Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости

 

Использование: для определения показателей пожарной опасности конструкционных материалов в условиях орбитального полета, в том числе, пределов их горения по скорости потока в невесомости. Сущность изобретения: устройство содержит камеру сгорания, выполненную в виде плоского канала, смеситель азота и кислорода, расходомер, газоанализатор, держатель образца материала, привод для его перемещения. Изобретение основано на том, что уменьшением толщины плоского газового слоя, заключенного между горизонтально расположенными пластинами, в нем практически полностью исключается естественная конвекция и процесс тепломассопередачи при горении осуществляется только за счет вынужденной конвекции, как в невесомости. 2 ил.

Устройство предназначено для определения базового показателя, характеризующего пожарную опасность материалов в условиях невесомости, которым является нижний предел горения материалов по скорости потока в невесомости. Данный показатель необходим при разработке средств обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов (КЛА), в особенности долговременных орбитальных станций и межпланетных кораблей.

Обитаемые гермоотсеки КЛА относятся к объектам повышенной пожарной опасности, что обусловлено повышенной концентрацией кислорода в атмосфере гермоотсеков; использованием большого количества полимерных материалов, что определяется требованием снижения массы оборудования КЛА; большой насыщенностью гермоотсеков элеткрооборудованием, элементы которого в обогащенной кислородом среде особенно часто становятся источниками пожара; невозможностью оказания экипажу помощи из вне.

Решение вопроса обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов традиционными методами наталкивается на серьезные технические трудности. Прежде всего это связано с необходимостью удовлетворения противоречивым требованиям, которые предъявляются к средствам обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, с одной стороны на обитаемые гермоотсеки возложены предельные ответственные функции в ракетно-космической системе и средства обеспечения пожарной безопасности должны быть надежными и быстродействующими, с другой - использование традиционных средств и способов обеспечения пожарной безопасности, например, средств тушения пожара с помощью огнетушащих веществ, сдерживается строгими ограничениями по массе оборудования, устанавливаемого на борт, и по экологии обитаемой среды.

Исследования процессов воспламенения и горения материалов в невесомости позволили выявить предельные явления при горении твердых материалов, которые не могли быть обнаружены при наличии силы тяжести из-за определяющего влияния на горение в этих условиях естественной конвекции. Было установлено существование нижнего предела горения материалов по скорости потока в невесомости (V_пр), т.е. значения скорости потока, ниже которой горение данного материала в невесомости не происходит.

Результаты выполненных исследований позволили разработать принципиально новые способы обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА как в части предотвращения пожара, так и части его тушения.

Таким образом, для реализации новых подходов по обеспечению пожарной безопасности в гермоотсеках КЛА необходимо для материалов, предназначенных к использованию в гермоотсеках КЛА, определить значения V_пр с учетом влияния параметров атмосферы, концентрации кислорода в атмосфере (C_ок) и его давления (P_ср).

Известны устройства для определения горючести материалов при различных концентрациях кислорода в атмосфере и ее давлениях, например, устройство для определения предела горения материалов по концентрации кислорода (С_пр) при различных давлениях (Болодьян И.А. Долгов Э.И., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С. и др. Физика горения взрыва., 1979, с. 63-65 N 4).

Устройство включает в себя устанавливаемую вертикально цилиндрическую камеру сгорания. Снизу в камеру сгорания от смесителя с определенным расходом подается газовая смесь с заданной концентрацией кислорода (С_ок). Для равномерного распределения газовой смеси по сечению камеры сгорания в ее нижней части установлен пористый элемент (пакет сеток). С помощью держателя испытываемый образец материала устанавливается по оси симметрии камеры сгорания. Для определения предела горения материала по концентрации кислорода в камере сгорания создают газовый поток с некоторой исходной концентрацией кислорода. Если при этом наблюдается устойчивое горения образца материала, то в следующем опыте концентрацию кислорода в смеси снижают. Таким образом находят предельную концентрацию кислорода, ниже которой горение материала невозможно. Эта величина используется как показатель горючести материала в атмосфере, обогащенной кислородом.

