載人航天器防火安全設(shè)計(jì)

劉 洋

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙內(nèi)的防火安全關(guān)系到航天器的安全運(yùn)行和航天員的生命安全，一直是載人航天器研制過程中重要的設(shè)計(jì)和控制項(xiàng)目。載人航天器內(nèi)存在大量的電氣設(shè)備、較多的非金屬材料，且密封艙內(nèi)擁有高濃度的氧氣環(huán)境。電路過載、短路，設(shè)備過熱，氧氣泄漏等成為了載人航天器內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的主要隱患。1967年，美國(guó)“阿波羅”204號(hào)飛船在發(fā)射塔架上進(jìn)行合練時(shí)突發(fā)火災(zāi)，3名航天員當(dāng)場(chǎng)遇難；1970年，“阿波羅”13號(hào)飛船登月飛行時(shí)，服務(wù)艙因電路過載、短路引起火災(zāi)爆炸，航天員緊急撤離到登月艙中才得以艱難返回地球[1]；1997年，“和平號(hào)”空間站氧氣發(fā)生器破裂引起火災(zāi)，后被航天員撲滅；美國(guó)航天飛機(jī)也多次發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)事故，失火概率達(dá)10%[2-4]。

本文以“神舟”飛船、空間實(shí)驗(yàn)室密封艙防火設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依照火災(zāi)發(fā)生的三要素（可燃物、氧化劑、點(diǎn)火源）并結(jié)合我國(guó)載人航天器防火實(shí)際需求，對(duì)載人航天器防火安全設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，以用于支持載人航天器開展密封艙內(nèi)防火、滅火試驗(yàn)，對(duì)貨運(yùn)飛船、空間站等后續(xù)載人航天器的防火設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 密封艙內(nèi)可燃物控制

密封艙內(nèi)可燃物控制是防火安全工作的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。密封艙內(nèi)可燃物主要是密封艙內(nèi)大量不同種類的非金屬材料，因此需要了解各類非金屬材料的可燃性能，將易燃材料控制在危險(xiǎn)范圍之外。載人航天器對(duì)于非金屬材料的選用有嚴(yán)格的要求[5]，借鑒航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，應(yīng)逐項(xiàng)對(duì)密封艙內(nèi)使用的非金屬材料進(jìn)行阻燃性能試驗(yàn)及燃燒產(chǎn)物試驗(yàn)，試驗(yàn)合格的非金屬材料才可裝器使用。

1.1 阻燃性能試驗(yàn)

根據(jù)非金屬材料在艙內(nèi)所處的不同位置，分為垂直燃燒、水平燃燒、45°傾斜燃燒和 60°傾斜燃燒試驗(yàn)，通過記錄自熄滅時(shí)間、有無滴落物及滴落物續(xù)燃時(shí)間、陰燃時(shí)間、試樣燒焦長(zhǎng)度等來判斷艙內(nèi)非金屬材料的阻燃性能。

1.2 燃燒產(chǎn)物試驗(yàn)

對(duì)一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、二氧化硫、氰化氫等6種毒性氣體含量進(jìn)行測(cè)定[8]。試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)[5]見表1。

表1 毒性氣體含量合格標(biāo)準(zhǔn) Table 1 Regular standard of toxic gas

對(duì)于阻燃及燃燒產(chǎn)物試驗(yàn)結(jié)果不合格的非金屬材料，有以下2種處理措施：

1）非金屬材料在金屬夾層內(nèi)或在密閉容器中，無被引燃條件的，可認(rèn)為該非金屬材料滿足防火安全要求；

2）試驗(yàn)結(jié)果不合格的其他非金屬材料，需檢查其使用情況并進(jìn)行使用環(huán)境分析，確定可采取中間加阻燃非金屬材料隔離或更換等措施進(jìn)行防護(hù)后，可認(rèn)為符合防火安全要求。

2 密封艙內(nèi)氧濃度控制

對(duì)密封艙內(nèi)氧化劑控制主要是對(duì)艙內(nèi)氧濃度進(jìn)行控制。俄羅斯聯(lián)邦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，俄羅斯的載人航天器密封艙內(nèi)氧濃度不應(yīng)超出40%[9]。為了保持更高的安全性，在對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)后，我國(guó)載人航天器密封艙內(nèi)氧濃度要求一般不應(yīng)超過30%。

密封艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置通風(fēng)設(shè)備，避免氧氣聚集；配備氧濃度控制設(shè)備，在出現(xiàn)氧氣閥泄漏等故障情況下可以將艙內(nèi)氧濃度控制在規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。

3 防止點(diǎn)火源形成

點(diǎn)火源為火災(zāi)三要素之一。載人航天器內(nèi)潛在的點(diǎn)火源[10]主要為電性能設(shè)備、電纜產(chǎn)生的電火花、電弧，電纜短路、設(shè)備過熱。這些點(diǎn)火源均可能引發(fā)點(diǎn)火，造成火災(zāi)，因此需采用降額、增加抗短路保護(hù)等措施。另外，推進(jìn)劑泄漏也是發(fā)生火災(zāi)的重要危險(xiǎn)源之一。經(jīng)過“神舟一號(hào)”到“神舟十一號(hào)”載人飛船的實(shí)際飛行驗(yàn)證，摸索出一套載人航天器防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)對(duì)點(diǎn)火源等相關(guān)問題從設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行了控制。

3.1 電性能設(shè)備

艙內(nèi)電性能設(shè)備外殼一般采用金屬材料，部分采用阻燃性能合格的非金屬材料。

3.2 電纜的安裝與鋪設(shè)

