Пожаробезопасный конструкционный элемент для обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов

Изобретение касается устройства пожаробезопасного конструкционного элемента для обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов (КЛА). Для обеспечения пожаробезопасности в горючей составляющей части конструкционного элемента около его поверхностей, которые в условиях эксплуатации могут контактировать с движущейся в вентиляционном потоке окислительной газовой атмосферой, размещается огнетушащий элемент из материала, негорючего в рабочей атмосфере гермоотсека, не плавящегося при горении и не пропитываемого расплавом горючей составляющей части конструкционного элемента. Огнетушащий элемент выполнен без разрывов и расположен по всей своей площади по возможности на равном расстоянии от поверхностей горючей составляющей конструкционного элемента, которые в условиях эксплуатации могут контактировать с движущейся в вентиляционном потоке окислительной газовой атмосферой, а слои горючих материалов, расположенные между огнетушащим элементом и окислительной газовой атмосферой, движущейся в вентиляционном потоке, выполнены минимально возможной толщины. Изобретение позволяет с высокой надежностью и без применения средств пожаротушения обеспечивать пожарную безопасность гермоотсеков КЛА с невысокими материальными затратами за счет их снабжения конструкциями, не поддерживающими горение. 14 ил.

 

Изобретение относится к области обеспечения пожарной безопасности космических летательных аппаратов (далее КЛА) и может быть использовано при разработке конструкционных элементов оборудования, пожаробезопасных в условиях эксплуатации обитаемых гермоотсеков различных КЛА.

Обитаемые гермоотсеки КЛА характеризуются повышенной пожарной опасностью. Это определено спецификой устройства и условий эксплуатации этих изделий. В гермоотсеках КЛА используется атмосфера с повышенной до 30-40 объемных процентов концентрацией кислорода. С целью снижения массы КЛА в гермоотсеках используется большое количество неметаллических материалов, часть которых является горючей и пожароопасной в среде с повышенной концентрацией кислорода. Обитаемые гермоотсеки КЛА насыщены электрооборудованием, элементы которого при отказах даже в слаботочных цепях часто становятся источниками пожара в обогащенной кислородом атмосфере. Экипажу КЛА невозможно оказать помощь извне при тушении пожара в гермоотсеке, быстро протекающего в атмосфере, обогащенной кислородом.

Для поддержания в жилой и приборной зонах гермоотсека КЛА заданных температурного режима и состава атмосферы гермоотсеки снабжены системой вентиляции (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.), которая обеспечивает во всем объеме гермоотсека перемещение газовой среды со скоростью от 10 до 50 см/с; около вентиляторов скорость среды выше. При таких скоростях газового потока и повышенной концентрации кислорода в атмосфере гермоотсека горение (пожар) в орбитальном полете протекает практически с той же интенсивностью, что и при наличии силы земного притяжения (при g=981 см/с²). Это подтверждено экспериментами на космической станции «Мир» (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара. Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204).

Все перечисленное может увеличивать вероятность возникновения пожароопасных ситуаций в гермоотсеках КЛА и повышать риск срыва программ космических экспедиций.

Имевшие место на ранней стадии развития пилотируемой космонавтики пожароопасные ситуации в обитаемых гермоотсеках КЛА поставили пожарную опасность для этих изделий в число основных опасных факторов космического полета (Береговой Г.Т. и др. Безопасность космических полетов. - М.: Машиностроение. 1977. - 263 с.).

Известные традиционные способы не позволяют обеспечивать пожарную безопасность обитаемых гермоотсеков КЛА на экономически и технически приемлемой основе.

Обеспечение пожарной безопасности гермоотсеков с помощью оснащения их традиционными средствами пожаротушения оказалось практически неприемлемым вследствие ограничений по массе оборудования гермоотсеков, необходимости соблюдения экологической чистоты для экипажа в гермоотсеках, а также из-за возможного нарушения работы электронного оборудования при воздействии на него огнетушащих веществ.

