6) и приведенным в табл.4, то края 38 перегородки 37 должны располагаться от стенки 39 корпуса РЭБ на расстоянии, определенном из соотношения (5), то есть величина зазора δз не должна превышать величины δпр (см. фиг.3). На фиг.4 дан вид на кабельные разводки от ответных частей 34 электросоединителей печатных плат к электросоединителям 10 и 13 при снятой стенке 39 корпуса РЭБ. Видно, что вся масса кабельной разводки с ответными частями 34 электросоединителей печатных плат, проводниками 35 и кабелями 36 разделена противопожарными перегородками 37 на пожаробезопасные участки, что исключает загорание и горение элементов, размещенных между перегородками 37.

По аналогии с представленным материалом элементы сложной конфигурации (без плоских стенок: кабели, провода, резисторы, конденситоры и др.) должны размещаться в плоских горизонтальных и вертикальных каналах с характерными размерами, соответствующими вычисленным по соотношениям (3) и (4).

Если между печатными платами, например 15 и 16 (см. фиг.1), расстояние dпл, меньше, чем значения dпр.г или dпр.в, определенные по соотношениям (3) или (4), а также расположенными под указанными углами в соответствии с текстом после соотношения (4), то между этими печатными платами могут располагаться любые радиоэлектронные элементы из любых горючих при заданной концентрации кислорода материалов, кроме плавящихся.

Если между печатными платами или стенкой корпуса РЭБ, например 17 и 18, расстояние dпл превышает значения dпр.г или dпр.в, определенные по формулам (3) или (4), то между этими печатными платами должны располагаться радиоэлектронные элементы 26 из негорючих при заданной рабочей концентрации кислорода материалов. Если все зазоры между платой 17 и стенкой корпуса 18 не превышают значения δпр, то элементы 26 могут быть выполнены из горючих, но не плавящихся материалов.

При этом если печатные платы, образующие пространство между печатными платами, превышающее значение dпр, выполнены из горючих при заданной рабочей концентрации кислорода материалов, то поверхности этих печатных плат, например 17, должны быть металлизированы штатным слоем металлизации 19 со стороны, обращенной к пространству между печатными платами, превышающему значение dпр. Требования к обеспечению пожарной безопасности печатных плат за счет металлизации их поверхности иллюстрируются на фиг.5.

Типовым пожароопасным узлом в РЭБ являются торцевые участки печатных плат, которые склонны к загоранию от элементов, расположенных на печатных платах, при их пожароопасных отказах. Исключить возможность загорания торцевых участков печатных плат можно при выполнении условия пожаробезопасности dпл≤dпр для всех групп печатных плат (см. соотношения (3) и (4), а также текст ниже соотношения (4)), а также при выполнении требования о том, что торцы кромок печатных плат, расположенных горизонтально, вертикально и произвольно по всему периметру плат должны отстоять от стенок 20 корпуса РЭБ и от всех стенок элементов типа 11, 21, встроенных в корпус РЭБ (см. фиг.1), на расстоянии, не превышающем величины, определенной из соотношения (5). Этим исключатся загорание торцевых участков печатных плат и элементов, встроенных в корпус РЭБ, к которым примыкают торцевые участки плат. Данное требование выражается соотношением δз≤δпр, где δз - величина зазора между торцами печатных плат и стенками 20 корпуса РЭБ и стенками элементов 11 и 21.

Если требование δз≤δпр выполнить не представляется возможным, т.е. имеет место δзпр, то исключить возможность загорания и горение торцевых участков печатных плат можно, обеспечив противопожарную металлизацию участков их кромок 22, отстоящих от стенок корпуса РЭБ и элементов на расстояниях, превышающих значение δпр, начиная от торцов внешних кромок печатных плат с двух сторон на ширине bmet (см. фиг.1 и 2), не меньшей ширины, найденной из соотношения (6). Также можно исключить возможность загорания и горение кромок по периметру отверстий в печатной плате.

Если в отверстие в печатной плате встроен элемент и расстояние между торцов кромок отверстия и стенками элемента не превышает δпр, то противопожарную металлизацию кромок отверстия производить не следует.