利用保護(hù)墊固定電纜，布置電纜時(shí)須避免尖銳的彎曲，最小彎曲半徑為其外徑的6倍[11]，以防止電纜絕緣皮破裂。

高壓供電電纜采用單根電纜設(shè)計(jì)，單獨(dú)布局，安裝在航天員不易接觸的區(qū)域。

在高壓供電電纜傳輸路徑上采取二次隔離，電纜與艙體金屬結(jié)構(gòu)直接接觸部位加鋪聚酰亞胺膜。

3.3 推進(jìn)劑控制

載人航天器推進(jìn)劑管路一般設(shè)置在密封艙外。若管路必須設(shè)置在密封艙內(nèi)，則艙內(nèi)管路必須具有良好的密封性，必須保證推進(jìn)劑在密封艙內(nèi)的濃度低于防火安全門限。

4 防止火災(zāi)傳播

一般情況下，載人航天器密封艙內(nèi)設(shè)有強(qiáng)制通風(fēng)。一旦發(fā)生火災(zāi)，通風(fēng)可為火災(zāi)提供充足的氧氣，導(dǎo)致火勢(shì)擴(kuò)大和蔓延。因此，載人航天器主要通過以下措施來防止火災(zāi)的傳播：

1）通過控制通風(fēng)設(shè)備對(duì)密封艙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行控制，對(duì)艙內(nèi)點(diǎn)火源及周邊設(shè)備采取斷電措施，避免火災(zāi)快速傳播；制定失火情況下的應(yīng)急處置流程，對(duì)航天員進(jìn)行培訓(xùn)。

2）在載人航天器的設(shè)計(jì)階段，參考俄羅斯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，電性能設(shè)備之間保持20 mm的防火安裝距離。

5 密封艙內(nèi)煙火監(jiān)測(cè)

5.1 火災(zāi)探測(cè)器選用原則

密封艙內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器的一般選用原則[12]如下：

1）對(duì)火災(zāi)初期有陰燃階段，會(huì)產(chǎn)生大量的煙和少量的熱，很少或沒有火焰輻射的區(qū)域，選擇感煙探測(cè)器；

2）對(duì)火災(zāi)發(fā)展迅速，可產(chǎn)生大量的熱、煙和火焰輻射的區(qū)域，可選擇感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器、火焰探測(cè)器或其組合；

3）對(duì)火災(zāi)發(fā)展迅速，有強(qiáng)烈的火焰輻射和少量的煙、熱的區(qū)域，選擇火焰探測(cè)器；

4）對(duì)火災(zāi)形成特征不可預(yù)料的區(qū)域，可根據(jù)模擬試驗(yàn)的結(jié)果選擇探測(cè)器。

5.2 火災(zāi)探測(cè)器安裝位置

微重力環(huán)境下密封艙火災(zāi)的計(jì)算機(jī)仿真[4,13-14]可以經(jīng)濟(jì)、高效地開展載人航天器在微重力環(huán)境下的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律研究，為密封艙內(nèi)火災(zāi)探測(cè)器的合理安裝布局提供重要參考?；馂?zāi)探測(cè)器一般安裝在密封艙內(nèi)易引發(fā)火災(zāi)的設(shè)備的流場(chǎng)下游、大型機(jī)柜附近、主要通風(fēng)管路內(nèi)部及密封艙回風(fēng)口附近[4]。

為保證火災(zāi)探測(cè)器的可靠性，一般應(yīng)成對(duì)安裝2種以上不同類型的火災(zāi)探測(cè)器。

5.3 煙火監(jiān)測(cè)告警

密封艙內(nèi)配置煙火檢測(cè)、報(bào)警和定位功能，系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生30 s之內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，航天員在艙內(nèi)的任何位置都可及時(shí)收到報(bào)警信息。

煙火告警系統(tǒng)報(bào)警方式：

1）語(yǔ)音提示“××艙失火”，系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲、警報(bào)聲等報(bào)警音；

2）儀表顯示界面（火災(zāi)探測(cè)器部分）狀態(tài)發(fā)生變化，文字顯示顏色由綠變紅。

6 密封艙滅火

我國(guó)的載人航天器目前主要采用手動(dòng)滅火系統(tǒng)，主要包括滅火器、滅火濕巾等。航天用滅火器內(nèi)滅火劑具有良好的滅火效果以及良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)人體毒性危害小，對(duì)密封艙內(nèi)環(huán)境破壞小，使用后便于艙內(nèi)環(huán)境恢復(fù)。滅火濕巾置于航天員可直接接觸的區(qū)域，用于局部陰燃情況滅火，當(dāng)然滅火濕巾需經(jīng)過絕緣設(shè)計(jì)。航天員在訓(xùn)練中需要完全熟知滅火流程，并進(jìn)行應(yīng)急演練培訓(xùn)。

航天員在滅火時(shí)需佩戴防毒面具，防毒面具能對(duì)燃燒后的主要燃燒產(chǎn)物具備有效的地防毒作用，且滿足滅火程序所需時(shí)間。

為把滅火對(duì)艙內(nèi)環(huán)境造成的影響降到最小，航天員滅火后需對(duì)艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)。

依據(jù)多年的載人航天器研制經(jīng)驗(yàn)，本文總結(jié)出有人參與的艙內(nèi)滅火處置程序，如圖1所示。

圖1 滅火處置流程Fig 1 Flowchart of the fire fighting process

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)載人航天器密封艙防火安全設(shè)計(jì)，本文從密封艙內(nèi)可燃物控制、艙內(nèi)氧濃度控制、防止點(diǎn)火源形成、防止火災(zāi)傳播、密封艙煙火監(jiān)測(cè)、密封艙滅火6個(gè)方面系統(tǒng)性地對(duì)密封艙防火進(jìn)行了總結(jié)。該設(shè)計(jì)方法可為貨運(yùn)飛船、空間站等后續(xù)載人航天器防火設(shè)計(jì)提供參考。

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