Недостатком является то, что нельзя определить показатели пожарной опасности материалов для условий невесомости, т.к. горение материалов в камере сгорания обеспечивается в основном естественной конвекцией, а вынужденный газовый поток выполняет роль вентилирующего камеру от продуктов сгорания. Ближайшим аналогом является устройство, включающее в себя два контейнера: внутренний и внешний. Внутренний контейнер, в котором размещается горящий образец материала, перед сбрасыванием находится в верхней части внешнего контейнера. В процессе свободного падения внешний контейнер воспринимает на себя аэродинамическое сопротивление воздуха, чем обеспечивается высокая степень невесомости во внутреннем контейнере. Образец размещается в камере сгорания с прямоугольным поперечным сечением вдоль ее оси и может обдуваться газовым потоком с заданными параметрами (скорость потока газовой смеси и концентрации в ней кислорода). Камера выполнена с прозрачными стенками, чем обеспечивается возможность киносъемки кинокамерой, установленной во внутреннем контейнере. (Мелихов А. С. , Потякин В.И., Рыжов А.М., Иванов Б.А. О предельных режимах горения полимеров в отсутствии свободной конвекции. Физика горения взрыва., 1983, N 4, с. 27-30).

В канале с установленным в нем образцом создавался газовый поток с заданной скоростью. Образец зажигался электроспиралью, которая удалялась за пределы канала и контейнеры освобождались от подвесов. В течение некоторого времени горение протекало в невесомости. При этом велась киносъемка процесса горения образца материала. Если при данной скорости потока наблюдалось устойчивое горение образца, то в следующем опыте скорость потока снижалась. Таким образом определялась предельная скорость газового потока, ниже которой горение материала в невесомости не поддерживалось.

Определение V_пр этими средствами является трудоемкой и дорогостоящей работой. Сложность эксперимента обусловлена малой длительностью времени состояния невесомости на указанных средствах. С их помощью можно определить V_пр для узкого круга материалов с малым временем тепловой релаксации зоны горения для таких, например, как термопласты. Для испытания материалов, образующих коксовый остаток при горении, способ определения V_пр с коротким периодом невесомости оказался практически непригодным.

Технической задачей изобретения является разработка устройства, которое позволяло бы определять важные данные о воспламенении и горении материалов для орбитального полета, не прибегая к созданию состояния невесомости, т.е. в условиях действия силы земного притяжения.

Задача решается тем, что одна из стенок камеры, установленных в горизонтальном положении, выполнена подвижной, при этом высота камеры сгорания при определении предела горения материалов для невесомости в зависимости от параметров рабочей газовой атмосферы, в которой предполагается использовать материал, устанавливается исходя из соотношения: где P=P₀/P_ср - член, характеризующий давление газовой среды; C_ок - объемная доля кислорода в газовой среде; g - ускорение силы тяжести, см/с²; K_g - ампирический коэффициент; P₀ - атмосферное давление, МПа; P_ср - давление газовой среды в опыте, МПа.

На фиг. 1 представлена схема устройства по определению предела горения материалов по скорости потока, на фиг. 2 - сравнение зависимостей значения V_пр высот канала h_к, полученных для ф органического стекла (ПММА).

Устройство содержит камеру сгорания 1, выполненную в виде плоского канала для организации равномерного по его сечению потока установлен пакет сеток 2. Камера выполнена из двух горизонтальных массивных пластин, использование которых исключало локальный их прогрев. Конструктивно, с помощью подвижной верхней пластины было обеспечено изменение расстояния между пластинами h_к. Образец материал 3 размещается на штанге, которая может перемещаться с помощью привода 4, удерживая лобовую часть образца на оси канала. Газовый поток с заданным содержанием кислорода подготавливался в смесителе 5. Расход газа и концентрация в нем кислорода измерялись с помощью расходомера 6 (РС-3) и газоанализатора 7 (циркон-М).

Для определения значений V_пр материалов при разных давлениях устройство размещалось в герметичном сосуде.

Для исключения влияния естественной конвекции на результаты опытов камеры сгорания 1 устанавливалась строго горизонтально.

Конструкция привода 4 обеспечивала установку торца образца материала, который зажигался перед введением в канал, на заданном расстоянии δ от сеток 2.

Для задания в эксперименте необходимой в опыте скорости потока, натекающего на зону горения, были проведены специальные тарировочные опыты, в которых скорость потока определялась посредством визуализации газовой среды дымом - определялась скорость перемещения в канале малого (около 5 мм) облака дыма на базе заданной длины в месте предполагаемого размещения горячей части образца.