Использование подхода, который заключается в предотвращении возникновения пожаров за счет применения материалов, негорючих в обогащенной кислородом атмосфере, несмотря на определенные успехи в создании таких материалов (Жевлаков А.Ф., Болодьян И.А., Мелихов А.С. и др. О влиянии состава полимерного материала на способность его к горению. Экспресс-информация: Пожарная опасность веществ и материалов: Сб. науч. тр. Сер.1, вып.85. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1976. - С.1-9), оказалось крайне дорогостоящим и не обеспечило многообразные потребности космонавтики в конструкционных материалах с необходимыми физико-механическими свойствами. Поэтому до настоящего времени в обитаемых гермоотсеках КЛА нередко вынужденно используются неметаллические материалы, горючие в рабочей атмосфере гермоотсеков с повышенной концентрацией кислорода, что может делать эти объекты пожароопасными.

В этой связи для решения вопроса обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА с минимальными затратами в настоящее время все более используются приемы исключения возможности горения элементов, созданных с использованием неметаллических материалов, за счет целенаправленного применения различных конструкционных приемов и за счет использования факторов космического полета, влияющих на процессы воспламенения и горения материалов, а следовательно, и на уровень пожарной опасности в обитаемых гермоотсеках КЛА. Предотвращение возможности горения элементов за счет конструкционных приемов является наиболее эффективным средством обеспечения пожарной безопасности таких ответственных изделий, как обитаемые гермоотсеки КЛА.

К конструкционным приемам обеспечения пожарной безопасности, основанным на результатах изучения предельных условий горения материалов, относятся (Болодьян И.А. и др. Исследование предельных условий горения твердых неметаллических материалов. Вопросы горения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах: Сб. науч. тр.. Вып.1. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1975. - С.3-14; Калинкин В.И., Мелихов А.С, Попов Б.Г. Исследование зажигания материалов электрическими разрядами в ограниченных пространствах. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, Вып.4.1981. - С.35-42):

- использование элемента из горючего неметаллического материала в контакте с металлической поверхностью; при этом на способность материалов к горению (на пределы их горения) в большой степени оказывает влияние как толщина слоя неметаллического материала, так и толщина металлического элемента, с которым он контактирует;

- использование неметаллического элемента между металлическими поверхностями;

- экранирование неметаллического элемента оболочкой из негорючих материалов;

- использование неметаллического элемента в каналах ограниченных размеров, в которых число Грасгофа, зависящее от высоты канала в третьей степени, не превышает некоторого предельного значения, и поэтому в канале не развивается естественно-конвективное движение газовой среды, которое может поддерживать горение.

Опыт показал, что с помощью указанных приемов можно исключить горение элементов с малыми размерами: лакокрасочных покрытий, слоев клеев и герметиков, уплотнительных элементов кислородных и других газовых систем, работающих под давлением, и др. (Иванов Б.А., Мелихов А.С., Розовский А.С. Условия безопасного применения лакокрасочных покрытий для кислородного оборудования. В журн. Кислородная промышленность, №1. - М.: НИИТЭХИМ, 1972. - С.17-20; Иванов Б.А., Мелихов А.С., Наркунский С.Е., Розовский А.С. Применение прокладочных материалов в кислородном оборудовании. В журн. Кислородная промышленность, №1. - М.: НИИТЭХИМ, 1973. - С.7-11).

Исключить горение элементов с большой массой и размерами, которые широко используются в гермоотсеках КЛА, с помощью этих приемов невозможно.

Исследование процесса горения неметаллических материалов под действием факторов космического полета показало, что в условиях невесомости при контакте поверхности горючей составляющей части конструкционного элемента с движущейся в вентиляционном потоке газовой атмосферой горение (пожар) в орбитальном полете протекает практически с той же интенсивностью, что и при наличии силы земного притяжения.

В то же время в условиях невесомости наблюдаются режимы горения, которые указывают на тенденцию к прекращению горения материалов при снижении скорости потока окислительной газовой среды около поверхности материала вследствие следующих двух причин:

1. За счет целенаправленного снижения производительности системы вентиляции, а следовательно, скорости вентиляционного потока, обдуваемого горящий элемент до значения, предельного для горения - V_lim (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара. Ньюкасл, Австралия. 3-6 декабря 2001. - С.195-204; Патент России №2116092. / Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов // Мелихов А.С., Зайцев С.Н., Иванов А.В. МПК⁶ А62С 3/08, В64G 9/00. Приоритет изобретения от 05.12.1995);

2. За счет быстрого самопроизвольного расширения в невесомости газового пограничного слоя, образовавшегося на обдуваемой стационарным вентиляционным потоком кромке горящего элемента конструкции (Патент России №2076497 / Способ обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов // Мелихов А.С., Зайцев С.Н. МПК⁶ А62С 3/08. Приоритет изобретения от 11.11.1994).

