Способ обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полёте

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности объектов космической техники и может быть использовано при разработке средств и способов обеспечения пожарной безопасности в обитаемых герметичных отсеках транспортных пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций в период орбитального полета в орбитальном полете. В заявляемом способе с целью обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете для него предварительно определяют предельно допустимое время горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim, как время достижения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования температуры атмосферы. При этом элементы из полимерных материалов, имеющие нижние пределы горения по скорости газового потока меньше, чем скорость вентиляционного потока в месте их расположения, допускаются к применению при выполнении следующего условия: τ_ext ≤ К_S × t_Tlim, где τ_ext - время тушения элемента из данного полимерного материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека, с; К_S - коэффициент безопасности, а при выполнении указанного условия для всех использованных в данном гермоотсеке элементов из полимерных материалов данный обитаемый гермоотсек КЛА является пожаробезопасным в орбитальном полете. 3 ил.

 

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности объектов космической техники и может быть использовано при разработке средств и способов обеспечения пожарной безопасности в обитаемых герметичных отсеках (далее - обитаемые гермоотсеки) транспортных пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций в период орбитального полета.

В заявляемом техническом решении с целью обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата (КЛА) в орбитальном полете, для него предварительно определяют предельно допустимое время горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim, как время достижения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования температуры атмосферы. При этом элементы из полимерных материалов, имеющие нижние пределы горения по скорости газового потока (V_lim) меньше, чем скорость вентиляционного потока V_vf, в месте их расположения, допускаются к применению при выполнении следующего условии:

τ_ext ≤ K_s × τ_Tlim,

где τ_ext - время тушения элемента из данного полимерного материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека, с; К_s - коэффициент безопасности, а при выполнении указанного условия для всех использованных в данном гермоотсеке элементов из полимерных материалов, данный обитаемый гермоотсек КЛА является пожаробезопасным в орбитальном полете.

В результате анализа устройства и условий эксплуатации современных КЛА установлено, что в их обитаемых гермоотсеках во время космического полета проявляется действие ряда факторов, определяющих уровень пожарной опасности.

Первое. Единственной горючей составляющей конструкций в обитаемых гермоотсеках КЛА являются полимерные материалы.

Второе. Рабочая газовая атмосфера обитаемых гермоотсеков КЛА обогащена кислородом до 24,8-40%.

Третье. Оборудование обитаемых гермоотсеков КЛА основное время космического полета эксплуатируется в состоянии невесомости.

Четвертое. Скорость вентиляционных потоков в обитаемых гермоотсеках КЛА намного превышает значения нижних пределов горения по скорости газового потока V_lim большинства применяемых полимерных материалов. Поэтому при возгорании элементов из полимерных материалов происходит их развивающееся горение в условиях невесомости с переходом в пожар.

Пятое. Параметры электроцепей оборудования обитаемых гермоотсеков КЛА такие как ток и напряжение, намного превышают пожаробезопасные значения, при которых еще предотвращается возгорание элементов при действии на них источников зажигания электрической природы, образовавшихся при аварийных ситуациях в электроцепях оборудования.

Суть представленных факторов, определяющих уровень пожарной опасности в обитаемых гермоотсеков КЛА, состоит в следующем.

При изготовлении конструкций и оборудования обитаемых гермоотсеков КЛА с заданными функциональными характеристиками широко используются полимерные материалы: конструкционные, декоративно-отделочные, кабели, провода, эмали, лаки, клеи, герметики, компаунды, смазки и другие. Перечни полимерных материалов, используемых в составе конструкций и оборудования обитаемых гермоотсеков модулей современных КЛА насчитывают сотни наименований.

В обитаемых гермоотсеках КЛА в процессе работы средств регенерации кислорода в рабочей и дыхательной газовой атмосфере, она значительно обогащается кислородом. Так, например, максимальная концентрация кислорода в атмосфере обитаемых гермоотсеков модулей Международной космической станции составляет 24,8%. А в атмосфере обитаемых гермоотсеков российских транспортных пилотируемых кораблей (ТПК) семейства «Союз» она доходит до 40% (Справочник пользователя. Российский сегмент МКС.ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева. 2016. https://www.energia.ru/ru/iss/researches/iss_rs_guide.pdf. (Дата обращения: 26.11.2019).

Горючесть полимерных материалов как при наличии ускорения силы тяжести, так и в невесомости характеризуется значением C_lim, которое представляет собой предельную для горения полимерного материала концентрацию кислорода, ниже которой устойчивое его горение не происходит, а выше которой - происходит. (Болодьян И.А., Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С., Потякин В.И. О предельных условиях горения полимеров. В журнале «Физика горения и взрыва», №4. 1979. - С. 63-65).

