用于空間站火災(zāi)防護(hù)的隔絕式氧燭呼吸自救器研制

周興明，胡 曉，毛勝華，毛 龍，張 毅，陳淑娟

（中國航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽 441003）

0 引言

載人航天器在運行過程中可能發(fā)生火災(zāi)[1]，火災(zāi)產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)會造成航天員中毒甚至窒息死亡。因此，載人航天器的防火滅火設(shè)計十分重要[2]。為保障航天員的健康與安全，航天員在滅火時需要佩戴防護(hù)面具。防護(hù)面具分為過濾式和隔絕供氧式。過濾式防毒面具[3]不能提供O2，要求環(huán)境氣體的O2體積分?jǐn)?shù)＞17%、CO2體積分?jǐn)?shù)＜5%。根據(jù)國際空間站火災(zāi)防護(hù)要求：針對 O2體積分?jǐn)?shù)為20.9%的國際空間站，發(fā)生火災(zāi)時需要用 50%CO2實施滅火，這樣一來，環(huán)境氣體中的O2體積分?jǐn)?shù)嚴(yán)重時將下降到10.5%[4]。顯然，過濾式防毒面具不能用于空間站的滅火防護(hù)。與環(huán)境隔絕的供氧式自救器可以滿足空間站的滅火防護(hù)要求，其供氧方式有堿金屬過氧化物（如過氧化鉀）、氧氣瓶和氧燭等。過氧化鉀與人呼出的CO2和水汽相互作用可產(chǎn)生O2，具有使用方便、重量輕、便于攜帶的優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用[5-6]。但過氧化鉀制氧裝置（也稱之為化學(xué)氧自救器）在使用過程中的最大問題是反應(yīng)產(chǎn)物為糊狀，會阻塞氣體通道，導(dǎo)致呼吸阻力增大[7]；自救器中的產(chǎn)氧物質(zhì)過氧化鉀藥片在攜帶使用過程中因摩擦產(chǎn)生過氧化鉀粉末，若粉末隨氣流進(jìn)入儲氣袋，具有強(qiáng)氧化性的過氧化鉀粉末與氣袋有機(jī)可燃物接觸，在有呼吸水蒸氣的情況下，會引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故[8-9]，是化學(xué)氧自救器的主要危險源[10]。氧氣瓶是一種高壓供氧的便捷手段，但壓縮氧氣瓶存在泄漏風(fēng)險，可能導(dǎo)致燃燒和爆炸，因此維護(hù)保養(yǎng)工作量較大[11-12]。氧燭制氧依靠氯酸鹽發(fā)生分解反應(yīng)放出 O2，且氧燭為常壓儲存和使用，具有使用方便、安全可靠、重量輕等優(yōu)點，其儲氧量大，產(chǎn)氧速度快，非常適于應(yīng)急供氧。氧燭的性能受外部環(huán)境溫濕度的影響較小，一直是應(yīng)急供氧領(lǐng)域，特別是潛艇艙室和航天器應(yīng)急供氧的首選方式。國外利用氧燭研制出的火災(zāi)自救器不僅可提供火災(zāi)呼吸用氧，還可以保護(hù)佩戴者的眼睛，被廣泛用于飛機(jī)和船舶等火災(zāi)時的呼吸防護(hù)裝置。目前尚未見到國內(nèi)將氧燭用于航天員火災(zāi)呼吸防護(hù)裝置的報道。

本文將介紹以氧燭為氧源研制出的一種能與環(huán)境隔絕的呼吸自救器。

1 氧燭呼吸自救器工作原理及其構(gòu)成

1.1 工作原理

氧燭主要由能夠產(chǎn)生O2的氯酸鹽或高氯酸鹽類物質(zhì)組成，其中輔助物質(zhì)包括有提供熱量的金屬粉、降低熱反應(yīng)溫度的催化劑、抑制和吸收有毒有害氣體產(chǎn)生的添加劑以及反應(yīng)穩(wěn)定劑等。氧燭產(chǎn)生的O2與面罩內(nèi)的空氣混合經(jīng)LiOH吸附層的過濾純化后供人體使用。

氧燭產(chǎn)氧時的化學(xué)反應(yīng)式為

呼出的CO2經(jīng)過LiOH吸附層，會與LiOH發(fā)生如下反應(yīng)：

1.2 氧燭呼吸自救器的主要結(jié)構(gòu)