Учитывая представленные результаты исследований, характеризующие состояние вопроса по обеспечению пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков КЛА, в качестве прототипа данного изобретения взята работа (Melihov A.S. / The Examination of the Burning Process of Solid Non-Metallic Materials in Gravity-Free States and at Effect Variable Along the Magnitude of Accelerationdue to Gravity // Fire-and-Explosion Hazard of Substanges and Venting of Deflagrations - Proceeding of the Second International Seminar. Russian Association for Fire Safety Sciense. All- Russian Research Institute for Fire Protection. 11-15 August, 1997. Russia, Moscow, - pp.238-248), в которой на основании результатов экспериментального исследования процесса горения стеклотекстолита СФ-1-35Г ГОСТ 10316-78 на борту станции «Мир» в 1996 году обнаружена способность композиционных материалов к самопотуханию в условиях невесомости при наличие обдува стационарным вентиляционным потоком.

Композиционные материалы состоят из силового наполнителя (стеклянных частиц, стеклянных, углеродных или других волокон) и связующего элементов наполнителя, в качестве которого используются различные полимерные смолы. Наполнитель при рабочей концентрации кислорода в атмосфере обитаемых герметичных отсеков КЛА, как правило, является негорючим материалом. Вследствие использования в качестве связующего эпоксидных, фенолформальдегидных, полиамидных и других горючих смол композиционные материалы, как правило, являются горючими.

Опыты по изучению горения композиционных материалов (стеклопластиков, стеклотекстолитов, углепластиков) в невесомости при различных скоростях газового потока и концентрациях кислорода в газовой среде показали следующее. После зажигания элемента на кромке, обдуваемой стационарным вентиляционным потоком, направленным вдоль горючего элемента (наиболее пожароопасный режим), некоторое непродолжительное время происходило горение элемента. По мере продвижения пламени по элементу по направлению потока размеры зоны горения и интенсивность горения уменьшались. При прохождении пламенем некоторого расстояния от кромки элемента, обдуваемой потоком, его горение самопроизвольно прекращалось. Расстояние от кромки, обдуваемой потоком, до места, в котором происходило самопроизвольное потухание элемента, зависело от скорости потока и концентрации кислорода в газовой среде. В рабочих диапазонах скорости потока и концентрации кислорода в газовой среде время от момента зажигания элемента до момента его самопроизвольного потухания не превышало нескольких десятков секунд. Подобные результаты были получены в опытах с элементами из различных композиционных материалов.

Композиционные материалы широко используются в обитаемых гермоотсеках КЛА для изготовления различных деталей и особенно элементов электрооборудования.

Однако из композиционных материалов не могут быть изготовлены многие конструкционные элементы, необходимые для компоновки обитаемых гермоотсеков КЛА: демпфирующие интерьерные панели, кабели бортовой кабельной сети (далее БКС), гибкие шланги для систем перекачки жидкостей и газов, теплоизоляция трубопроводов системы терморегулирования в гермоотсеке, звуковибропоглощающие элементы и др.

Это является основным недостатком прототипа.

Целью предлагаемого изобретения является разработка пожаробезопасного конструкционного элемента, в результате чего была бы обеспечена возможность изготовления с использованием единого технического принципа широкого круга составляющих конструкций обитаемых гермоотсеков КЛА, обладающих способностью к быстрому самопотуханию в условиях эксплуатации гермоотсеков в орбитальном полете, в том числе при наличии вентиляционного потока.

Поставленная цель достигается тем, что в пожаробезопасном конструкционном элементе, содержащем в себе горючие и негорючие составляющие, в горючей составляющей части конструкционного элемента около его поверхностей, которые в условиях эксплуатации могут контактировать с движущейся в вентиляционном потоке окислительной газовой атмосферой, размещается огнетушащий элемент из материала, негорючего в рабочей атмосфере гермоотсека, не плавящегося при горении и не пропитываемого расплавом горючей составляющей части конструкционного элемента, при этом огнетушащий элемент выполнен без разрывов и расположен по всей своей площади по возможности на равном расстоянии от поверхностей горючей составляющей конструкционного элемента, которые в условиях эксплуатации могут контактировать с движущейся в вентиляционном потоке окислительной газовой атмосферой, а слои горючих материалов, расположенные между огнетушащим элементом и окислительной газовой средой, движущейся в вентиляционном потоке, выполнены минимально возможной толщины.