Экспериментальное определение значений C_lim полимерных материалов, применяемых в КЛА показало, что у большинства из них значения C_lim не превышают концентрацию кислорода, равную 24,8%, то есть большинство из них являются горючими в атмосфере современных КЛА при наличии ускорений силы тяжести, превышающих величину g_lim.

Значение g_lim, представляет собой предельное для горения полимерного материала ускорение силы тяжести, ниже которого устойчивое горение данного полимерного материала невозможно, а выше которого устойчивое горение полимерного материала происходит при фиксированном значении концентрации кислорода (Bolodyan I.A., Ivanov A.V., Melikhov A.S. Combustion of solid non-metal materials in microgravity conditions. «The Proceedings of 5^th Asia-Oceania Symposium on Fire Science and Technology)). Newcastle, Australia, 3-6 December 2001. pp.195-204).

Замена в оборудовании обитаемых гермоотсеков модулей КЛА элементов даже из наиболее пожароопасных горючих полимерных материалов, в количествах, превышающих предельно допустимые, устанавливаемые по методике, изложенной в работе (Попов A.M., Николаев В.Μ., Мелихов А.С., Болодьян И.А. Расчетно-экспериментальное исследование горения полимерных материалов в замкнутых объемах при повышенном содержании кислорода в атмосфере». В сб. научн. тр. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». - М.: ВНИИПО МВД СССР. Вып. 2. 1977. - С. 31-38.), на негорючие в атмосфере, обогащенной кислородом до уровня 24,8% и выше, невозможна вследствие отсутствия, в большинстве случаев, таких материалов с необходимыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами (Bolodian Ι.Α., Melikliov A.S., Tanklevskiy L.T. Analysis of statistical data about design of fire-safe materials in oxygen-rich atmosphere of inhabited pressurized compartments of Russian manned spacecraft. Journal Acta Astronautica. Volume 150, (2018), Pages 137-143).

Поэтому в обитаемых гермоотсеках модулей КЛА вынужденно применяются горючие полимерные материалы.

Выше было подчеркнуто, что оборудование обитаемых гермоотсеков КЛА эксплуатируется в основном в состоянии невесомости.

Так, например, оборудование подготавливаемого в настоящее время к космическим полетам транспортного космического корабля многоразового использования «Федерация» («Орел») (Транспортный космический корабль многоразового использования «Федерация» («Орел»). https ria.ru 20181207 1547637941.html. (Дата обращения: 09.12.2019).) будет находиться в условиях невесомости в течение времени, равном около 99% от общего времени подготовки к полету и выполнения самого космического полета.

В обитаемых гермоотсеках КЛА любого вида для поддержания заданного состава рабочей атмосферы при работе средств регенерации кислорода в рабочей атмосфере, а также температуры и влажности атмосферы в орбитальном полете, т.е. в условиях невесомости обеспечивается постоянное движение газовой атмосферы с помощью систем вентиляции гермоотсека со скоростью, лежащей в диапазоне от 5 см/с до 80 см/с.

При газовом потоке с такой скоростью создаются условия для устойчивого горения в условиях невесомости полимерных материалов, имеющих значения C_lim, более низкие, чем указанная выше максимальная концентрация кислорода в рабочей газовой атмосфере обитаемых гермоотсеков КЛА, лежащая в диапазоне от 24,8% до 40%, которых, как было указано - большинство. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, большинство полимерных материалов имеют значения C_lim более низкие, чем указанная выше максимальная концентрация кислорода в атмосфере обитаемых гермоотсеков КЛА, с другой стороны, эти материалы при указанных выше рабочих концентрациях кислорода в атмосфере обитаемых гермоотсеков КЛА, имеют значения V_lim ниже, чем скорость потоков атмосферы при работе вентиляционных систем. (Мелихов А.С., Потякин В.И. и др. О предельных режимах горения полимеров в отсутствии естественной конвекции. В журнале «Физика горения и взрыва», №4. 1983. - С. 27-30).

В обитаемых гермоотсеках КЛА используется разнообразное электрооборудование. Параметры электроцепей (ток и напряжение) электрооборудования обитаемых гермоотсеков КЛА намного превышают пожаробезопасные значения указанных параметров (Калинкин В.И., Мелихов А.С. и др. О вероятности зажигания твердых материалов от электрических разрядов. В сб. научн. тр. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.3. - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1979. - С. 48-54). Поэтому в аварийных ситуациях при действии тепловых источников электрической природы в обогащенной кислородом атмосфере в условиях невесомости происходит возгорание элементов из полимерных материалов.

