微重力燃燒特點及空間站火災(zāi)預(yù)警技術(shù)分析

任小孟，徐新宏，方晶晶，江 璐，巴劍波

(海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海 200433)

空間站是一個獨立的密閉空間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多，一旦發(fā)生火災(zāi)，將對空間站和宇航員安全造成巨大危害。1966年，阿波羅一號火災(zāi)導(dǎo)致3名宇航員喪生；1986年，挑戰(zhàn)者號航天飛機發(fā)射由于火災(zāi)發(fā)生爆炸，導(dǎo)致7名宇航員喪生。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]。由此可見，火災(zāi)防控對空間站安全至關(guān)重要。但是微重力條件導(dǎo)致火焰性狀、可燃燒性、燃燒產(chǎn)物等一系列燃燒特征發(fā)生變化，常規(guī)火災(zāi)檢測手段在空間站的有效性值得商榷。本文對微重力條件下的燃燒特點和現(xiàn)有火災(zāi)檢測技術(shù)的空間站適用性進行了初步分析。

1 微重力燃燒特點及影響因素

空間站處于微重力環(huán)境，與正常重力環(huán)境相比，燃燒呈現(xiàn)出一些不同的特點，在火焰外觀、可燃性、可檢測性等方面具有一定變化。研究表明，燃燒性質(zhì)的變化主要受重力場、壓力、空氣流速三方面影響[2-3]。

表1 微重力條件下燃燒性質(zhì)的變化對比

1.1 重力場

重力場對液態(tài)和氣態(tài)可燃物的聚集、點燃、火焰?zhèn)鞑ズ突鹧嫦邕^程均會起作用，其中，重力場導(dǎo)致燃燒持續(xù)性降低的現(xiàn)象最為明顯。分析認為，在微重力和無對流情況下，燃燒的蔓延主要靠自然擴散作用，因此火焰一般為球形，燃燒產(chǎn)物會聚集在燃燒區(qū)，導(dǎo)致燃燒強度逐漸減弱甚至熄滅。而在有重力場情況下，表面溢出效應(yīng)會導(dǎo)致可燃性液體和水蒸氣向表面移動，并且與周圍空氣混合，這會導(dǎo)致空氣產(chǎn)生微對流，從而起到補充氧氣的作用。Spalding[4]通過常規(guī)重力條件下的實驗得到經(jīng)驗公式

(1)

式中，m-表面蒸發(fā)速率，d-球體直徑，c-比熱，k-熱導(dǎo)率，B-轉(zhuǎn)移次數(shù)，g-加速度，α-熱擴散率。

由公式可以看出，在其他條件相同的情況下，g的降低會導(dǎo)致m降低，即重力降低，反應(yīng)速率下降。另外，Van Dolah等的研究發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境還會引起氣體可燃濃度的變化，例如氫氣的可燃濃度由4%～75%壓縮為6.5%～71%，氨氣的可燃濃度由17%～26.5%壓縮為18%～25.5%，這也在一定程度上降低了物質(zhì)的可燃性。

1.2 壓力

由于空間站內(nèi)壓力是通過設(shè)備進行控制的，與地面大氣壓可能存在差異，這也是影響燃燒的重要因素。一般來說，壓力會影響反應(yīng)速率，因而會對火焰范圍、燃燒速度和自燃趨勢等產(chǎn)生影響。以典型的氫氧燃燒反應(yīng)為例，當H2和O2距離足夠近并且反應(yīng)能足夠高時，二者會產(chǎn)生反應(yīng)，生成OH自由基，并產(chǎn)生一系列鏈式反應(yīng)導(dǎo)致燃燒發(fā)生。當壓力增大時，H2和O2的距離變的更近，反應(yīng)所需的能量隨之降低，燃燒反應(yīng)更易引發(fā)，因此，壓力增大會擴展燃燒的范圍，并且降低大多數(shù)物體自燃的溫度。而艙內(nèi)壓力降低會增大電器的接觸電弧，產(chǎn)生的高熱會導(dǎo)致塑料絕緣快速失效，從而產(chǎn)生火災(zāi)。理論上講，壓力的變化對燃燒的影響相對較小，但也是不可忽視的。

H2+O2→2OH·

(2)

OH·+H2→H2O+H·

(3)

H·+O2→HO2·

(4)

O·+H2→OH·+H·

(5)

H·+O2→OH·+O·

(6)

