基于特征氣體檢測的空間站火災(zāi)預(yù)警策略研究

任小孟，巴劍波?，姜 萌

(1.海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海200433；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

1 引言

載人空間站空間狹小、設(shè)備密集，長時間連續(xù)運行可能因電路過熱而引發(fā)火災(zāi)，對空間站及航天員安全造成極大威脅。據(jù)NASA公布的數(shù)據(jù)，其在1981年至1994年進行的50次飛行中，就發(fā)生了5次火災(zāi)相關(guān)事故[1]。為及早發(fā)現(xiàn)火情，空間站中一般裝備火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，但由于空間站處于失重條件，環(huán)境影響因素多，傳統(tǒng)的基于能量、煙霧檢測原理的火災(zāi)報警儀普遍存在虛警率高、預(yù)警滯后等問題[2-3]。

20世紀60年代，NASA提出了通過檢測特征氣體來預(yù)測空間站火災(zāi)的設(shè)想，但由于當時氣體檢測技術(shù)的限制未最終實施[4]。2006年美國RICE大學(xué)在約翰遜空間中心以及加州噴氣推進實驗室資助下，研發(fā)了可檢測CO、HCN、HCl和CO2的空間站火災(zāi)早期預(yù)警裝置[5]?，F(xiàn)有研究大多以模擬明火燃燒為對象，但非金屬材料火災(zāi)早期高溫狀態(tài)下釋放特征氣體種類及其與火災(zāi)關(guān)系不明確。我國在天宮系列實驗艙中裝備了基于光譜吸收原理的氣體檢測裝置，由于上述原因暫未作為火災(zāi)預(yù)警的手段[6]。

本文測定4種空間站用典型非金屬材料高溫釋放CO2、CO、HCl和HCN氣體，分析受熱溫度、火災(zāi)階段、氣體濃度之間的關(guān)系，提出火災(zāi)預(yù)警策略，為空間站火災(zāi)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與設(shè)備

2.1 試驗材料

選擇美塔斯布(墻面裝飾材料)、RTV21膠(粘合劑)、阻尼材料(地板材料)、ATUM熱縮套管(線纜包覆材料)等4種空間站典型非金屬材料，分別以 a、b、c、d 代表，按照式(1)的艙容比計算得到試驗所使用非金屬材料的量分別為14 g、1 g、2 g、0.3 g。

式中，m1為每種非金屬材料在空間站的實際使用量，V1為空間站容積，m2為每種非金屬材料的試驗用量，V2為密閉試驗艙容積。

2.2 試驗設(shè)備

搭建了具有加熱和控溫功能的試驗裝置，其原理示意圖如圖1所示。利用加熱管模擬空間站受熱點，控制升溫速度約50℃/min，利用密閉實驗艙模擬空間站艙室，實現(xiàn)釋放氣體的擴散，參考模擬仿真研究結(jié)果[7]，將加熱點與檢測點距離設(shè)定為50 cm。利用美國TSI公司的9565-X型風(fēng)速儀定量檢測CO和CO2，XLA-BX-HCl和XLA-BXHCN型電化學(xué)氣體分析儀分別定量檢測HCl和HCN，同時利用Bruker Optics公司的傅里葉紅外光譜儀對氣體進行定性分析和驗證。

圖1 試驗裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

3 結(jié)果與分析

3.1 材料性狀變化對比

對4種非金屬材料分別在試驗裝置中進行高溫加熱，加熱前后樣品形態(tài)對比如圖2所示。由對比圖可以看出，經(jīng)過加熱，4種材料從形態(tài)上均已發(fā)生改變，美塔斯布完全碳化，RTV21膠和阻尼材料轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨w粒狀物質(zhì)，熱縮套管變?yōu)辄S色粉末。上述情況說明材料分解充分，氣體釋放過程可以較真實地反映整個受熱和燃燒過程。

圖2 材料加熱前后外觀對比圖Fig.2 Contrast of material appearance before and after heating

3.2 紅外光譜分析

選取了4種非金屬材料加熱過程中的典型紅外譜圖(圖3)，進行了對比分析。由光譜圖看出，對于美塔斯布，當加熱溫度上升至364℃時，2170 cm-1處開始出現(xiàn)吸收峰(圖中圓圈)，說明有CO釋放；當溫度上升至467℃時，3110 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，HCN開始出現(xiàn)；當溫度上升至494℃時，材料基本已碳化。對于RTV21膠，當加熱溫度為288℃時，開始有CO釋放；加熱溫度上升至398℃時，2970 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，HCl開始釋放；加熱至481℃時，RTV21膠開始燃燒。對于阻尼材料，當加熱溫度上升至約383℃時，CO開始出現(xiàn)，當加熱溫度為約520℃時，阻尼材料開始燃燒。對于熱縮套管，當加熱溫度分別約為312℃和383℃時，CO和HCN分別開始出現(xiàn)，溫度上升至625℃左右時，熱縮套管材料已完全變?yōu)榉勰?/p>