Ряд наиболее известных пожароопасных ситуаций, возникших в основном из-за аварий в электрооборудовании обитаемых гермоотсеков различных изделий, перешедшие в возгорания и пожары, описаны в следующих работах (Накакуки А. Пожары и противопожарные мероприятия в камерах высокого давления и концентрации кислорода. В журнале «Андзен Когаку». 1972, т. 2, №5. - С. 98-105.; Железняков А.Б. Тайны ракетных катастроф. Плата за прорыв в космос. - М.: «Яуза», «Эксмо». 2004.; Романов С.Ю., Семенов А.В., Андреева Т.В. Системы и средства обеспечения пожарной безопасности российского сегмента МКС. Опубликовано: Каталог «Пожарная безопасность». 2004. Материал из интернета: http://www.secuteck.ru/articles2/firesec/sistemi i sredstva_obesp_poj_bezop.(Дата обращения: 19.12.2019).; На российском сегменте МКС произошло задымление. «Газета.Ru» 11.06.2014. Материал из интернета: URL:http://www.vedomosti.ru/tech/news/27646201/nasa-svyazyvaet-zadymlenie-na-mks-s-neispravnostyu. (Дата обращения 21.11.2019).; Пожар в барокамере при имитации условий космического полета, в котором в 1961 году погиб космонавт В.В. Бондаренко. Материал из интернета: URL:zhertvy.gibeli.bondarenko.v. (Дата обращения: 26.11.2019)).

Возгорания и пожары, имевшие место в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в процессе развития пилотируемой космонавтики, а также возгорания и пожары, происходившие в гермоотсеках другого назначения с искусственной атмосферой, поставили пожарную опасность в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в число основных опасных факторов пилотируемого космического полета (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: «Машиностроение». 1977. - 263 с).

В этой связи изучению процесса горения полимерных материалов в условиях невесомости, на результатах которых базируется разработка средств обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках транспортных пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций в период орбитального полета уделено большое внимание. Это видно из рассмотрения следующих работ (Мелихов А.С, Потякин В.И. и др. О предельных режимах горения полимеров в отсутствии естественной конвекции. В журнале «Физика горения и взрыва», №4. 1983. - С. 27-30.; Ivanov A.V., Alymov V.F., Smirnov A.B., Melikhov A.S. et al. Preliminary results of the third series of experiments of research of non-metal materials combustion in the EU «Skorost» on the board of the orbital space station «Mir». «Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop». Cleveland, Ohio, USA. May 18-20 1999.; Bolodian I.A., Melikhov A.S., Tanklevskiy L.T. Fire safety arrangement of inhabited pressurized compartments of manned spacecraft. Journal Acta Astronautica. Volume 135, June 2017, Pages 92-99).

На основании результатов этих исследований установлено, что способность к развивающемуся горению полимерных материалов в условиях невесомости в наибольшей степени зависит от скорости газового потока - при скорости газового потока, превышающей значение V_lim полимерного материала, происходит его развивающееся горение в условиях невесомости, при скорости газового потока, меньшей значение V_lim полимерного материала, его горение не происходит. Значение V_lim зависит в основном от концентрации кислорода в газовой среде. По совокупности признаков, выявленных при анализе полученных данных, сделано заключение, что потухание материалов в условия невесомости после прекращения конвективной поставки окислителя в зону горения обусловлено недостаточностью массового потока окислителя, поставляемого в зону горения за счет молекулярной диффузии.

Практика показывает, что использование профилактических мер по предотвращению возникновения возгораний не вполне надежно, на это указывают приведенные выше описания возгораний и пожаров, имевших место в обитаемых гермоотсеках различных изделий.

В этой связи, для обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА необходимо оснащение этих изделий средствами пожаротушения.

При этом, учитывая, что космонавтика является для страны престижной областью деятельности, а ее реализация является весьма дорогостоящим мероприятием, средства пожаротушения, которыми должны быть оснащены обитаемые гермоотсеки КЛА, должны быть эффективными и высоконадежными, но в то же время экономичными.

Представленные пять факторов, определяющие состояние пожарной опасности в обитаемых гермоотсеков КЛА, и результаты изучению процесса горения полимерных материалов в условиях орбитального полета, определяющие суть представленных факторов, указали область технических решений, которые могут рассматриваться в качестве аналогов данного изобретения. Основными из них являются следующие.