1.3 空氣流動

空氣的流動性會對促進燃燒，這一點對空間站的燃燒尤為重要。試驗發(fā)現(xiàn)，即使在微重力的條件下，低速的空氣流動(超過0.2m/s)即會使燃燒明顯增強，甚至?xí)^常規(guī)重力條件下的燃燒程度[5]。這是由于空氣的流動會帶走由于微重力導(dǎo)致在火焰表面聚集的燃燒產(chǎn)物，并帶來氧氣，有時一些燃燒的塑料還會產(chǎn)生沸騰或蒸汽噴濺而導(dǎo)致持續(xù)燃燒。而59.9mm和25.4mm長的PMMA熱厚燃料在50%O2-50%N2、70%O2-30%N2甚至純氧的靜止環(huán)境中，持續(xù)燃燒數(shù)分鐘即自熄[6]。同時，我們也發(fā)現(xiàn)，在空氣流動條件下，點燃混合物比靜止條件更為困難，這是由于空氣流動會不斷帶走熱量的原因造成的。

2 空間站火災(zāi)預(yù)警技術(shù)

考慮到空間站火災(zāi)的高發(fā)性，世界各國的航天器中均裝備了火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)警原理的不同，主要分為能量型和煙霧型兩種類型，氣體型裝備正處于試驗階段。

圖1 空間站在用火災(zāi)預(yù)警技術(shù)

2.1 能量型探測器

能量探測器主要包括紫外型、紅外型和溫度型三種類型，目前一般作為輔助探測手段。

紫外型探測器的原理為通過檢測火焰中發(fā)出的紫外輻射，使之通過紫外線玻璃撞擊陰極，使陰極釋放電子并被陽極捕獲，可通過產(chǎn)生的電流來探測火情。1974年，Skylab安裝了可檢測270mm以下波長光的紫外火災(zāi)探測器，這是第一款專門用于航天器火災(zāi)檢測的儀器。紅外型探測器主要監(jiān)測波長為0.7～5μm的紅外輻射，通過光電監(jiān)測管監(jiān)測火焰的閃爍情況，從而預(yù)測火災(zāi)[7]。實踐表明，基于光監(jiān)測的技術(shù)對常規(guī)火災(zāi)中期出現(xiàn)明火的情況較為靈敏，但在微重力且低空氣對流環(huán)境下，火焰大多處于陰燃或悶燃狀態(tài)，一般擴散很慢且不可見(見表1)，因此很難做到早期預(yù)警。而且，周圍環(huán)境的燈光、設(shè)備指示燈的閃爍和宇宙射線等因素也會對火焰探測器產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致虛警率較高。據(jù)報道，我國神舟七號飛船進行首次太空出艙作業(yè)過程中就發(fā)生了能量火災(zāi)探測器誤報警的情況，影響了出艙的進程。

溫度型探測器主要是指熱敏電阻式溫度測量裝置，它們通過監(jiān)測失火或燃燒過程中產(chǎn)生的熱量來預(yù)警火災(zāi)。但這一技術(shù)在空間站應(yīng)用存在兩方面問題，一是溫度型探測器需與熱源直接接觸或距離較近，才能檢測到較為準確的信號，因此其檢測范圍有限，只能用在較小的艙室或大艙室的部分高火災(zāi)風(fēng)險點位；二是報警閾值難以準確設(shè)置，一般設(shè)定檢測溫度高于室溫100～200℃時觸發(fā)警報，但由于偶發(fā)的高溫氣體泄漏、宇宙射線照射等因素，會干擾儀器檢測，導(dǎo)致出現(xiàn)虛警情況，因此溫度型探測器的應(yīng)用具有較明顯的局限性。

2.2 煙霧型探測器

圖2 電離式煙霧探測器工作原理

煙霧型探測器是目前應(yīng)用最為廣泛也最為成熟的空間站火災(zāi)預(yù)警技術(shù)，主要分為光電式和電離式兩種類型。光電式煙霧探測器通過探測煙霧導(dǎo)致的光線變化來預(yù)測火災(zāi)，包括探測煙霧顆粒造成光衰減的模糊探測器、探測煙霧顆粒造成光線散射的光散射探測器以及探測水蒸氣凝聚在微粒上形成核的凝聚核計數(shù)器等。電離式煙霧探測器的工作原理是利用放射源電離帶電極小室內(nèi)的大氣分子，產(chǎn)生正負離子，電極上所加的電壓使離子加速向兩極移動，并產(chǎn)生一束小電流，如果火災(zāi)產(chǎn)生煙霧，這些煙霧微粒會附著在帶電離子上，增加離子質(zhì)量，降低離子運動速度，電離源產(chǎn)生的電流隨即被切斷，當電流衰減至一定程度時，探測器即開始報警，見圖2。

