載人航天器壓力應(yīng)急環(huán)境著火危險(xiǎn)性試驗(yàn)研究

畢建智，趙 維，趙建衛(wèi)，牛 強(qiáng)，葉志萍

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100193）

0 引言

當(dāng)載人航天器進(jìn)入壓力應(yīng)急工況且艙內(nèi)壓力小于54 kPa時(shí)，有大量的氧氣排放到座艙內(nèi)，使艙內(nèi)的氧濃度（體積比）急劇增加。在對(duì)載人航天器進(jìn)行壓力應(yīng)急地面模擬試驗(yàn)時(shí)，地面模擬試驗(yàn)艙也存在著類(lèi)似的危險(xiǎn)試驗(yàn)環(huán)境。1967年1月27日美國(guó)發(fā)生了3名航天員在地面純氧環(huán)境下慘死的“阿波羅事件”，4天后美國(guó)空軍基地的2名航空兵在富氧的空間模擬艙中喪生[1]，這種悲劇性事例還有很多。對(duì)這種艙內(nèi)低壓力、高濃度氧狀況的著火危險(xiǎn)性如何評(píng)價(jià)，是關(guān)系到載人航天器和地面模擬試驗(yàn)艙安全性的重要問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)有火災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室及火災(zāi)研究所，且建筑材料等著火試驗(yàn)方法也已形成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，但未見(jiàn)低壓高濃度氧環(huán)境下著火試驗(yàn)的研究報(bào)道。美國(guó)飛船最初采用1/3大氣壓純氧的壓力制度，但其試驗(yàn)條件與載人航天器壓力應(yīng)急環(huán)境有較大的不同，因此要針對(duì)壓力應(yīng)急環(huán)境的壓力和氧濃度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 物質(zhì)燃燒原理及規(guī)律

1.1 燃燒三要素[4]

燃燒是可燃物（即燃料）快速氧化，伴有火焰、發(fā)光（或）發(fā)煙現(xiàn)象的放熱反應(yīng)。燃燒的先決條件是必須有燃料和氧化劑，并達(dá)到一定的溫度。因此燃料、氧化劑和熱（點(diǎn)火源）是燃燒的三要素。

在防火安全中，燃料的性質(zhì)和燃料的溫度特性很重要，而燃料與氧化劑的反應(yīng)能力更重要。燃點(diǎn)（或著火點(diǎn)）是燃料開(kāi)始持續(xù)燃燒的最低溫度，是材料燃燒特性中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。燃燒時(shí)要有足夠的氧化劑，氧氣為最常見(jiàn)的氧化劑。點(diǎn)火源有多種，明火、火花（靜電）、電弧、絕熱壓縮產(chǎn)生的熱量聚集、設(shè)備故障和摩擦生熱等都可能成為點(diǎn)火源。

1.2 低壓環(huán)境相關(guān)燃燒試驗(yàn)

美國(guó)宇航醫(yī)學(xué)研究所進(jìn)行了33.4 kPa純氧環(huán)境條件下材料的可燃性和燃燒性研究[5]，獲得了材料的點(diǎn)火能量及燃燒速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與該材料在常壓下的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，很多在常壓條件下不燃燒的材料在該環(huán)境條件下燃燒速度很快，甚至比常壓下快1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。點(diǎn)火能量和常壓下差別不大，大部分材料點(diǎn)火能量有所降低，個(gè)別還有所升高。在1/3大氣壓純氧的壓力環(huán)境下，如果航天器發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)艙內(nèi)壓力降到6.67 kPa時(shí)，火會(huì)因缺氧而熄滅。同時(shí)認(rèn)為火災(zāi)發(fā)生后載人航天器內(nèi)的壓力不會(huì)驟然升高。

為了進(jìn)行該環(huán)境條件下發(fā)生火災(zāi)時(shí)的防護(hù)研究，美國(guó)進(jìn)行了老鼠和死豬的燃燒試驗(yàn)[6]，證明航天服材料能對(duì)人體進(jìn)行有效的保護(hù)。通用電器公司還進(jìn)行了該環(huán)境條件下航天器電纜的燃燒試驗(yàn)，以觀(guān)察電纜的燃燒性質(zhì)。

馬歇爾中心進(jìn)行了不同壓力（低于1個(gè)大氣壓下）純氧條件下多種非金屬材料燃燒試驗(yàn)[7]，這些非金屬材料在常壓下都不燃燒，但在不同壓力的純氧條件下都變成了可燃物。圖1為丁基橡膠（butyl rubber）、天然橡膠（natural rubber）和海帕倫（hypalon）3種材料在純氧條件下壓力與燃燒速度曲線(xiàn)。