В работе (Патент РФ №2116092 «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. Приоритет изобретения от 05.12.1995 г. Опубликован 27.07.98. Бюл. №21.) представлен способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов в орбитальном полете, который заключается в следующем. На стартовой позиции и на участке выведения корабля на околопланетную орбиту, то есть при наличии ускорения силы тяжести в обитаемом гермоотсеке, концентрация кислорода в рабочей газовой атмосфере обитаемого гермоотсека космического летательного аппарата создается и поддерживается ниже значения предела горения по концентрации кислорода C_lim для наиболее горючих из используемых материалов, а в орбитальном полете, по сигналу средств обнаружения пожара о возникновении возгорания, работа системы вентиляции в гермоотсеке переводится на циклический режим, состоящий из периода отключенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое в гермоотсеке происходит остановка движения газовой среды до уровня, соответствующего пределу горения по скорости потока в невесомости V_lim для наиболее горючих материалов, и периода включенного состояния системы вентиляции в течение времени, за которое газовая среда в замкнутом вентиляционном контуре в гермоотсеке проходит между двумя смежными пожарными извещателями, при этом циклический режим работы системы вентиляции осуществляется до момента начала снижения уровня опасных факторов пожара в гермоотсеке, зафиксированного средствами обнаружения пожара.

В работе (Патент РФ №2306965 «Способ противопожарной защиты обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». МПК А62С 3/08, B64G 1/52. Приоритет изобретения от 24.10.2005. Заявка №2005132799/12. Опубликован 27.09.2007. Бюл. №27.) представлен способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов в орбитальном полете, который заключается в следующем. При подготовке космического аппарата к пуску на стартовой позиции и в космическом полете непрерывно измеряют ускорение силы тяжести в гермоотсеке и в случае возникновения пожара при ускорении, меньшем предельно допустимого для горения наиболее горючего из конструкционных неметаллических материалов, переводят работу системы вентиляции на циклический режим, а в случае возникновения пожара при ускорении, равном или большем упомянутого предельно допустимого значения g_lim, осуществляют подачу огнетушащего вещества в гермоотсеке без изменения режима работы системы вентиляции, при этом ускорение силы тяжести измеряют внутри гермоотсека на максимальном расстоянии от центра масс космического летательного аппарата.

Наиболее горючими считаются материалы, имеющие наименьшие значения C_lim при наличии ускорения силы тяжести и наименьшие значения V_lim в невесомости при данной концентрации кислорода в рабочей газовой атмосфере обитаемого гермоотсека КЛА.

Недостатком перечисленных технических решений является следующее.

Анализ показал, что технические решения, представленные выше в описаниях патентов №2116092 и №2306965, не решают один из главных вопросов обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полете. А именно: в них нет признаков, в соответствии с которыми при реализации технических решений, представленных в указанных патентах, предотвращается превышение предельно допустимого времени горения элементов из полимерных материалов τ_lim. То есть, в соответствии с признаками указанных патентов-аналогов данного изобретения не предполагается предотвращение возможности превышения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования обитаемого гермоотсека температуры атмосферы обитаемого гермоотсека T_lim.

Согласно данным работам (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Т.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: «Машиностроение». 1977 - 263 с), предельно допустимая для космонавтов температура атмосферы обитаемого гермоотсека T_lim составляет 60°С.

Следует отметить, что повышение температуры атмосферы обитаемых гермоотсеков КЛА является основным и единственным опасным фактором пожара в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов, от которого не защищены космонавты и большинство элементов жизненно важного оборудования обитаемых гермоотсеков, в том числе элементов систем управления КЛА.

Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА, касающиеся предотвращения отравления атмосферы продуктами горения полимерных материалов, которое может произойти до тушения материалов, использовать нецелесообразно, вследствие того, что обитаемые гермоотсеки современных КЛА оснащены в необходимом количестве изолирующими противогазами, а также средствами очистки атмосферы обитаемых гермоотсеков от продуктов горения полимерных материалов.

Таким образом, технические решения той области техники, к которой относится данное предполагаемое изобретение, в том числе технические решения, представленные в описаниях патентов №2116092 и №2306965, не решают основного вопроса обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА в период орбитального полета - реализация этих технических решений не предотвращает повышения температуры атмосферы обитаемого гермоотсека при горении элементов из полимерных материалов выше предельно допустимого для космонавтов и жизненно важного оборудования обитаемых гермоотсеков значения.

Указанный недостаток представленных технических решений, являющихся аналогами данного изобретения, в случае практического использования этих технических решений может приводить к ошибкам при разработке средств обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА в орбитальном полете.

Поэтому данные технические решения не пригодны для решения вопросов эффективного обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полете.