На фиг.1 представлена схема устройства пожаробезопасной демпфирующей интерьерной панели для обитаемых гермоотсеков КЛА. На фиг.2 показана схема устройства пожаробезопасного кабеля БКС гермоотсека КЛА. На фиг.3 показана схема устройства пожаробезопасного гибкого шланга для систем перекачки жидкостей. На фиг.4 показана схема устройства пожаробезопасного гибкого шланга для систем перекачки газов. На фиг.5 показана схема устройства пожаробезопасной теплоизоляции трубопроводов системы терморегулирования в гермоотсеке КЛА. На фиг.6 показана схема устройства пожаробезопасного звуковибропоглощающего покрытия для обитаемых гермоотсеков КЛА. На фиг.7 и 8 представлены кадры видеозаписи процесса потухания в невесомости кабеля за счет действия введенного в него огнетушащего элемента. На фиг.9-12 представлены кадры видеозаписи процесса горения и потухания плоского элемента из стеклопластика ВПС-7В за счет имеющихся в нем огнетушащих элементов. На фиг.13 приведена схема, поясняющая механизм самопотухания в орбитальном полете составляющих конструкций из горючих материалов с введенным в них огнетушащим элементом. На фиг.14 проиллюстрировано сравнение результатов экспериментального и расчетного определения расстояния от кромки элемента, обдуваемой потоком, до места, в котором происходит самопотухание элемента (значение l_zfl), для стеклотекстолита КАСТ-В.

Разработка данного технического решения стало возможным на базе фундаментальных исследований предельных условий горения материалов и фрагментов конструкций в невесомости с учетом действия других факторов космического полета.

Проведенные исследования показали, что существует предельная для горения материалов скорость газового потока (V_lim), выше которой в условиях невесомости становится возможным устойчивое горение материала. Одновременно установлено, что материалы, горящие как в газовой фазе, так и на поверхности, в том числе тлеющие материалы с образованием твердого остатка, в отличие от горения при наличии силы земного притяжения обладают свойством самопотухания в условиях эксплуатации обитаемых гермоотсеков КЛА в орбитальном полете.

Механизм самопотухания материалов, горящих с образованием твердого остатка, описан выше и заключается в быстром расширении в невесомости газового пограничного слоя и отрыве по этой причине пламени от поверхности материала.

Представленные результаты исследований послужили основанием для разработки самопотухающего конструкционного элемента, что обеспечило возможность изготовления с использованием единого технического принципа широкого круга составляющих конструкций обитаемых гермоотсеков КЛА, обладающих способностью к быстрому самопотуханию в условиях эксплуатации гермоотсеков в орбитальном полете, в том числе при наличии вентиляционного потока.

Проведенный анализ показал, что данный технический принцип обеспечения пожарной безопасности пригоден при разработке и изготовлении практически всех конструкционных элементов, предназначенных для компоновки обитаемых гермоотсеков КЛА, обладающих большой массой и размерами: демпфирующих интерьерных панелей, кабелей БКС, гибких шлангов, теплоизоляции трубопроводов системы жизнеобеспечения гермоотсека, звуковибропоглощающих покрытий и др.

На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 представлены схемы устройства следующих конструкционных элементов, необходимых для компоновки обитаемых гермоотсеков КЛА и пожаробезопасных в условиях эксплуатации: демпфирующей интерьерной панели (фиг.1), кабеля БКС (фиг.2), гибкого шланга для систем перекачки жидкостей (фиг.3), гибкого шланга для систем окислительных газов (фиг.4), теплоизоляции трубопроводов системы терморегулирования в гермоотсеках (фиг.5), теплоизоляционного и звуковибропоглощающего покрытия (фиг.6).

В обитаемых гермоотсеках КЛА для отделки стен жилой зоны с целью внутренней предметно-пространственной организации гермоотсека, обеспечивающей необходимые условия существования и психоэстетический комфорт экипажу в космическом полете, широко используются разнообразные интерьерные материалы (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.). В частности, в обитаемых гермоотсеках долговременных орбитальных станций используется до нескольких десятков квадратных метров интерьерных материалов, многие из которых могут быть горючими в обогащенной кислородом рабочей атмосфере гермоотсеков, что может делать эти объекты пожароопасными, поэтому требуются технические решения по обеспечению пожарной безопасности элементов интерьера.

