载人航天器压力应急环境着火危险性试验研究

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1、第28卷第6期航天器环境工程2011年l2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING597量皇量量曼舅量曼曼曼曼曼!曼曼曼曼曼曼量量量曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼苎曼!!!!!曼曼曼!曼曼曼鼍曼曼曼曼曼皇曼曼曼!曼曼曼量皇喜曼曼曼曼曼量量量曼曼笪曼曼曼曼曼III载人航天器压力应急环境着火危险性试验研究毕建智，赵维，赵建卫，牛强，叶志萍(中国航天员科研训练中心，北京100193)摘要：载人航天器在压力应急环境下处于低压高浓度氧环境。为了分析该环境下载人航天器在太空中飞行以及地面模拟

2、试验中的着火危险性，研制了低压高浓度氧环境着火试验装置，并进行了燃烧试验。对载人航天器压力应急环境下材料的燃烧速度和点火能量等因素进行分析研究，得到了压力应急工况的材料着火和燃烧的规律，并给出了火灾防范的建议。关键词：载人航天器；压力应急；富氧环境；燃烧试验中图分类号：V416．5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)06-0597-04DoI：lO．3969／j．issn．1673—1379．2011．06．0180引言当载人航天器进入压力应急工况且舱内压力小于54kPa时，有大

3、量的氧气排放到座舱内，使舱内的氧浓度(体积比)急剧增加。在对载人航天器进行压力应急地面模拟试验时，地面模拟试验舱也存在着类似的危险试验环境。1967年1月27日美国发生了3名航天员在地面纯氧环境下惨死的“阿波罗事件”，4天后美国空军基地的2名航空兵在富氧的空间模拟舱中丧生【l】，这种悲剧性事例还有很多。对这种舱内低压力、高浓度氧状况的着火危险性如何评价，是关系到载人航天器和地面模拟试验舱安全性的重要问题。虽然国内有火灾国家重点试验室及火灾研究所，且建筑材料等着火试验方法也已形成国家标准【2。3】，

4、但未见低压高浓度氧环境下着火试验的研究报道。美国飞船最初采用1／3大气压纯氧的压力制度，但其试验条件与载人航天器压力应急环境有较大的不同，因此要针对压力应急环境的压力和氧浓度进行试验研究。1物质燃烧原理及规律1．1燃烧三要素一1燃烧是可燃物(即燃料)快速氧化，伴有火焰、发光(或)发烟现象的放热反应。燃烧的先决条件是必须有燃料和氧化剂，并达到一定的温度。因此燃料、氧化剂和热(点火源)是燃烧的三要素。在防火安全中，燃料的性质和燃料的温度特性很重要，而燃料与氧化剂的反应能力更重要。燃点(或着火点)是燃料

5、开始持续燃烧的最低温度，是材料燃烧特性中的一个非常重要的指标。燃烧时要有足够的氧化剂，氧气为最常见的氧化剂。点火源有多种，明火、火花(静电)、电弧、绝热压缩产生的热量聚集、设备故障和摩擦生热等都可能成为点火源。1．2低压环境相关燃烧试验美国宇航医学研究所进行了33．4kPa纯氧环境条件下材料的可燃性和燃烧性研究【5】，获得了材料的点火能量及燃烧速度试验数据，并与该材料在常压下的对应数据进行了比较。试验结果表明，很多在常压条件下不燃烧的材料在该环境条件下燃烧速度很快，甚至比常压下快l～3个数量级。点

6、火能量和常压下差别不大，大部分材料点火能量有所降低，个别还有所升高。在1／3大气压纯氧的压力环境下，如果航天器发生火灾，当舱内压力降到6．67kPa时，火会因缺氧而熄灭。同时认为火灾发生后载人航天器内的压力不会骤然升高。为了进行该环境条件下发生火灾时的防护研究，美国进行了老鼠和死猪的燃烧试验【6】，证明收稿日期：2011-07．10；修回日期：2011-11．23基金项目：载人航天工程项目“低压高浓度氧环境着火试验研究”(编号：HY．7—2002)作者简介：毕建智(1965一)，男，硕士学位，高级

7、工程师，主要从事载人航天环境模拟技术研究。E-mail：zhhua387@sohu．com。航天器环境工程第28卷航天服材料能对人体进行有效的保护。通用电器公司还进行了该环境条件下航天器电缆的燃烧试验，以观察电缆的燃烧性质。马歇尔中心进行了不同压力(低于1个大气压下)纯氧条件下多种非金属材料燃烧试验【7】，这些非金属材料在常压下都不燃烧，但在不同压力的纯氧条件下都变成了可燃物。图1为丁基橡胶(butylrubber)、天然橡胶(naturalrubber)和海帕伦(hypalon)3种材料在纯氧条

8、件下压力与燃烧速度曲线。图1材料在纯氧条件下压力与燃烧速度曲线Fig．1Burningrateofmaterialsinpureoxygenenvironmentundervariouspressures由该图可看出压力越高，材料的燃烧速度越快。1．3氧浓度和压力对燃烧的影响载人航天器和地面模拟试验舱内的可燃物绝大多数为固体，对于固体燃料的燃烧，通过资料降71可总结出以下规律。1．3．1氧浓度和压力对燃烧速度的影响1)压力相同、氧浓度增加，燃烧速度加快；2)氧浓度相同、压力增加，燃