根據(jù)工作原理而設(shè)計的氧燭呼吸自救器主要由防護(hù)頭罩、氧燭和CO2吸附裝置3個單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。防護(hù)頭罩帶有透明視窗，與CO2吸附裝置相連接；CO2吸附裝置由文丘里管、CO2吸附劑和負(fù)壓區(qū)組成。使用時，拔出拉環(huán)啟動氧燭，反應(yīng)生成的O2立即經(jīng)輸氧管、文丘里管送入頭罩。根據(jù)文丘里管的原理，O2流經(jīng)文丘里管會產(chǎn)生高速射流，有助于卷吸噴管出口周圍的空氣并與之混合，形成循環(huán)的氣流。循環(huán)的氣體流經(jīng)LiOH吸附層，將CO2清除，凈化后的氣體最后送達(dá)頭罩內(nèi)供人呼吸。

圖1 緊急逃生呼吸裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of EEBD structure

1.3 主要性能指標(biāo)

持續(xù)供氧時間：≥15 min；

吸附后的空氣中O2體積分?jǐn)?shù)：≥21%；

吸附后的空氣中 CO2體積分?jǐn)?shù)：平均值≤1.5%，極限值≤3%；

吸入的氣體溫度：＜50 ℃；

質(zhì)量：2 kg；

尺寸：250 mm×220 mm×120 mm。

2 氧燭呼吸自救器的研制

2.1 氧燭的研制考慮

氧燭是呼吸自救器的核心部件，在研制時除了需要滿足相關(guān)技術(shù)要求外，還要考慮便攜使用原則。環(huán)境溫度會直接影響氧燭發(fā)生分解反應(yīng)的速度，繼而影響氧燭的供氧流量和供氧時間?？紤]到自救器需要在不同環(huán)境溫度下使用，因此在進(jìn)行氧燭設(shè)計時力求其供氧流量和供氧時間受環(huán)境溫度的影響盡可能小，這是氧燭設(shè)計的關(guān)鍵。

純凈的氯酸鈉加熱到260 ℃時出現(xiàn)熔化，甚至380 ℃以上也不會發(fā)生分解反應(yīng)，只有加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖蟛艜档头磻?yīng)溫度，進(jìn)而降低氧燭產(chǎn)品殼體溫度。催化劑的加入會降低氯酸鈉的分解反應(yīng)活化能，這將導(dǎo)致氧燭低溫分解速度下降較大、高溫分解速度提升過快，造成氧燭低溫供氧量不足、高溫供氧時間不夠的情況。若要同時滿足供氧流量和供氧時間的要求，只能采取加粗、加長藥柱的措施。但該措施必定會增加供氧產(chǎn)品的重量和尺寸，不符合自救器便攜使用的原則。為了降低環(huán)境溫度和催化劑對氧燭供氧量和供氧時間的影響，本文在所用氧燭物質(zhì)中僅添加了少量的特殊催化劑，主要靠金屬粉含量來控制反應(yīng)速度。

添加金屬粉的目的是利用金屬粉燃燒放出的熱量以維持分解反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，因為氯酸鹽在分解制氧中所放出的熱量不足以維持分解反應(yīng)所需。氧燭中的少量催化劑選擇了Co、Fe等過渡金屬化合物。另外，為了抑制和吸收有毒有害氣體，又在氧燭中加入了添加劑；為了維持恒定的反應(yīng)速度，還加入了反應(yīng)穩(wěn)定劑。

最后，將制作氧燭所需的物質(zhì)混合均勻，加水模壓成型后烘干，制成氧燭供氧藥柱（見圖2）。

圖2 氧燭藥柱外觀Fig. 2 Appearance of oxygen candle

2.2 CO2吸附裝置的研制考慮

CO2吸附裝置的研制有兩個關(guān)鍵：文丘里管的設(shè)計和CO2吸附劑的吸附效果。

本文所研制呼吸自救器的氧燭供氧流量約為4 L/min，文丘里管利用氧燭所產(chǎn)的O2射流作為推動頭罩內(nèi)氣體循環(huán)的動力，而要帶動的氣體循環(huán)流量是50～55 L/min，由此可見文丘里管的抽吸比須＞1:12才能保證頭罩內(nèi)的 CO2體積分?jǐn)?shù)＜1.5%。文丘里管的設(shè)計要考慮管徑、膨脹比和氧燭的氧氣發(fā)生器出氣口尺寸等多個影響參數(shù)。