На фиг.1 показан разрез пожаробезопасной демпфирующей интерьерной панели для обитаемых гермоотсеков КЛА. На металлическое основание 1 наклеен демпфирующий элемент 2 (из микропористой резины, пенополиэтилена, пенополивинилформаля или других материалов с демпфирующими свойствами), который служит для смягчения возможных ударов человека об интерьер, а также для теплозвукоизоляции. Поверх элемента 2 размещен огнетушащий элемент 3, выполненный в виде тонкого сплошного металлического листа (фольги) или листа (пленки) из полиимидного материала (Ермакова И.С., Жевлаков А.Ф., Жаркова М.А., Соломин З.Г. Способность к горению тканей на основе комбинированных волокон. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах: Сб. науч. тр. Вып.4. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1981. - С.5-10). Огнетушащий элемент может быть изготовлен также из негорючего тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из полиимидного материала «Аримид-Т», исследованных на горючесть в том же литературном источнике. Поверх огнетушащего элемента 3 находится декоративный элемент 4, в качестве которого может быть применена любая традиционно используемая декоративная интерьерная ткань возможно меньшей толщины. Соединение интерьерной панели с соседними панелями 5 осуществляется с помощью элементов 6 монтажной рамы в гермоотсеке. При незащищенных торцах интерьерных панелей зазор между ними не должен превышать 4,5 мм (Калинкин В.И., Мелихов А.С., Попов Б.Г. Исследование зажигания материалов электрическими разрядами в ограниченных пространствах. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР, Вып.4. 1981. - С.35-42; Михеев М.А. Основы теплопередачи. - М.: Госэнергоиздат, 1956. - 392 с.).

В обитаемых гермоотсеках КЛА для соединения отдельных приборов и агрегатов используется большое количество кабелей - до нескольких километров (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.). Чем больше гермоотсек, тем меньше возможность оснащения его кабелями из негорючих в обогащенной кислородом газовой среде материалов, поскольку они имеют высокую стоимость. Применение горючих кабелей может существенно повышать пожарную опасность обитаемых гермоотсеков КЛА, поэтому требуется обеспечение их пожарной безопасности.

На фиг.2 показан разрез пожаробезопасного кабеля для обитаемых гермоотсеков КЛА. Кабель сформирован из проводов 7 с помощью оболочки 8. Используемые провода могут иметь изоляцию из любого из традиционно применяемых материалов: поливинилхлорида, полиэтилена, фторопласта, полиимида и др. Формирующая оболочка может быть изготовлена из любого пластичного материала: поливинилхлорида, полиэтилена, фторопласта. Поверх оболочки 8 размещен (вклеен, впрессован) огнетушащий элемент 9. Он может быть изготовлен из профилированной металлической ленты, свернутой по винтовой линии, или из негорючего тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из материала «Аримид-Т» или из других материалов, негорючих в рабочей атмосфере гермоотсеков КЛА. В случае если в кабеле используются провода с плавящейся при горении изоляцией или плавящаяся при горении формирующая оболочка, например из полиэтилена, огнетушащий элемент должен быть изготовлен из материала, не пропитываемого расплавом полиэтилена. Сверху огнетушащий элемент может быть покрыт слоем 10 эластичного полимерного материала, выполняющим защитную, декоративную и опознавательную роль. При этом в случае использования горючего материала слой должен быть минимально возможной толщины.

В обитаемых гермоотсеках КЛА имеются системы, с помощью которых перекачиваются газы и жидкости. В них широко применяются гибкие и эластичные шланги (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.). Для выполнения специфических требований к физико-механическим свойствам шланги могут изготавливаться из полиэтилена, полипропилена, силиконовый резины и из других эластичных материалов, которые в силу необходимости введения в них пластификаторов (для эластичности) могут являться горючими в обогащенной кислородом рабочей атмосфере гермоотсеков КЛА. Обладая значительными размерами и массой, шланги могут представлять повышенную пожарную опасность в условиях обитаемых гермоотсеков КЛА, и поэтому требуются технические решения по обеспечению их пожарной безопасности.