Если в отверстие в печатной плате встроен элемент, свободно пропускающий естественно-конвективные потоки, например бескорпусная катушка индуктивности 23, то противопожарную металлизацию кромок 24 отверстия нужно производить непременно. При этом, если печатные платы, лежащие выше и ниже печатной платы с отверстием выполнены из горючих при заданной рабочей концентрации кислорода материалов, то поверхности этих печатных плат должны быть металлизированы штатным слоем металлизации 25 со стороны, обращенной к печатной плате с отверстием. Требования к противопожарной металлизации этих поверхностей иллюстрируются на фиг.5.

Горючие радиоэлектронные элементы 27 (см. фиг.1, 2, 5), размещенные на вертикально расположенных стенках РЭБ, примыкающие к свободным пространствам шириной, превышающей δпр, должны быть закрыты сплошным листом 28 из негорючего материала.

Если внутреннее пространство блока электропитания 2 РЭБ содержит элементы из горючих материалов (обмотки силовых трансформаторов и их защитные покрытия из бумаги или пластмасс, провода и кабели, идущие от электросоединителей к трансформаторам и от них к электросоединителям, и прочие), то внутреннее пространство блока электропитания должно быть разделено горизонтально расположенными пластинами 30 (преимущественно из негорючих материалов) или печатными платами (если это необходимо по конструктивным соображениям и в соответствии со схемными решениями), распложенными горизонтально на расстоянии друг от друга, не превышающем величины dпр.г, найденной из соотношения (3). При этом торцы пластин 30 или печатных плат из горючих материалов не должны отстоять от стенок корпуса и от стенок встроенных в корпус блока электропитания РЭБ элементов на расстоянии большем, чем значение δпр. Должны соблюдаться все изложенные в данном техническом решении требования по противопожарной металлизации участков горючих элементов.

На фиг.1, 3, 5 иллюстрируются требования к противопожарной металлизации участков печатных плат для предотвращения их горения со стороны, обращенной к пространству между печатными платами, превышающему значение dпр. Эти требования заключаются в следующем:

- все участки 40 (см. фиг.5) указанной стороны печатной платы, без функциональных элементов, кроме разрывов в металлизации на участках функциональных элементов, определенные схемными решениями, должны быть металлизированы.

- участки 22 горючих печатных плат 14, торцы которых отстоят от стенок корпуса на расстояниях δз, больших, чем значение δпр, определенное из соотношения (5), металлизируются на ширине bмет, не меньшей величины, найденной из соотношения (6);

- участки горючих печатных плат, торцы которых отстоят от стенок встроенных в корпус РЭБ элементов типа 11 и 21 на расстояниях δз, меньших, чем значение δпр (см. фиг.1) металлизировать не следует;

- участки 41 горючих печатных плат вокруг отверстий 42, торцы которых отстоят от стенок встроенного в корпус РЭБ элемента 43 на расстоянии δз, большем, чем значение δпр (см. фиг.5), следует металлизировать на ширине bмет, не меньшей величины, найденной из соотношения (6);

- ширина разрывов 44 между металлизированными участками 40 и диаметры не металлизированных кругов 45 на горючих печатных платах не должны превышать величину δпр.

Заявляемое техническое решение позволяет, используя влияние конструкции электрических узлов на горючесть материалов, разрабатывать радиоэлектронные блоки различного назначения, пожаробезопасные в обитаемых герметичных отсеках с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, имеющей нормальное (земное) или отличающееся от него давление атмосферы, работающих при наличии ускорения силы тяжести Земли или другой планеты, а также в невесомости.