通用的CO2化學(xué)吸附劑有鈉石灰和LiOH。鈉石灰密度小，吸附效率低；LiOH密度大，吸附效率高。為了減小自救器產(chǎn)品體積，便于隨身攜帶，本文選用LiOH作為吸附劑。循環(huán)氣體流經(jīng)LiOH吸附層，LiOH直接與CO2反應(yīng)，清除CO2。循環(huán)氣體經(jīng)過吸附層后其剩余CO2的體積分?jǐn)?shù)與LiOH和CO2反應(yīng)的速度相關(guān)。

2.3 頭罩的研制

頭罩既是人呼吸氣體的交換場所，同時又可以保護(hù)佩戴者的眼睛等頭部重要器官。為此，頭罩的設(shè)計要解決防護(hù)問題、呼吸吸空問題和氣流循環(huán)問題。頭罩采用雙層設(shè)計，外層材料為表面鍍鋁芳綸，具有防輻射熱和防火焰濺射擊穿功能；內(nèi)層為純棉和發(fā)泡聚四氟乙烯復(fù)合材料，具有透水不透氣功能，能使呼吸產(chǎn)生的水汽和頭部汗液向外擴(kuò)散，減少頭罩內(nèi)的水汽對呼吸和視窗的影響；同時阻止頭罩內(nèi)的氣體同外界氣體進(jìn)行交換，防止有毒有害氣體進(jìn)入頭罩。頭罩的頸部采用彈性密封設(shè)計，密封材料具有高彈性、低模量、耐撕裂的特性，佩戴時脖頸壓力小、舒適性好，且可以實現(xiàn)單一密封口徑適合所有人群。根據(jù)中國人的頭部樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定頭罩內(nèi)體積在容納頭部后還有 6 L的空余體積，以確保不出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。頭罩視窗材料為聚碳酸酯，抗沖擊性能好；采用大視窗設(shè)計，確保視野開闊，不妨礙逃生觀察。頭罩內(nèi)部采用優(yōu)化氣流設(shè)計，確保氣體流通順暢，及時帶走呼吸水汽和CO2氣體，提高CO2吸收效率和避免視窗結(jié)霧。頭罩使用時可以清晰聽見氧燭供氧的氣流聲，一旦氣流聲消聲，即提醒佩戴人員氧燭供氧已完畢，需要盡快離開作業(yè)場所。

3 氧燭呼吸自救器各單元及整器的性能試驗

3.1 氧燭的性能試驗與結(jié)果評價

3.1.1 性能試驗

氧燭制成后需要進(jìn)行測試試驗，其目的有兩個：性能檢驗和氧燭的定型。啟動氧燭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；然后測試、記錄氧燭制氧過程的質(zhì)量變化，再將變化質(zhì)量轉(zhuǎn)換成供氧流量-時間曲線圖，評價氧燭的性能；若性能不能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，則根據(jù)曲線圖調(diào)整各物質(zhì)組成和配比，按同樣的工藝制備氧燭藥柱，再進(jìn)行測試，最終確定氧燭物質(zhì)構(gòu)成。

氧燭藥柱尺寸為φ36 mm×152 mm，氧燭產(chǎn)品尺寸為φ63 mm×220 mm。在-20 ℃、15 ℃、60 ℃等3種環(huán)境溫度下，對氧燭進(jìn)行了性能測試試驗，測試結(jié)果見圖3。

圖3 氧燭供氧流量-時間曲線Fig. 3 Flow vs. time curve of oxygen candle’s oxygen supply

3.1.2 試驗評價

試驗顯示，在-20～60 ℃范圍內(nèi)，本文所研制氧燭的供氧流量＞4 L/min、供氧時間＞15 min，滿足BS EN13749[13]和ISO 23269-1[14]標(biāo)準(zhǔn)對采用氧燭供氧的呼吸自救器供氧速度和供氧時間的技術(shù)要求。自救器的供氧速度受環(huán)境溫度影響較小，產(chǎn)品性能滿足火災(zāi)自救要求，產(chǎn)品質(zhì)量一致性好。

3.2 CO2吸附裝置的性能試驗與評價

3.2.1 性能試驗

如果人體新陳代謝產(chǎn)生的 CO2得不到及時清除，導(dǎo)致頭罩內(nèi)氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)增大，將直接威脅佩戴者的生命安全。因此，需要對CO2吸附裝置進(jìn)行測試。

如前所述，要求文丘里管的抽吸比＞1:12。不同噴嘴喉徑的文丘里管的抽吸比測試結(jié)果見表1。

表1 不同噴嘴喉徑文丘里管的抽吸比Table 1 Proportion of takeout & absorption for different nozzles diameters