圖 1 材料在純氧條件下壓力與燃燒速度曲線(xiàn)Fig.1 Burning rate of materials in pure oxygen environment under various pressures

由該圖可看出壓力越高，材料的燃燒速度越快。

1.3 氧濃度和壓力對(duì)燃燒的影響

載人航天器和地面模擬試驗(yàn)艙內(nèi)的可燃物絕大多數(shù)為固體，對(duì)于固體燃料的燃燒，通過(guò)資料[4-7]

可總結(jié)出以下規(guī)律。

1.3.1 氧濃度和壓力對(duì)燃燒速度的影響

1）壓力相同、氧濃度增加，燃燒速度加快；

2）氧濃度相同、壓力增加，燃燒速度加快。

1.3.2 氧濃度和壓力對(duì)最小點(diǎn)火能量的影響

1）壓力相同、氧濃度增加，最小點(diǎn)火能量減?。?/p>

2）氧濃度相同、壓力增加，最小點(diǎn)火能量減小。

例如在1個(gè)大氣壓純氧條件下，點(diǎn)燃普通服裝材料所需的能量降低了1 000倍，丙烷的最小點(diǎn)火能量降低了250倍。

1.3.3 溫度對(duì)最小點(diǎn)火能量的影響溫度升高，最小點(diǎn)火能量減小。

2 著火試驗(yàn)裝置

著火試驗(yàn)裝置由艙體、真空系統(tǒng)、點(diǎn)火及燃燒速度測(cè)量系統(tǒng)、溫度和氧濃度測(cè)量記錄系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、供配氣系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等組成。

2.1 艙體

艙體直徑為500 mm，壁厚為5 mm，直段長(zhǎng)度為1 000 mm，兩端標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，容積為241.2 L。為便于觀(guān)察記錄燃燒速度，艙體有3個(gè)觀(guān)察窗；為了方便物品安裝到艙內(nèi)或取出艙外，艙體設(shè)1個(gè)艙門(mén)；容器上有多個(gè)盲板及抽氣口等。

2.2 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由旋片泵、無(wú)油泵、真空閥門(mén)和真空表等組成。旋片泵可在0.5 h內(nèi)將試驗(yàn)艙內(nèi)的壓力抽到40 Pa以下。旋片泵為有油泵，不能抽純氧，只能用來(lái)將容器抽真空。當(dāng)艙內(nèi)氧濃度較高且壓力高于所需要的壓力時(shí)，可用無(wú)油泵抽氣。

2.3 點(diǎn)火及燃燒速度測(cè)量系統(tǒng)

采用加熱盤(pán)作為點(diǎn)火源，加熱盤(pán)接通220 V電壓，使其升溫從而使加熱盤(pán)上的試驗(yàn)材料受熱并點(diǎn)燃。點(diǎn)火及燃燒速度測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖 2 點(diǎn)火及燃燒測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.2 Ignition and burning measuring system

2.4 溫度和氧濃度測(cè)量記錄系統(tǒng)

測(cè)量記錄系統(tǒng)記錄容器內(nèi)氣溫，測(cè)量容器內(nèi)壓力和容器內(nèi)氧濃度。

2.5 監(jiān)視系統(tǒng)

監(jiān)視系統(tǒng)用來(lái)觀(guān)測(cè)和記錄燃燒情況，由一套攝像機(jī)和錄像機(jī)組成。

2.6 供配氣系統(tǒng)

為創(chuàng)造壓力應(yīng)急條件下的壓力和氧濃度環(huán)境，將高壓氣瓶中的氧氣和氮?dú)饨?jīng)減壓后按所需要的量送入試驗(yàn)容器進(jìn)行混合。

2.7 安全系統(tǒng)

為保證試驗(yàn)的安全，采用電接點(diǎn)真空表控制電磁閥的開(kāi)啟。當(dāng)艙內(nèi)壓力達(dá)到安全設(shè)定值時(shí)，電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟以保證試驗(yàn)的安全。

3 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)使用材料

載人航天器及地面模擬試驗(yàn)艙中的可燃物很多，無(wú)法全部用來(lái)進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。丁腈材料密封橡膠條是載人航天器及地面模擬試驗(yàn)艙中使用較多的一種材料，因此試驗(yàn)選用丁腈材料密封橡膠條。

3.2 試驗(yàn)的壓力和氧濃度

根據(jù)載人航天器壓力應(yīng)急工況，選取以下壓力和氧濃度環(huán)境進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。