В то же время практика указывает на необходимость разработки эффективных средств обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА, создание которых в настоящее время определяет дальнейшее развитие космонавтики в стране («РКК «Энергия» закончила работы над созданием нового космического корабля. Материал из интернета: http://vpk.name/news/82007 rkk energiya zakonchila rabotyi nad sozdaniem novogo_kosmicheskogo_korablya.html. (Дата обращения в интернет 19.12.2019).

При этом специалистами ставится условие, чтобы в обитаемых гермоотсеках вновь создаваемых КЛА на основании результатов новых исследований должны исключаться недостатки представленных выше технических решений по обеспечению пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА.

Настоящее предполагаемое изобретение предназначено для совершенствования средств обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полете.

Поэтому при разработке настоящего технического решения проводился тщательный анализ факторов, определяющих уровень пожарной опасности в обитаемых гермоотсеках КЛА при их эксплуатации. Именно на основании анализа этих факторов сделан выбор аналогов и прототипа данного предполагаемого изобретения.

Известен «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов» (Патент РФ №2076497, МПК А62С 2/00, опубликован 27.03.97, Бюл. №9), взятый за прототип заявляемого технического решения.

Суть технического решения, взятого в качестве прототипа, заключается в следующем.

В термостатированном полномасштабном макете гермоотсека, в наземных условиях, около поверхности элементов из полимерных горючих материалов измеряют скорость вентиляционного потока в пределах динамического пограничного слоя в направлении, перпендикулярном поверхности элемента. По этим данным формируют конструкцию гермоотсека, выполненную, в том числе из горючих элементов, и поле вентиляционного потока около поверхности горючих элементов с помощью негорючих элементов-отбойников рабочей газовой атмосферы, набегающей на зону горения, следующим образом.

На расстоянии от поверхности полимерного материала до места, где может располагаться зона горения полимерного материала, определяемому по приведенному в прототипе соотношению, с помощью негорючих элементов-отбойников обеспечивают скорость потока меньшую, чем значение V_lim данного горючего материала, определенного при максимально возможной концентрации кислорода в рабочей газовой атмосфере обитаемого гермоотсека данного КЛА. При этом горючий при наличии ускорения силы тяжести полимерный материал становится негорючим в условиях невесомости.

В случае невыполнения этого условия в отношении полимерных материалов, имеющих значения С_lim меньшие, чем максимально возможная концентрация кислорода в рабочей газовой атмосфере обитаемого гермоотсека, по прототипу предусмотрено, что при возгорании этих материалов, по сигналу средств обнаружении возгораний, которыми оснащен обитаемый гермоотсек, оперативно снижают производительность вентиляционной системы до уровня, при котором скорость вентиляционного потока в местах размещения элементов из горючих материалов снижается ниже значений V_lim наиболее горючих материалов.

Зависимость максимальной скорости потоков для жилых зон обитаемого гермоотсека обозначенного модуля от времени после выключения системы вентиляции в гермоотсеке приведена на фиг. 1.

Процесс потухания плоского элемента из органического стекла СО-120-А в невесомости на станции «Мир» в орбитальном полете показан на фиг. 2.

Газовый поток на кадрах направлен сверху, из органического стекла, показанный на кадре 1 в профиль, был зажжен за 35 с до момента, зафиксированного на кадре 1, и горел в камере горения вначале при скорости газового потока, равной 6,4 см/с. Длина пламени составила 30 мм. Затем скорость потока была повышена до 15 см/с. Интенсивность горения резко увеличилась и стала практически близкой к интенсивности горения в нормальных земных условиях - при наличии ускорения земного притяжения. Длина пламени увеличилась до 65 мм. Далее обдув образца был прекращен посредством выключения вентиляции. Пламя начало все больше и больше отходить от поверхности горящего образца вперед (кадры 3 и 4) в пространство, где находится газовая среда с содержанием кислорода, достаточным для существования пламени. Далее, вследствие отрыва пламени от поверхности горящего образца (кадры 5 и 6), пламя приобрело форму, близкую к сферической, наиболее благоприятную для своего существования за счет более значительных диффузионных потоков окислительной газовой среды. Время прекращения горения образца в данном эксперименте составило 15 с.

Основным недостатком прототипа является следующее. При реализации данного технического решения не предполагается предотвращение возможного превышения указанного предельно допустимого времени горения элементов из полимерных материалов τ_lim, а это не исключает возможного превышения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования обитаемого гермоотсека температуры атмосферы Т_lim в гермоотсеке.

Превышение предельно допустимой температуры атмосферы в обитаемых гермоотсеках КЛА недопустимо, поскольку повышение температуры атмосферы является опасным фактором пожара, от которого не защищены космонавты и большинство элементов жизненно важного оборудования обитаемых гермоотсеков, в том числе элементов систем управления КЛА.