На фиг.3 показан разрез пожаробезопасного гибкого шланга, предназначенного для использования в системах перекачки жидкостей в гермоотсеках КЛА. Горючая составляющая часть 11 - основное тело шланга - изготовлена из эластичного горючего материала. Для обеспечения пожарной безопасности шланга в его внешнюю стенку при изготовлении вводится огнетушащий элемент 12. Огнетушащий элемент 12 может быть изготовлен из профилированной металлической ленты, свернутой по винтовой линии, или из тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из полиимидного материала «Аримид-Т» или из других материалов, негорючих в обогащенной кислородом рабочей атмосфере гермоотсека КЛА. Сверху огнетушащего элемента расположен слой 13 материала, выполняющий защитную, декоративную и опознавательную роль. Слой 13 должен иметь минимально возможную толщину.

На фиг.4 показан разрез пожаробезопасного гибкого шланга, предназначенного для использования в системах перекачки окислительных газов. Горючая составляющая часть 14 - основное тело шланга - изготовлена из эластичного горючего материала. Для обеспечения пожарной безопасности шланга в его горючую составляющую часть 14 при изготовлении вводится два огнетушащих элемента: около внешней поверхности шланга 15 и около внутренней поверхности шланга 16. Огнетушащие элементы могут быть изготовлены из профилированной металлической ленты, свернутой по винтовой линии, или из негорючего тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из полиимидного материала «Аримид-Т» или из других материалов, негорючих в движущихся газовых окислительных средах, с которыми контактируют поверхности шланга. Поверхности огнетушащих элементов снаружи и внутри шланга могут быть покрыты слоями эластичного материала 17, 18, выполняющими защитную, декоративную и опознавательную роль. Слои 17 и 18 должны иметь минимально возможную толщину.

В обитаемых гермоотсеках КЛА для соединения между собой элементов системы терморегулирования, обеспечивающей заданный тепловой режим в гермоотсеках, (насосов, теплообменников, распределителей теплоносителя, регуляторов его температуры и прочих) и обеспечения циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре системы терморегулирования (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.) используется большое количество теплоизолированных трубопроводов.

Наиболее эффективными теплоизоляционными материалами являются пористые материалы. Однако они могут быть горючими в обогащенной кислородом рабочей атмосфере гермоотсеков. Учитывая, что в гермоотсеке используется большое количество теплоизоляционных материалов, требуется обеспечение пожарной безопасности теплоизолированных трубопроводов.

На фиг.5 показан разрез пожаробезопасной теплоизоляции трубопроводов системы терморегулирования в гермоотсеке. На трубопровод 19, по которому перекачивается теплоноситель, нанесен слой 20 теплоизоляционного материала, в качестве которого могут быть использованы традиционно применяемые пористые материалы: пенопласт стирольный, пенополиуретан, пенополивинилформаль и другие материалы. Для обеспечения пожарной безопасности трубопровода на его горючей составляющей части размещается огнетущащий элемент 21. Огнетушащий элемент может быть изготовлен из профилированной металлической ленты, свернутой по винтовой линии, или из негорючего тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из полиимидного материала «Аримид-Т» или из других материалов, негорючих в обогащенной кислородом рабочей атмосфере гермоотсека КЛА. Поверхность огнетушащего элемента может быть покрыта лакокрасочным покрытием, полимерной пленкой или тканым материалом 22, выполняющими защитную, декоративную и опознавательную роль. Покрытия должны иметь минимально возможную толщину.

В обитаемых гермоотсеках КЛА широко используется звуковибропоглощающие покрытия, предназначенные для снижения шума в гермоотсеках за счет предотвращения возникновения вибрации стенок блоков оборудования (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.). Обладая значительными размерами и массой и являясь, как правило, горючими в обогащенной кислородом атмосфере, звуковибропоглощающие покрытия представляют повышенную пожарную опасность в условиях обитаемых гермоотсеков КЛА и нуждаются в обеспечении пожарной безопасности.

На фиг.6 показан разрез пожаробезопасного звуковибропоглощающего покрытия, нанесенного на металлическую стенку 23. В качестве звуковибропоглощающего материала 24 могут быть применены: силиконовая губчатая резина, синтетический войлок, пенополиэтилен, пенополивинилформаль и др. Для предотвращения возможности горения элементов покрытия на его горючей составляющей части (звуковибропоглощающем материале) размещается огнетушащий элемент 25. Огнетушащий элемент может быть изготовлен из негорючего тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из полиимидного материала «Аримид-Т» или из других материалов, негорючих в обогащенной кислородом рабочей атмосфере гермоотсека КЛА. Поверхность огнетушащего элемента может быть покрыта лакокрасочным покрытием, полимерной пленкой или тканым материалом 26, выполняющими защитную, декоративную и опознавательную роль. Покрытия на огнетушащем элементе должны иметь минимально возможную толщину.