3.3 同種材料釋放不同氣體對比分析

為研究受熱溫度與釋放氣體濃度的關(guān)系，對整個加熱過程中CO、CO2、HCN等特征氣體濃度進行了定量分析，得到結(jié)果如圖4。

圖3 材料加熱過程中的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of materials during the heating process

圖4 材料高溫釋放氣體曲線圖Fig.4 Graph of released gases when materials were heated

通過對比看出，雖然由于材料成分、結(jié)構(gòu)不同，不同非金屬材料高溫釋放的氣體種類、氣體濃度和釋放溫度存在差異，但4種材料溫度-氣體曲線相似的形態(tài)表明其受熱過程存在共同特征，主要可歸納為以下3點：①隨著加熱溫度的上升，所有非金屬材料釋放氣體的量均有增加；②在特征氣體釋放的初始階段，其濃度升高速率均較慢，當加熱溫度上升到一定程度，氣體濃度的增長速率均會明顯增大；③隨加熱溫度的上升，4種非金屬材料所釋放氣體的先后順序均為CO、CO2、HCN或HCl。

4種材料受熱釋放氣體與溫度的關(guān)系如表1所示。結(jié)合表中數(shù)據(jù)分析，4種材料的分解過程可劃分為以下4個階段：①溫度為約300℃以下時，材料未發(fā)生分解，無氣體釋放，此為材料穩(wěn)定段；②溫度繼續(xù)升高，材料開始發(fā)生分解，CO濃度逐步升高并出現(xiàn)明顯拐點，此為材料初始分解段；③溫度升高至約500℃以下時，HCl和HCN等氣體開始出現(xiàn)，說明材料發(fā)生了劇烈分解反應(yīng)，此為材料深度分解段；④溫度為500℃以上時，材料完全碳化或燃燒，為材料燃燒段。由此可見，材料初始分解段是特征氣體開始出現(xiàn)的階段，深度分解段是特征氣體大量釋放的階段，對該兩階段即300℃～500℃氣體進行監(jiān)測是實現(xiàn)空間站早期預(yù)警的關(guān)鍵。

表1 材料受熱釋放氣體與溫度關(guān)系Table 1 Relationship between temperature and released gases /(℃)

3.4 不同材料釋放同種氣體對比分析

對4種非金屬材料受熱釋放氣體情況進行進一步分析，如圖5所示。

由圖中曲線看出，在一定溫度條件下，不同非金屬材料釋放同種氣體的差異性較大，例如對于CO2來說，熱縮套管完全碳化時釋放的濃度高于2000 ppm，而阻尼材料和RTV21膠釋放的濃度僅為約600 ppm；與此類似，熱縮套管在加熱過程中釋放的CO氣體濃度很快超過500 ppm，美塔斯布完全碳化時，釋放的CO濃度也大于500 ppm，而RTV21膠和阻尼材料直至燃燒，其釋放的CO濃度僅為200 ppm和350 ppm左右。由此可見，由于不同材料釋放氣體的差異性比較大，單純以某個氣體單個點的濃度作為預(yù)測火災(zāi)的指標具有很大的不確定性，需要結(jié)合氣體濃度的變化過程進行綜合判斷。

圖5 不同非金屬材料釋放同種氣體對比Fig.5 Comparison of the same gases released from different non-metal materials

4 火災(zāi)預(yù)警策略研究

4.1 特征氣體的選擇

經(jīng)過以上對比分析發(fā)現(xiàn)，選擇合適的特征氣體，結(jié)合受熱溫度與氣體濃度的關(guān)系，是得到科學(xué)可靠火災(zāi)預(yù)警策略的關(guān)鍵。研究表明，火災(zāi)一般可分為正常期、陰燃期、發(fā)展期、燃燒期四個階段，如圖6所示[8]。其中，正常期代表材料未受熱或受熱溫度較低，不釋放氣體；陰燃期代表材料受熱溫度較高，已使材料發(fā)生了緩慢分解，已開始釋放少量氣體；發(fā)展期代表材料受熱溫度高，材料發(fā)生快速劇烈分解，出現(xiàn)大量氣體釋放；燃燒期代表已出現(xiàn)明火或材料完全碳化，氣體釋放量進一步增多，這一結(jié)論與3.3節(jié)中得到的試驗結(jié)果相一致。

圖6 火災(zāi)階段示意圖Fig.6 Schematic diagram of fire phases

非金屬受熱釋放的氣體種類很多，用來預(yù)測火災(zāi)的特征氣體必須滿足特征性強、濃度變化規(guī)律性強、與火災(zāi)過程匹配度高等一系列特點，以降低誤報率。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，CO氣體滿足上述要求，是空間站火災(zāi)預(yù)測的理想特征氣體，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下4個方面：