Кроме того, реализация технического решения по прототипу требует использования дорогостоящего оборудования, к которому относится в первую очередь термостатируемый полномасштабный макет гермоотсека космического летательного аппарата, в отношении которого выполняется работа по обеспечению пожарной безопасности.

Помимо этого, при реализации технического решения по прототипу требуется выполнение весьма сложных технически, трудоемких и дорогостоящих работ по измерению скоростей вентиляционного потока в пределах динамического пограничного слоя. Необходимо отметить, что измерение скоростей газового потока в области, близкой к значениям V_lim наиболее горючих материалов (порядка 1-5 см/с), является технически сложной и самостоятельной задачей.

Предлагаемое техническое решение свободно от указанных недостатков.

Целью настоящего изобретения является разработка способа обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке данного космического летательного аппарата в орбитальном полете за счет создания условий, при которых время тушения элементов из горючих полимерных материалов средствами, которыми оснащен обитаемый гермоотсек данного космического летательного аппарата, не превышает предельно допустимое время горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim, за которое температура атмосферы в обитаемом гермоотсеке повышается до предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования обитаемого гермоотсека температуры.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что в способе обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратах в орбитальном полете, включающем тушение пожара в обитаемом гермоотсеке посредством оперативного уменьшения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека до уровня, при котором скорость вентиляционного потока в местах размещения элементов из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, снижается ниже нижних пределов горения по скорости газового потока полимерных материалов с наименьшими нижними пределами горения по скорости газового потока, определенными в условиях невесомости при максимально возможной концентрации кислорода в атмосфере данного обитаемого гермоотсека космического летательного аппарата, для данного обитаемого гермоотсека определяют предельно допустимое время горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim, как время достижения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования данного обитаемого гермоотсека температуры атмосферы обитаемого гермоотсека, при этом элементы из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, допускаются к применению по пожарной безопасности в данном обитаемом гермоотсеке при выполнении следующего условия пожарной безопасности:

τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim,

где τ_ext - время тушения элемента из данного полимерного материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека, с; К_S - коэффициент безопасности,

а при выполнении указанного условия пожарной безопасности для всех примененных в данном обитаемом гермоотсеке элементов из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, данный обитаемый гермоотсек является пожаробезопасным в орбитальном полете и допускается к эксплуатации по пожарной безопасности в орбитальном полете.

Технический эффект, реализуемый заявляемым способом обеспечения пожарной безопасности в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете, обуславливается следующим.

Определение предельно допустимого времени горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim, как времени достижения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования обитаемого гермоотсека температуры атмосферы обитаемого гермоотсека позволяет установить возможность применения по пожарной безопасности в данном обитаемом гермоотсеке элементов из горючих полимерных материалов, у которых, пределы горения по концентрации кислорода C_lim ниже максимально возможной концентрации кислорода в рабочей газовой атмосфере гермоотсека данного КЛА, и нижние пределы горения по скорости газового потока V_lim меньше скорости вентиляционного потока V_vf в местах их расположения.

Определение предельно допустимого времени горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim позволяет также установить возможность применения по пожарной безопасности в данном обитаемом гермоотсеке всех примененных элементов из полимерных материалов, на основании чего данный обитаемый гермоотсек допускается к эксплуатации по пожарной безопасности в орбитальном полете.

Основным отличительным признаком изобретения является следующее: для данного обитаемого гермоотсека определяют предельно допустимое время горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim, как время достижения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования данного обитаемого гермоотсека температуры атмосферы обитаемого гермоотсека, при этом элементы из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, допускаются к применению по пожарной безопасности в данном обитаемом гермоотсеке при выполнении следующего условия пожарной безопасности: τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim.

Важностью и эффективностью данного отличительного признака является то, что в отношении практически всех элементов из полимерных материалов с помощью данного изобретения решается вопрос обеспечения пожаробезопасного применения в обитаемых гермоотсеках данного КЛА за счет обеспечения возможности тушения элемента из данного полимерного материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека, в течение времени τ_Tlim до повышения температуры атмосферы обитаемого гермоотсека выше предельно допустимой для космонавтов и оборудования гермоотсека температуры атмосферы обитаемого гермоотсека Т_lim, равной 60°С.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого технического решения являются новыми и отвечают критерию «новизна».

Настоящее предполагаемое изобретение основано на следующем логическом подходе к определению возможности и условий пожаробезопасного применения горючих полимерных материалов в составе конструкций оборудования, используемого в обитаемых гермоотсеках КЛА.