Методика эксперимента заключалась в следующем: - определялась способность данного материала к горению при заданной концентрации кислорода (значение С_пр), значение V_пр для материала определялось, если С_пр оказывалось меньше С_ок;
- в зависимости от параметров газовой среды в опыте (С_ок и Р_ср) по формуле (1) устанавливалось расстояние h_к к между пластинами;
- в держатель устанавливался образец материала (образцы монолитных материалов выполнялись в виде пластины 1 х 8 х 60 мм, образцы тканей и пленок размером 30 х 60 мм устанавливался в плоском держателе, выполненном в виде вилки с открытой передней кромкой, все виды образцов устанавливались горизонтально на равных расстояниях от горизонтальных стенок камеры);
- в камере с помощью смесителя создавался поток азотно-кислородной смеси с заданной скоростью и концентрацией кислорода;
- образец зажигался вне камеры в струе выходящей из нее газовой среды и после начала устойчивого горения в течение времени, не менее 3 с, вводился в камеру так, чтобы горящая лобовая часть располагалась на расстоянии 10 мм от сеток;
- велось наблюдение за горением, фиксировалось сохранение формы образца и размещение зоны горения в средней по высоте плоскости камеры;
- для материалов, при горении которых не оставалось коксового остатка или твердого каркаса, за величину V_пр принималась скорость потока, при которой горение продолжалось не менее 20 с;
- для материалов, при сгорании которых оставался твердый каркас, за величину V_пр принималась скорость потока, при которой горение продолжалось не менее 10 с.

Основным параметром устройства, знание которого обеспечивает определение V_пр при наличии земного притяжения, является h_к. В результате обработки данных, полученных при различной высоте канала h_к, C_ок и Р_ср (пример на фиг. 1), была составлена формула для определения значения h_к к в зависимости от C_ок и Р_ср;

где
Р=Р_с/Р_ср - член, характеризующий давление газовой среды;
С_ок - объемная доля кислорода в газовой среде;
g - ускорение силы тяжести, см/с²;
K_g - эмпирический коэффициент;
P₀ - атмосферное давление, МПа;
Р_ср - давление газовой среды в опыте, МПа.

Проведено сравнение результатов определения значений V_пр, полученных для нескольких материалов с помощью заявляемого устройства, т.е. при наличии силы тяжести, и в свободнопадающем контейнере, т.е. в истинной невесомости. В таблице, на примере сухого клея ВК-11, показано, что предлагаемое устройство позволяет с небольшой погрешностью (не более 15% для разных материалов) получать значения V_пр для материалов на Земле, адекватные измеренным в невесомости.

Была предпринята объективная проверка справедливости положений, заложенных в представленном устройстве для определения V_пр. С помощью шлиренметода (теневой киносъемки) было установлено, что при рабочих значениях h_к и определенных значениях V_пр> наблюдается симметричный относительно горизонтали погранслой. При увеличении h_кили уменьшении скорости потока погранслой искажался - проявлялось действие на него подъемных сил.

Об отсутствии влияния на процесс горения при определении V_пр горизонтальных стенок канала указывает тот факт, что предел горения по концентрации кислорода (С_пр), определенный в плоском канале, практически совпадает со значением С_пр, измеренным в открытом пространстве.

Данное изобретение обеспечивает определение основного показателя пожарной опасности материалов для условий орбитального полета - предела горения по скорости потока в невесомости (V_пр) при воздействии ускорения силы тяжести.

Эта разработка имеет большое практическое значение, поскольку не требует для использования таких материальных затрат, которые необходимы для проведения опытов в истинной невесомости (в свободно падающих контейнерах, в самолетах-лабораториях, на космических станциях).

Изобретение дает возможность реализовать новейшие разработки в области обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических кораблей, в особенности долговременных орбитальных станций, межпланетных кораблей и т.д., длительно находящихся в орбитальном полете.

Формула изобретения

Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости, содержащее камеру сгорания с плоскопараллельными стенками с установленным в ней образцом испытываемого материала, отличающееся тем, что две противолежащие стенки камеры сгорания установлены перпендикулярно вектору силы тяжести, одна из которых выполнена с возможностью плоскопараллельного перемещения, при этом высота камеры сгорания при определении предела горения материалов для невесомости и в зависимости от параметров рабочей газовой атмосферы, в которой предполагается использовать материал, устанавливается исходя из соотношения

где P = P_о/P_ср - член, характеризующий давление газовой среды;
C_ок - объемная доля кислорода в газовой среде;
g - ускорение силы тяжести, см/с²;
K_д - эмпирический коэффициент;
P₀ - атмосферное давление, МПа;
P_ср - давление газовой среды в опыте, МПа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3