采用市售的LiOH處理成不同粒度，測試不同粒度下LiOH對CO2的吸附效果，結(jié)果見表2。

表2 LiOH粒度對CO2吸附效果的影響Table 2 Adsorptions for different sizes of LiOH

3.2.2 試驗評價

根據(jù)伯努利方程和流動連續(xù)性方程計算及試驗改進(jìn)，確定了文丘里管喉徑尺寸在0.6～0.8 mm之間，O2流量≥4 L·min-1時，可使氣體循環(huán)流量達(dá)55 L·min-1，且保證頭罩內(nèi)循環(huán)氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)滿足使用要求。

試驗數(shù)據(jù)表明，LiOH的粒度越小，其表面積越大，則CO2同LiOH的反應(yīng)速度越快，CO2吸附越多，頭罩內(nèi)循環(huán)氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)就越小。但是，LiOH粒度越小，氣體流經(jīng)LiOH時的阻力越大，氣體循環(huán)量變小，反而導(dǎo)致頭罩內(nèi)循環(huán)氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)變大。LiOH粒度越大，顆粒間空隙越大，氣體流速越快，CO2同LiOH的接觸時間縮短，頭罩內(nèi)循環(huán)氣體的CO2體積分?jǐn)?shù)同樣變大。

因此，經(jīng)評價認(rèn)為：在50 L·min-1的氣體循環(huán)量下，粒度在8～12目之間的LiOH吸附CO2的能力可以滿足呼吸自救器的技術(shù)要求。

3.3 氧燭呼吸自救器的性能測試

氧燭呼吸自救器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是O2體積分?jǐn)?shù)、供氧時間、CO2體積分?jǐn)?shù)。本文所研制的隔絕式氧蝕呼吸自救裝置對照GA 411—2003《化學(xué)氧消防自救器》[15]、BS ISO 23269-1《Ships and marine technology―breathing apparatus for ships―Part 1:Emergency escape breathing device (EEBD)for shipboard use》[14]、BS EN 13794《Respiratory protective device―Self-contained closed-circuit breathing apparatus for escape―Requirements,testing, marking》[13]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)鍵技術(shù)性能進(jìn)行了試驗分析，試驗結(jié)果見表3。

表3 隔絕式緊急逃生呼吸保護(hù)裝置供氧測試結(jié)果Table 3 Test results of self-contained breathing rescuer

從本產(chǎn)品的實測結(jié)果看，其防護(hù)時間、供氧流量和CO2體積分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)、國際環(huán)境隔絕式緊急逃生呼吸保護(hù)裝置行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠滿足人體緊急逃生時的呼吸需求。

3.4 應(yīng)用試驗

本文研制的氧燭呼吸自救器的攜帶質(zhì)量為1.95 kg，包裝體積為250 mm×220 mm×120 mm。選擇3男1女共4名年齡在21～43歲之間的青壯年作為本產(chǎn)品的參試者，在實驗室內(nèi)佩戴自救器以盡可能大的速度跑動15 min后停止活動。15 min的跑步試驗后，氧燭仍在產(chǎn)生 O2，頭罩視窗清晰，參試者感覺到呼吸順暢、沒有呼吸阻力、不憋悶，吸入氣體溫度略有升高，但在人體可以接受范圍內(nèi)。試驗驗證了該裝置使用簡單，攜帶方便，使用過程無須雙手協(xié)助，跑動時不會產(chǎn)生晃動，不影響人體的其他操作。

4 自救器用于空間站的可行性

根據(jù)前面對隔絕式氧燭呼吸自救器的性能測試評價以及應(yīng)用試驗，認(rèn)為其各方面性能和指標(biāo)均能滿足空間站環(huán)境的使用要求。同時氧燭呼吸自救器體積小、重量輕，不會太多增加發(fā)射重量；且產(chǎn)品壽命期長、儲存免維護(hù)，可大大減少后期維護(hù)保管工作。因此，適合作為載人航天器火災(zāi)時航天員隔絕式緊急逃生呼吸防護(hù)裝置。后期需重點研究呼吸自救器與航天服、空間站內(nèi)生命保障設(shè)備的兼容性，才能保證其充分發(fā)揮效能，切實保護(hù)航天員的生命安全。

5 結(jié)束語

本文研制的氧燭呼吸自救器的供氧時間、供氧流量和CO2體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到相關(guān)國內(nèi)、國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以滿足人體逃離有毒有害環(huán)境時的呼吸要求。人體試戴感覺良好，產(chǎn)品相比較過氧化物自救器和壓縮氧自救器有一定優(yōu)勢，適合用于空間站火災(zāi)逃生。

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