1993年，NASA首次在航天飛機中使用了紅外光電散射煙霧探測器，目前在用航天器中主要配備的基本都是煙霧型探測器(表2)[8]。在實際使用中發(fā)現(xiàn)，煙霧型探測器要發(fā)揮探測功能，必須要有足夠的煙霧進入探測器腔室。由于受到微重力的影響，燃燒產(chǎn)生的煙量較少，煙霧顆粒尺寸也會發(fā)生變化，加之煙的擴散受艙內(nèi)通風(fēng)氣流的影響明顯，易于造成報警不及時。據(jù)NASA報道，美國航天飛機中雖然裝備了9個電離型煙霧探測器，但其在5次火災(zāi)中均未進行預(yù)警。由此可見，煙霧型探測器雖然是目前應(yīng)用較多的火災(zāi)探測儀器，但其缺點也是較為明顯的，亟需應(yīng)用新技術(shù)加以替代。

表2 國外載人航天器裝備火災(zāi)探測器情況表

2.3 氣體型探測器

除了能量和煙霧，氣體是燃燒產(chǎn)生的主要產(chǎn)物。本課題組研究了美塔斯布、熱縮套管等4種空間站用非金屬材料的高溫?zé)後尫艢怏w，發(fā)現(xiàn)CO2、CO等特征氣體的濃度與燃燒階段存在重要聯(lián)系。隨著受熱溫度的不斷升高，特征氣體濃度明顯增加，并在一定溫度下出現(xiàn)增長拐點，因此可以通過檢測陰燃或燃燒產(chǎn)生的特征氣體，來實現(xiàn)火災(zāi)的早期預(yù)測，見圖3。

圖3 4種非金屬材料高溫釋放氣體特性曲線

從2006年開始，約翰遜空間中心以及加州噴氣推進實驗室資助美國RICE大學(xué)，研發(fā)了基于光聲光譜技術(shù)的火災(zāi)早期預(yù)警裝置(圖4)，可實現(xiàn)對CO、HCN、HCl和CO2四種氣體的檢測，檢測下限均低于1ppm，該儀器未來將在空間站中進行試用。我國目前在航天領(lǐng)域，還未應(yīng)用氣體檢測預(yù)測火災(zāi)相關(guān)技術(shù)，但在部分煤礦、化工廠等場所，已有通過檢測甲烷、CO等可燃性氣體的聚集濃度來預(yù)測火災(zāi)的裝置。

與其他技術(shù)相比，以氣體為原理的火災(zāi)預(yù)警技術(shù)，具有獨特的優(yōu)勢。一是虛警率低，氣體檢測具有很高的專一性，針對特定氣體組分的檢測不易受其他因素干擾，因此虛警率較低。二是預(yù)警迅速，能量和煙霧大多出現(xiàn)于火災(zāi)中后期，而特征氣體在火災(zāi)早期即已出現(xiàn)，且氣體擴散速度高于煙霧等其他物質(zhì)，因此可以實現(xiàn)早期預(yù)警。三是布設(shè)簡便，氣體檢測裝置結(jié)構(gòu)相對簡單，一方面可通過模塊化設(shè)計提高設(shè)備可靠性和可維修性，另一方面可通過多探頭共氣室設(shè)計實現(xiàn)多點監(jiān)測。

圖4 基于光聲光譜技術(shù)的火災(zāi)早期預(yù)警裝置

除上述分析的火災(zāi)探測技術(shù)，基于水蒸氣、壓力、聲波等指標的技術(shù)也有報道被用于火災(zāi)探測，但由于空間站環(huán)境的特殊性，這些技術(shù)均不適用。而能量探測技術(shù)由于抗干擾能力差、無法實現(xiàn)早期預(yù)警問題，主要作為輔助檢測手段并逐漸被淘汰。煙霧檢測技術(shù)由于受微重力和氣流條件影響明顯，亦存在明顯不足。由此可見，氣體型探測器是未來應(yīng)用于空間站火災(zāi)探測的重要備選技術(shù)。

表3 光聲光譜氣體探測裝置指標參數(shù)

3 結(jié)論

微重力條件下的燃燒由于受到重力場、壓力、空氣流速等因素的影響，其可點燃性和低速空氣流動下的持續(xù)可燃燒性增強，火焰的可見度降低，熱輻射減弱，產(chǎn)生煙霧的性狀受空氣流動條件影響明顯，造成能量、煙霧等常規(guī)火災(zāi)預(yù)警手段預(yù)警不及時、虛警率高。基于特征氣體檢測的火災(zāi)預(yù)警技術(shù)，具有虛警率低、預(yù)警迅速、布設(shè)簡便等獨特優(yōu)勢，可應(yīng)用于未來空間站火災(zāi)早期預(yù)警。