1）氧濃度62.2%，壓力20.0 kPa；

2）純氧（氧濃度大于95%），壓力10.0 kPa，7.8 kPa，5.0 kPa，3.0 kPa，2.0 kPa，1.0 kPa；

3）常壓下的燃燒試驗(yàn)：壓力應(yīng)急條件下的試驗(yàn)首先應(yīng)進(jìn)行常壓下的試驗(yàn)，試驗(yàn)除壓力和氧濃度不同以外，其他條件要一致，以便進(jìn)行對(duì)照。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表 1 材料燃燒試驗(yàn)記錄表Table 1 Material burning test record sheet

由表1可以看出：在載人航天器壓力應(yīng)急過(guò)程中，雖然壓力降低，但艙內(nèi)的氧濃度急劇增加。在氧濃度為62.2%，壓力為20 kPa時(shí)，密封條的燃燒速度為常壓空氣中燃燒速度的17倍，并且為爆燃。在這種環(huán)境下如果發(fā)生火災(zāi)，將很難控制。隨著壓力的進(jìn)一步下降，雖然氧濃度增加了，但燃燒速度卻下降了。在壓力為5.0 kPa的純氧環(huán)境下，雖然燃燒速度仍然較快，但因?yàn)榕搩?nèi)氧氣量有限，燃燒會(huì)因缺氧而熄滅；在壓力小于2.0 kPa的純氧環(huán)境下，很難點(diǎn)燃。

從點(diǎn)火時(shí)間看，點(diǎn)火能量和常壓下差別不大，大部分材料點(diǎn)火能量有所升高，只有個(gè)別有所降低。燃燒后艙內(nèi)的壓力有所升高，但沒(méi)有驟然升高。

4 結(jié)論及建議

載人航天器艙內(nèi)一旦著火，便是災(zāi)難性事件[8]。在載人航天器進(jìn)入壓力應(yīng)急工況時(shí)，座艙內(nèi)的氧濃度不斷升高，如果發(fā)生火災(zāi)，其燃燒速度很快，而且易發(fā)生爆燃，很難控制。雖然發(fā)生壓力應(yīng)急工況是小概率事件，而同時(shí)發(fā)生火災(zāi)的概率更小，盡管如此，我們?nèi)孕枰獙?duì)壓力應(yīng)急工況下發(fā)生火災(zāi)的各種可能因素進(jìn)行認(rèn)真的分析，采取恰當(dāng)?shù)幕馂?zāi)防范措施，如提高電纜、服裝等材料的阻燃性能，特別要避免產(chǎn)生火花（靜電）、電弧等，以確保航天器及乘員的安全。

根據(jù)試驗(yàn)研究的結(jié)果，建議載人航天器壓力應(yīng)急工況可適當(dāng)加快向艙外排氧的速度，最終平衡壓力小于5.0 kPa為最佳。因?yàn)閴毫υ?.0 kPa以下時(shí)，容器中氧的含量很少，即使發(fā)生火災(zāi)最后也會(huì)因缺氧而熄滅；壓力在2.0 kPa以下時(shí)的純氧環(huán)境，密封橡膠條無(wú)法點(diǎn)燃。因此，純氧狀態(tài)下壓力小于5.0 kPa是安全的。

（References）

[1]Galasyn V D.A survey of fire-prevention problems in closed oxygen-containing environments.AD 675817[R].Bureau of medicine and surgery, Navy Department,1968-05-20

[2]GB 14523－93 建筑材料著火性試驗(yàn)方法[S].1993-06-19

[3]GB/T 5464－1999 建筑材料不燃性試驗(yàn)方法[S].1999-05-31

[4]靳志琪, 朱仁蓋, 崔明政.火災(zāi)[M].北京： 國(guó)防工業(yè)出版社, 1984

[5]Ellinson H V.The effect of 100% oxygen at reduced pressure on the ignitibility and combustibility of materials.AF 41(609)-2478, 1965

[6]Denison D, Ernsting J, Cresswell A W.The fire risk to man of oxgen rich gas environments[R].Flying personnel research committee.N67 10471, 1965-07

[7]Key C F, Austin J G, Bran J W.Flammability of materials in gaseous oxgen environments[R].NASA TM X-64783, 1973

[8]沈?qū)W夫, 趙成堅(jiān).載人航天器座艙著火可能性及滅火方案[J].中國(guó)航天, 2002(8)： 26

Shen Xuefu, Zhao Chengjian.Issues in fire safety and assurance factors for manned spacecraft[J].Aerospace China, 2002(8)： 26