Подход заключается в установлении своевременного тушения возможных возгораний полимерных материалов в обитаемых гермоотсеках модулей КЛА с помощью системы тушения посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека КЛА.

Для определения возможности и условий пожаробезопасного применения горючих полимерных материалов в составе конструкций оборудования обитаемых гермоотсеков модуля КЛА за счет обеспечения своевременного тушения возгораний полимерных материалов, сформировано условие пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim, где τ_ext - время тушения элемента из данного полимерного материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека, с; К_S - коэффициент безопасности.

В случае, если для данного элемента из полимерного материала выполняется условие пожаробезопасности τ_ехt ≤ К_S × τ_Tlim, тогда данный элемент допускается к применению по пожаробезопасности в обитаемом гермоотсеке данного модуля КЛА. Но, если устанавливается обратное, то элемент из данного материала не допускается к применению. Данный материал должен быть заменен на материал, для которого выполняется указанное условие пожаробезопасности.

Для иллюстрации того, как выполняется условие пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim, ниже представлен пример его выполнения в отношении элемента из полимерного материала в случае его возгорания в обитаемом гермоотсеке модуля КЛА.

Как было указано выше, повышение температуры атмосферы при возгорании и горении элементов из полимерных материалов является единственным опасным фактором пожара в обитаемых гермоотсеках КЛА, от которого не защищены космонавты и большинство элементов жизненно важного оборудования обитаемых гермоотсеков, в том числе элементов систем управления КЛА.

Для установления факта выполнения условия пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim были определены значения τ_Tlim и τ_ext в отношении одного из элементов из полимерного материала после его возгорания в обитаемом гермоотсеке одного из модулей российского сегмента Международной космической станции.

Внутренний свободный объем данного обитаемого гермоотсека составляет 64 м³. Максимальная концентрация кислорода в атмосфере данного обитаемого гермоотсека, как во всех модулях Международной космической станции составляет 24,8%.

Значение τ_Tlim для обитаемого гермоотсека обозначенного модуля было определено следующим образом.

В связи с тем, что члены экипажа и жизненно важное оборудование обитаемых гермоотсеков не защищены от негативного воздействия атмосферы, нагретой в данном случае при горении элементов из полимерных материалов, предельно-допустимое время горения материалов τ_Tlim в обитаемых гермоотсеках модулей КЛА определялось как время достижения предельно-допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования обитаемых гермоотсеков температуры рабочей атмосферы Т_lim, которая по данным работы (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: «Машиностроение». 1977. - 263 с.) принята равной 60°С.

Предельно допустимое (пожаробезопасное) время горения полимерных материалов τ_Tlim в обитаемом гермоотсеке следует определять по зависимости, приведенной на фиг.3, которая была получена при проведении опытов по имитации пожара посредством нагрева атмосферы гермоотсеков различного объема с помощью теплового имитатора, устройство которого описано в работе (Попов A.M., Николаев В.М., Мелихов А.С., Болодьян И.А. Расчетно-экспериментальное исследование горения полимерных материалов в замкнутых объемах при повышенном содержании кислорода в атмосфере». В сб. научн. тр. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». - М.: ВНИИПО МВД СССР. Вып. 2. 1977. - С. 31-38).

По графику зависимости 1, показанному на фиг. 3, было определено, что значение τ_Tlim для свободного объема обитаемого гермоотсека обозначенного модуля Международной космической станции, равного 64 м³, составляет 204 с.

Как выше было обоснованно, принято с научной и практической точек зрения, применение данного полимерного материала по пожарной безопасности допускалось, если устанавливалось, что при возгорании элемента из данного полимерного материала выполняется условия пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim.

Время тушения элементов из данных полимерных материалов посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека τ_ext определялось следующим образом.

Время, за которое скорость потока атмосферы после выключения системы вентиляции в обитаемом гермоотсеке снижается от исходного штатного значения, равного по фиг. 1 40 см/с, до значений V_lim полимерных материалов, применяемых при создании оборудования для обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов определяется по фиг. 1. По этим зависимостям с использованием значений V_lim устанавливались времена тушения τ_ext полимерных материалов в обитаемых гермоотсеках модуля с помощью системы тушения возгораний полимерных материалов в орбитальном полете.