Устройство пожаробезопасного радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом, содержащее расположенные в корпусе радиоэлектронного блока группы печатных плат с размещенными на них микроузлами и с металлизированными на отдельных частях периметра печатных плат участками, примыкающими к торцам печатных плат, отличающееся тем, что в конструкциях радиоэлектронного блока в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов в потенциально пожароопасных зонах применяются только не плавящиеся неметаллические материалы, печатные платы, расположенные горизонтально, отстоят друг от друга, от горизонтально расположенных стенок корпуса радиоэлектронного блока и от горизонтально расположенных плоских стенок всех встроенных в корпус радиоэлектронного блока элементов на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:
dпр.г=4,23·(ρокср)-1,085·(ρсрср.н)-0,49 (мм),
где dпр.г - расстояния между горизонтально расположенными печатными платами, при которых и меньше которых, между печатными платами горение элементов из любых не плавящихся конструкционных неметаллических материалов не происходит, мм, ρок - плотность кислорода в газовой среде, кг/м3, ρср.н и ρср - плотности газовой среды при нормальном давлении и заданном давлении в обитаемом гермоотсеке, кг/м3,
печатные платы, расположенные вертикально, отстоят друг от друга, вертикально расположенных стенок корпуса радиоэлектронного блока и от вертикально расположенных стенок всех встроенных в корпус радиоэлектронного блока элементов на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:
dпр.в=1,48·(ρохср)-0,81·(ρсрср.н)-0,78 (мм),
где dпр.в - расстояния между вертикально расположенными печатными платами, при которых и меньше которых, между печатными платами горение элементов из любых не плавящихся конструкционных неметаллических материалов не происходит, мм,
торцы кромок горючих печатных плат, расположенных горизонтально, вертикально и произвольно по всему периметру печатных плат, отстоят от стенок корпуса радиоэлектронного блока и от всех стенок элементов, встроенных в корпус радиоэлектронного блока, на расстояниях, не превышающих величин, определенных из соотношения:
δпр=3-1,03·(ρсрср.н) (мм),
участки кромок горючих печатных плат, торцы которых отстоят от стенок корпуса радиоэлектронного блока и от стенок элементов, встроенных в корпус радиоэлектронного блока, на расстоянии большем, чем значение δпр, а также участки кромок по краям отверстий в печатных платах с диаметром или шириной, превышающими величину δпр, металлизированы с двух сторон, начиная от торцов внешних кромок печатных плат и по периметру отверстий, начиная от торцов, образующих отверстия на ширине bmet, не меньшей величины, найденной из соотношения:
bmet=0,27·[dпл/(ρox·ρср)]2,5 (мм),
печатные платы, отстоящие друг от друга и от стенок корпуса радиоэлектронного блока на расстояниях, превышающих значения dпр.г и dпр.в металлизированы со стороны, обращенной к пространству между печатными платами, превышающему значения dпр.г и dпр.в, при этом максимальная ширина или максимальный диаметр каждого не металлизированного участка между металлизированными участками на защищенной металлизацией поверхности печатной платы не превышают значения δпр, корпус радиоэлектронного блока изготовлен в плотном негерметичном исполнении из негорючих материалов, конструкция которого исключает проникновение вентиляционных газовых потоков из гермоотсека во внутреннюю полость радиоэлектронного блока, имеющих скорость Vгп, превышающую значения предельных для горения применяемых неметаллических материалов скоростей потока - Vпр, чем достигается выполнение условия пожаробезопасности радиоэлектронного блока: Vпр≥Kб·Vгп, где Кб - коэффициент безопасности, и обеспечивается пожарная безопасность радиоэлектронного блока в невесомости, преимущественно, в орбитальном полете пилотируемых космических летательных аппаратов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности космических летательных аппаратов (далее КЛА) и может быть использовано при разработке конструкционных элементов оборудования, пожаробезопасных в условиях эксплуатации обитаемых гермоотсеков различных КЛА.

Изобретение относится к штативам для систем обнаружений возгораний. .

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при разработке технических решений по тушению пожаров в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов КЛА (транспортных космических кораблей, орбитальных станций и др.) в условиях орбитального полета.

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при разработке технических решений по тушению пожаров в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов (КЛА) на всех этапах их эксплуатации.

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано при разработке технических решений по тушению пожаров в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в условиях орбитального полета в режиме искусственной тяжести.

Противопожарный летательный аппарат, выполненный с возможностью применения в беспилотной авиационной системе, включает в себя накопительный резервуар для противопожарной текучей среды, имеющий множество заправочных отверстий, удаленных друг от друга. Заправочная штанга содержит трубопровод, соединенный по текучей среде с накопительным резервуаром. Трубопровод принимает воду из водоема, над которым пролетает летательный аппарат. Система заправки для этого осуществляет управление потоком воды в накопительный резервуар и из него и включает в себя дистанционно и автоматически управляемый клапан, соответственно связанный с каждым заправочным отверстием. Система управления осуществляет связь с каждым клапаном и выполнена с возможностью указания положения каждого клапана для регулирования потока текучей среды через каждое заправочное отверстие. Внутри накопительного резервуара может быть дополнительно предусмотрена перегородка, по меньшей мере частично определяющая первую камеру внутри резервуара. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх