Способ пожаротушения в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете в режиме искусственной тяжести

Способ пожаротушения в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете в режиме искусственной тяжести

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Пожарная опасность в обитаемых гермоотсеках КЛА входит в число основных опасных факторов космического полета (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: «Машиностроение», 1977. - 263 с.). Это обусловлено тем, что атмосфера в обитаемых гермоотсеках КЛА может быть значительно (до 30-40% объемных) обогащена кислородом, гермоотсеки в высокой степени насыщены электрооборудованием и конструкционными неметаллическими материалами, большая часть из которых является горючей в обогащенной кислородом атмосфере. Оборудование в гермоотсеках, в том числе ответственное за живучесть КЛА, крайне уязвимо для пожара. Практически невозможно оказать помощь экипажу извне при пожаре на КЛА. Затруднена эвакуация экипажа при пожаре.

Эксплуатация долговременных космических станций и подготовка к межпланетным полетам поставили задачу обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в космосе в течение весьма длительного периода времени. При длительном воздействии невесомости в организме человека возникают нежелательные изменения: вестибулярные расстройства, частичные нарушения кровообращения, снижение тонуса мышц, гипотония и нарушение обмена кальция. Защита экипажа от неблагоприятного воздействия невесомости может быть обеспечена за счет создания в гермоотсеке КЛА искусственной тяжести. Одним из наиболее перспективных способов создания искусственной тяжести в КЛА является закрутка всего КЛА или его части, что обеспечивает постоянную силу тяжести в обитаемом гермоотсеке в течение практически всего времени полета экипажа (Космонавтика / Энциклопедия. Под ред. В.П.Глушко // - М.: «Советская энциклопедия», 1985. - 527 с.).

В то же время при создании постоянно действующей силы тяжести в обитаемом гермоотсеке КЛА появляются благоприятные условия для развития в нем пожара из-за возникновения естественно конвективных потоков, что выдвигает повышенные требования к системе обеспечения пожарной безопасности гермоотсеков в орбитальном полете.

Существует целый ряд потенциальных способов обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА. Одним из них является использование огнетушащих средств. Так решен вопрос обеспечения пожарной безопасности гермоотсеков американского орбитального корабля многоразового использования «Шаттл» (Space Shattle News Referense NASA. 1981). Недостатки этого способа известны: необходимо транспортировать на орбиту огнетушащее оборудование, при тушении возможно необратимое загрязнение атмосферы гермоотсека огнетушащим веществом, что нарушает экологическую обстановку в гермоотсеке, приводит к порче электрооборудования. Кроме того, следует учитывать, что в обогащенной кислородом атмосфере в несколько раз возрастает необходимый запас огнетушащего вещества, а следовательно, и масса оборудования для пожаротушения. Существует способ пожаротушения в обитаемом гермоотсеке КЛА за счет его разгерметизации (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: «Машиностроение», 1977. - 263 с.). Недостатком этого способа является возможная потеря атмосферы гермоотсека.

За прототип принят способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА в орбитальном полете (Патент России №2076497. Авторы: Мелихов А.С., Зайцев С.Н., МКИ 6 А62 С 2/00. Приоритет изобретения 11.11.94 г. Опубл. 27.03.97. Бюл. №9), в соответствии с которым при обнаружении пожара в гермоотсеке оперативно снижают производительность вентиляционной системы до уровня, при котором скорость вентиляционного потока в местах размещения элементов из горючих материалов не превышает значения нижнего предела горения материалов по скорости потока (V_lim) для этих материалов. Значение V_lim определяются, например, по методике, приведенной в работе (Мелихов А.С., Потякин В.И. и др./О предельных режимах горения полимеров в отсутствии свободной конвекции.//В журнале «Физика горения и взрыва». №4, 1983, - с.27-30). Суть изобретения по способу-прототипу состоит в следующем. При отключении системы принудительной вентиляции или при снижении ее производительности движение газовой атмосферы в гермоотсеке приобретает вихревой характер и происходит естественное торможение потока за счет вязкостной диссипации его кинетической энергии во времени. Скорость газового потока в месте загорания уменьшается, достигает значения V_lim, и горение в невесомости самопроизвольно прекращается - осуществляется тушение пожара в гермоотсеке без применения огнетушащего вещества.

Зависимость для определения времени снижения скорости вентиляционного потока в гермоотсеке от исходного значения (V_o) до значения предела горения (V_lim) имеет вид:

где - критерий гомохронности; - критерий Рейнольдса для режима течения газовой среды в вихре при начальной скорости; - критерий Рейнольдса для режима течения в данный момент времени; V_o, V_τ - начальное и текущее значение скорости потока в вихре; τ - время; ν - коэффициент кинематической вязкости; - характерный размер вихря, связывающий значения его высоты Н и эффективного радиуса R_ef, которые определяются размерами свободных зон в гермоотсеке; k, m, n - эмпирические коэффициенты, значения которых находятся в следующих диапазонах: k: от 0,03 до 0,86; m: от 1,15 до 4,14; n: от минус 0,7 до минус 3,62.

При обработке результатов исследований были получены значения указанных эмпирических коэффициентов для ламинарного, переходного и турбулентного режимов течения газа в период вязкостной диссипации кинетической энергии его движения в диапазоне критерия Рейнольдса от 18 до 13360, что обеспечивает определение времени торможения вентиляционных потоков в гермоотсеках современных КЛА. Зависимостью (1) определяется максимальное время снижения скорости потока в пристеночной области, то есть там, где, как правило, расположена зона пламени при горении материалов. Экспериментами на натурных модулях современных КЛА показано, что расчеты по формуле типа (1) дают результаты, отличающиеся от действительных не более чем на 20%.

Действие системы пожаротушения, основанной на положениях способа-прототипа носит объемный характер - пожаротушение осуществляется в любых труднодоступных местах и в ограниченных пространствах гермоотсека. Это средство пожаротушения высоко экологично.

Недостатком прототипа является то, что при искусственной тяжести пожаротушение в гермоотсеке за счет остановки вентиляционных потоков пожаротушение может стать недостижим из-за возникновения естественно-конвективных потоков, которые будут поддерживать горение даже при выключенной вентиляционной системе, как это происходит на Земле.

Для определения возможности такого положения необходимо сравнить: минимальное ускорение, обеспечивающее условия существования человека, приближающиеся к нормальным - земным (g_n), и максимальное ускорение, при котором еще не может происходить горение материалов (g_lim). Рекомендуемое минимальное значение g_n (Артюхин Ю.П. и др. /Системы управления космических аппаратов, стабилизированных вращением //М.: «Наука», 1979. - 100 с.) составляет 3 м/с². На фиг.1 (линия 1) приведена зависимость значения g_lim от концентрации кислорода (С_ох) для одного из наиболее горючих конструкционных материалов - органического стекла. (Минимальная концентрация кислорода, при котором этот материал может гореть на Земле, равная 15,5%, на фиг.1 представлена линией С_lim). При параметрах, соответствующих кривой 1 и области, расположенной ниже кривой 1, горение материала не поддерживается. Эти данные получены по методике, приведенной в работе (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. /Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации//Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара, г. Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001, - с.195-204). Видно, что при С_ох=40% значение g_lim для органического стекла составляет 0,4 м/с². Это много меньше значения g_n, поэтому при режиме искусственной тяжести, когда g_n≤3 м/с², пожар в гермоотсеке в орбитальном полете будет развиваться и при выключенной системе вентиляции.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности пожаротушения в обитаемых гермоотсеках КЛА в орбитальном полете в режиме искусственной тяжести.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов для повышения эффективности пожаротушения после обнаружения загорания одновременно со снижением производительности системы принудительной вентиляции в гермоотсеке к космическому аппарату прикладывают импульс реактивной силы в направлении, обратном направлению его вращения, до уменьшения угловой скорости вращения, определяемой из соотношения:

где ω_lim - угловая скорость вращения космического летательного аппарата, при которой прекращается горение;

r_hm - расстояние от центра масс космического летательного аппарата до зоны обитаемого гермоотсека, наиболее удаленной от центра масс аппарата;

g_lim - предельная для горения конструкционных материалов величина ускорения силы тяжести,

при этом время снижения угловой скорости вращения до значения ω_lim не превышает времени снижения скорости вентиляционного потока в приборной зоне обитаемого гермоотсека от штатного значения до значения, равного предельной для горения наиболее горючих конструкционных материалов скорости потока, а режим искусственной тяжести в гермоотсеке восстанавливают после восстановления в гермоотсеке нормального режима принудительной вентиляции.

Изобретение основано на результатах экспериментальных исследований закономерностей процесса горения конструкционных материалов в области ускорений, меньших ускорения земного притяжения. Установлено, что с понижением ускорения интенсивность горения материалов и размеры очага уменьшаются. В итоге, при достижении ускорения g_lim горение уже не поддерживается из-за недостаточной скорости массообменных процессов в пламени.

Исходя из изложенного видно, что производимое при обнаружении загорания одновременное снижение производительности системы принудительной вентиляции (или ее отключение) и снижение скорости вращения КЛА за счет приложения тормозного импульса, в гермоотсеке обеспечивается одновременное протекание двух процессов, приводящих к тушению пожара в условиях орбитального полета в режиме искусственной тяжести. Первый процесс заключается в постепенном снижении скорости потока по всему объему гермоотсека (и в месте загорания) за счет вязкостной диссипации кинетической энергии газовой среды в соответствии с уравнением (1). Это приводит к уменьшению размеров очага, скорости сгорания и тепловыделения материалов при горении. В итоге в зоне очага горения достигается скорость вентиляционного потока, равная значению V_lim для горящих в это время материалов, после чего пожар самопроизвольно прекращается. Второй процесс обеспечивается приложением к вращающемуся КЛА тормозного момента, что ведет к уменьшению угловой скорости вращения аппарата и снижению искусственной тяжести в гермоотсеке. За счет этого уменьшается интенсивность естественно-конвективных потоков, побуждаемых очагом горения. Это подтверждается тем, что число Грасгофа, характеризующее интенсивность естественной конвекции, прямо зависит от величины ускорения силы тяжести. При достижении ускорения g_lim горение прекращается.

Из изложенного выше следует, что поставленная цель может быть достигнута только при реализации обоих описанных процессов. Если длина тепловой струи от очага горения соизмерима с характерным размером отсека, то в начале оба процесса взаимодействуют друг с другом, несколько уменьшая время остановки вынужденного вентиляционного потока из-за турбулизации среды. Затем, по мере уменьшения размеров очага, процессы начинают протекать независимо друг от друга. В связи с этим время тушения при совместном протекании этих двух процессов определяется наиболее длительным из них.

На фиг.1 представлена зависимость показателя горючести g_lim от концентрации кислорода для органического стекла СО-120 (кривая 1) и для сравнения дан предел горения материала по концентрации кислорода, определенный для наземных условий (при g=981 см/с²) - линия С_lim. На фиг.2 приведена одна из схем устройства КЛА с искусственной тяжестью, рекомендуемая в научной литературе.

Предложенный способ пожаротушения может быть в применен для противопожарной защиты обитаемого гермоотсека КЛА с искусственной тяжестью, представленного в источнике (Космонавтика /Энциклопедия. Под ред. В.П.Глушко // - М.: «Советская энциклопедия», 1985. - 527 с., см. стр.145). Данный КЛА, схема которого приведена на фиг.2, состоит из модуля с обитаемым гермоотсеком 1 и приборно-агрегатного модуля 2, соединенных тросом 3. Для создания искусственной тяжести всему КЛА придается вращение вокруг его центра масс 4, в результате чего в обитаемом гермоотсеке возникает искусственная тяжесть, вектор которой обозначен поз.5. Регулирование параметров искусственной тяжести может осуществляться изменением длины троса 3, который разматывается с барабана 6.

По формуле

определим расстояние от центра масс КЛА до обитаемого гермоотсека (r_hm), при котором в режиме искусственной тяжести обеспечиваются условия существования человека, приближающиеся к нормальным - земным. Согласно работе (Артюхин Ю.П. и др. /Системы управления космических аппаратов, стабилизированных вращением. //М.: «Наука», 1979. - 100 с.), значение минимального ускорения в режиме искусственной тяжести (g_n) и значение максимальной угловой скорости (ω_о) должны быть равными 3 м/с² и 0,4 рад/с соответственно. В данном случае рассчитанное значение r_hm равно 18,75 м.

Наиболее горючие материалы гермоотсеков имеют предельное для горения ускорение (g_lim), равное 0,4 м/с². По формуле (2) находим значение угловой скорости, при которой достигается ускорение, равное g_lim, и в отсутствие вентиляционного потока в обитаемом гермоотсеке прекращается горение наиболее горючих материалов. В данном случае значение ω_lim равно 0,146 рад/с.

Расчеты по формуле типа (1), подтвержденные экспериментами на натурных модулях КЛА, позволяет с достаточной точностью определять время снижения скорости потока в обитаемом гермоотсеке от штатного значения V_o до значения V_lim материалов, применяемых в гермоотсеке, то есть определять время тушения пожара за счет остановки вентиляционного потока. Так, в обитаемых гермоотсеках современных КЛА время снижения скорости вентиляционного потока от штатного значения V_o, до значения V_lim высокогорючих материалов, равного при С_ох=40% около 0,01 м/с, составляет: для приборной зоны 30-40 с, для жилой зоны 100-120 с.

Возникновение пожара в приборной зоне обитаемого гермоотсека считается наиболее вероятным пожароопасным событием для КЛА в орбитальном полете. В этой связи при тушении пожара время снижения угловой скорости от максимальной (ω_о) до угловой скорости вращения КЛА, равной ω_lim, при которой прекращается горение (τ_lim), следует обеспечивать равным или меньшим времени остановки вентиляционного потока в приборной зоне гермоотсека. При этом значение τ_lim не должно быть меньше времени снижения угловой скорости от ω_о до ω_lim, при котором в обитаемом гермоотсеке возникает ускорение силы тяжести, превышающее предельно допустимое для человека (Береговой Г.Т., Тищенко А.А., Шибанов Г.П., Ярополов В.И. Безопасность космических полетов. - М.: «Машиностроение», 1977. - 263 с.).

Для вновь создаваемых КЛА время снижения скорости вентиляционного в приборной зоне обитаемого гермоотсека должно определяться отдельно, преимущественно экспериментально, в натурных гермоотсеках.

Учитывая, что для установления с помощью пожарных извещателей факта успешного пожаротушения в гермоотсеке необходимо обеспечивать перемещение рабочей атмосферы в гермоотсеке, режим искусственной тяжести после пожара следует восстанавливать после восстановления в гермоотсеке нормального режима принудительной вентиляции.

Предлагаемый способ имеет преимущества перед прототипом и другими известными способами, обеспечивая тушение пожара в обитаемом гермоотсеке КЛА в условиях орбитального полета в режиме искусственной тяжести без использования огнетушащих веществ и без разгерметизации гермоотсека, за счет одновременного снижения скорости потока принудительной вентиляции и ускорения в гермоотсеке до величин, ниже предельных для горения применяемых материалов значений скорости и ускорения (V_lim и g_lim). Проведение тушения предлагаемым способом достаточно просто автоматизируется. Действие системы пожаротушения, основанной на положениях предлагаемого способа, носит объемный характер. Это средство пожаротушения высоко экологично.

Способ пожаротушения в обитаемом гермоотсеке космического летательного аппарата в орбитальном полете в режиме искусственной тяжести, обеспечиваемой вращением аппарата, включающий снижение производительности системы принудительной вентиляции в гермоотсеке при обнаружении пожароопасной ситуации, отличающийся тем, что одновременно со снижением в гермоотсеке производительности системы принудительной вентиляции к космическому аппарату прикладывают импульс реактивной силы в направлении, обратном направлению его вращения, до уменьшения угловой скорости вращения, определяемой из соотношения

где ω_lim - угловая скорость вращения космического летательного аппарата, при которой прекращается горение;

r_hm - расстояние от центра масс космического летательного аппарата до зоны обитаемого гермоотсека, наиболее удаленной от центра масс аппарата;

g_lim - предельная для горения конструкционных материалов величина ускорения силы тяжести,

при этом время снижения угловой скорости вращения до значения ω_lim не превышает времени снижения скорости вентиляционного потока в приборной зоне обитаемого гермоотсека от штатного значения до значения, равного предельной для горения наиболее горючих конструкционных материалов скорости потока, а режим искусственной тяжести в гермоотсеке восстанавливают после восстановления в гермоотсеке нормального режима принудительной вентиляции.