Исходя из определенного экспериментально значения V_lim для наиболее горючего полимерного материала, примененного обитаемом гермоотсеке модуля, каким является хлопок, у которого при С_ох=24,8%. значение V_lim=2.5 см/с, время тушения τ_ехt в обитаемом гермоотсеке обозначенного модуля Международной космической станции, составляет 75 с

Таким образом, время тушения τ_ext в орбитального полете наиболее горючего материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека составляет величину меньшую, чем значение τ_Tlim в соответствующих свободных пространствах обитаемых гермоотсеков модуля, а именно: предельно-допустимое время горения материалов τ_Tlim в обитаемом гермоотсеке модуля Международной космической станции составляет 204 с, а время тушения τ_ext - 75 с.

В этой связи, на основании доказанного факта выполняется условия пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim, с учетом коэффициента безопасности может быть сделано заключение о возможности пожаробезопасного применения в составе оборудования данных элементов из полимерных материалов.

В то же время было установлено, что для некоторых видов модулей КЛА при использовании в составе их оборудования высокогорючих конструкционных полимерных материалов условие пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim не выполняется.

Так, например, было проведено сопоставление значений τ_ext и τ_Tlim для гермоотсека одного из гермоадаптеров Международной космической станции.

Данный гермоадаптер имеет свободное пространство гермоотсека сферической формы - без выступающих в свободное пространство гермоотсека крупных элементов, поэтому процесс вязкостного торможения газового потока в гермоотсека этого гермоадаптера не подчиняется закономерности, представленной на фиг. 1, которая характерна для свободных пространств неправильной формы - с выступающими крупными элементами. В гермоотсеке такого гермоадаптера условия вязкостного торможения газового потока неблагоприятны - время вязкостного торможения, исходя из теоретических соображений, должно быть большим.

Объем указанного гермоотсека составляет 6 м³.

Анализ проводился в отношении элемента из высокогорючего полимерного материала полиацеталь, имеющего при С_ох=24,8% значение С_lim=11,2% и значение V_lim=0.9 см/с.

В соответствии с методикой, изложенной в работе (Патент РФ №2116092. «Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов». Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. Приоритет изобретения от 05.12.1995 г. Опубликован 27.07.98. Бюл. №21.), было определено время тушения τ_ехt элемента из полиацеталя посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы гермоотсека с достижением скорости вентиляционного потока V_vf в гермоотсеке данного гермоадаптера, равной значению V_lim для полиацеталя, равного 0.9 см/с. Оно составило - 180 с.

Найденное по графику на фиг. 3 значение τ_Tlim (расстояние по оси τ_Tlim от значения 0 до точки пересечения линий 1 и 3) составляет для гермоотсека данного гермоадаптера 62 с.

Видно, что в данном случае время тушения τ_ext элемента из полимерного материала полиацеталя намного превышает предельно допустимое время горения τ_Tlim элемента из полимерного материала. То есть предельно допустимое состояние в гермоотсеке при горении элемента из данного материала будет достигнуто до того, как произойдет тушения элемента из полиацеталя. При этом температура атмосферы в гермоотсеке данного гермоадаптера превысит предельно допустимое значение T_lim=60°С до тушения.

Таким образом, условие пожаробезопасности τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim в данном случае не выполняется.

Способ обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках космических летательных аппаратов в орбитальном полете, включающий тушение пожара в обитаемом гермоотсеке посредством оперативного уменьшения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека до уровня, при котором скорость вентиляционного потока в местах размещения элементов из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, снижается ниже нижних пределов горения по скорости газового потока полимерных материалов с наименьшими нижними пределами горения по скорости газового потока, определенными в условиях невесомости при максимально возможной концентрации кислорода в атмосфере данного обитаемого гермоотсека космического летательного аппарата, отличающийся тем, что для данного обитаемого гермоотсека определяют предельно допустимое время горения элементов из полимерных материалов τ_Tlim как время достижения предельно допустимой для космонавтов и жизненно важного оборудования данного обитаемого гермоотсека температуры атмосферы обитаемого гермоотсека, при этом элементы из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, допускаются к применению по пожарной безопасности в данном обитаемом гермоотсеке при выполнении следующего условия пожарной безопасности:

τ_ext ≤ К_S × τ_Tlim,

где τ_ext - время тушения элемента из данного полимерного материала посредством оперативного снижения производительности вентиляционной системы обитаемого гермоотсека, с; К_S - коэффициент безопасности,

а при выполнении указанного условия пожарной безопасности для всех примененных в данном обитаемом гермоотсеке элементов из полимерных материалов, имеющих нижние пределы горения по скорости газового потока меньше скорости вентиляционного потока в местах их расположения, данный обитаемый гермоотсек космического летательного аппарата является пожаробезопасным в орбитальном полете и допускается к эксплуатации по пожарной безопасности в орбитальном полете.