1)CO來源較為單一，特征性強。實驗結(jié)果顯示CO2與CO均具有較強的火災(zāi)特征，但是在空間站這種環(huán)境中，CO2受人員呼吸影響很大，會造成誤報率增加，HCl、HCN等氣體并非所有火災(zāi)均會產(chǎn)生，而高濃度的CO僅可能來自非金屬材料受熱或燃燒，火災(zāi)特征性十分明顯，選擇CO作為預(yù)測火災(zāi)特征氣體可有效降低誤報。

2)CO出現(xiàn)早，滿足火災(zāi)早期預(yù)測需求。HCl、HCN等氣體只有在材料受熱溫度較高的情況下才會出現(xiàn)，此時材料熱分解速度已急劇升高，若以該類氣體作為預(yù)測火災(zāi)的特征氣體，則會大大縮短人員發(fā)現(xiàn)并控制火災(zāi)的時間，降低抑制早期火災(zāi)的幾率。相比于其他氣體，CO在材料受熱早期約300℃即普遍有釋放，選擇CO作為特征氣體可在火災(zāi)早期階段即可發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，增加人員識別和處理火情的時間，實現(xiàn)火災(zāi)早期預(yù)警。

3)CO變化規(guī)律性強，與火災(zāi)過程匹配度好。CO在火災(zāi)的整個過程中始終持續(xù)產(chǎn)生，且濃度隨火災(zāi)進程的推進而不斷升高，按照四階段劃分，CO濃度變化的規(guī)律性較強，可實現(xiàn)濃度變化與火災(zāi)階段的較好匹配。

4)CO濃度相對較高。研究數(shù)據(jù)表明，材料受熱所釋放的CO濃度基本都在數(shù)百ppm數(shù)量級，相比于HCN、HCl等低濃度氣體，對檢測技術(shù)的要求明顯降低，適用于空間站這種維修保養(yǎng)困難的場合使用。

綜合以上原因，選擇CO作為預(yù)測早期火災(zāi)的主要特征氣體，HCl、HCN為輔助特征氣體是較為合理的方案。

4.2 火災(zāi)預(yù)警策略的制定

火災(zāi)預(yù)警策略的制定要結(jié)合特征氣體種類和濃度、氣體與燃燒過程關(guān)系多方面因素，特別是特征氣體濃度增長速率是指示火災(zāi)階段的重要指標。選取4種材料受熱過程的CO釋放曲線，分析了發(fā)展期的斜率(圖7)，作為制定預(yù)警策略的依據(jù)。

圖7 火災(zāi)發(fā)展期CO增長斜率圖Fig.7 Graph of CO growth slope in the fire development phase

由分析結(jié)果看出，4種材料在火災(zāi)發(fā)展期CO濃度增長的斜率分別為10.01、1.7405、1.0513、6.4071。按照不能漏報的原則，應(yīng)選擇最小斜率值，認為選擇斜率k＝1是較合理的。根據(jù)上述分析，制定火災(zāi)預(yù)警策略如表2所示。

表2 空間站火災(zāi)預(yù)警策略表Table 2 Fire warning strategies in the space station

根據(jù)這一預(yù)警策略，在實際操作中，CO、HCl、HCN等特征氣體濃度均為0時可判定為處于正常期。燃燒期的判別也相對簡單，主要取決于CO濃度，對4種非金屬材料受熱釋放CO的濃度分析發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)明火或材料碳化時，不同材料釋放的CO濃度雖存在差異，但基本都在200 ppm以上，因此選擇200 ppm作為進入燃燒期的判斷參數(shù)。對于陰燃期和發(fā)展期來說，主要判斷指標是CO濃度增長的速度，當出現(xiàn)低濃度CO且單位時間內(nèi)的增長斜率k＜1時，可認為其處于陰燃期，以間歇性聲光報警提示航天員進行檢查以消除火災(zāi)隱患；當增長斜率k＞1或HCl、HCN氣體出現(xiàn)時，可認為火災(zāi)處于發(fā)展期，以較急促聲光報警提示航天員立刻停止其他工作，進行全面排查并做好應(yīng)對火災(zāi)準備。

5 結(jié)論

1)非金屬材料的氣體釋放量和釋放速率均隨受熱溫度的上升而升高，且在一定溫度出現(xiàn)明顯拐點，是判斷火災(zāi)階段的重要依據(jù)。

2)不同非金屬材料受熱釋放氣體的種類、速率、濃度存在差異，但CO的釋放與火災(zāi)過程匹配度高，具有特征性強、出現(xiàn)早、濃度相對較高等優(yōu)勢，是預(yù)測火災(zāi)的主要指標性氣體；HCN、HCl等氣體作為非金屬材料深度分解的產(chǎn)物，可作為輔助性標志氣體。

3)結(jié)合CO釋放曲線所得到的空間站火災(zāi)預(yù)警策略，充分考慮了空間站的實際需求，直接提示火災(zāi)所處階段，有望為實現(xiàn)高效預(yù)警、減少誤報虛報提供有效技術(shù)手段。