Правомерность и эффективность представленного технического решения подтверждена результатами испытаний фрагментов конструкций в условиях, соответствующих орбитальному полету, по методике, изложенной в работе (Патент России №2116093 / Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости // Мелихов А.С., Иванов А.В., Потякин В.И. МПК⁶ А62С 3/08, В64G 9/00. Приоритет изобретения 05.12.95.; Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования. / Мелихов А.С., Иванов А.В., Болодьян И.А. и др. // Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации. Кливленд, штат Огайо, 18-20 мая 1999.).

На фиг.7 и 8 представлены кадры видеозаписи процесса горения и потухания кабеля диаметром 6 мм, сформированного из проводов с изоляцией из поливинилхлорида с помощью оболочки также из поливинилхлорида. Поверх оболочки размещен огнетушащий элемент, выполненный в виде чулка из стекловолокна. На огнетушащий элемент нанесено защитное декоративное покрытие из полиэтилена толщиной около 0,5 мм. Покрытие из полиэтилена может гореть при концентрации кислорода в атмосфере, равной и большей 17% (объемных) (Калинкин В.И., Мелихов А.С., Третьяков В.А., Фланкин Е.В. Исследование пожарной опасности кабельных жгутов. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах: Сб. науч. тр. Вып.3. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1979. - С.3-15).

Испытание фрагмента кабеля проводилось при концентрации кислорода в атмосфере, равной 25%, и скорости потока, равной 12 см/с. Направление потока - слева направо. После зажигания торца фрагмента горение происходило в лобовой его области (фиг.7). После выгорания полиэтиленового покрытия с поверхности огнетушащего элемента в лобовой области пламя под действием потока газовой среды сошло на боковую поверхность кабеля (фиг.8). Здесь оно распространялось по кабелю со скоростью, равной 0,35 см/с. По мере продвижения зоны горения по кабелю его размеры уменьшались. Пройдя 36 мм от места зажигания кабеля, пламя самостоятельно потухло. Время от момента зажигания кабеля до момента его самопроизвольного потухания составило 15 с. На фиг.8 зафиксирован момент за 3 с до самопотухания.

На фиг.9-12 представлены кадры видеозаписи процесса горения и потухания плоского элемента из стеклопластика ВПС-7В, ОСТ92-0956-74 толщиной 3 мм, из которого изготавливаются печатные платы и другие элементы электро- и другого оборудования КЛА. Стеклопластик ВПС-7В может гореть в поле земного тяготения без подавления естественной конвекции при концентрации кислорода в атмосфере, равной и большей 20% (объемных).

Испытание проводилось при концентрации кислорода в атмосфере, равной 25%, и скорости потока газовой атмосферы, равной 20 см/с. Направление газового потока - слева направо. После зажигания горение происходило в лобовой области элемента (фиг.9). После выгорания связующего в лобовой части элемента впереди пламени оставался твердый негорючий остаток. Пламя под действием потока газовой среды сошло на боковые поверхности элемента (фиг.10). По мере продвижения пламени по элементу его размеры уменьшались (фиг.10 и 11). После достижения некоторого критического расстояния от торца элемента, где производилось зажигание, равного в данном опыте 7 мм, пламя самопроизвольно потухло (фиг.12). Время от момента зажигания до момента его самопроизвольного потухания составило 27 с.

Таким образом, показано, что предлагаемое техническое решение исключает возможность устойчивого и развивающегося горения элементов из горючих материалов с большой массой и размерами, которые широко используются в обитаемых гермоотсеках КЛА. Самопроизвольное потухание элементов из горючих материалов наступает за короткое время.

Эффективность предлагаемого технического решения доказана экспериментально с помощью современных методов исследования (Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In «Skorost» Apparatus On The Space Station «Mir» / Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov A.B., Melikhov A.S., Bolodyan LA., Potyakin V.I. et al. // Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999; Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования. / Мелихов А.С., Иванов A.B., Болодьян И.А. и др. // Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, Кливленд, штат Огайо, 18-20 мая 1999).

Предлагаемое техническое решение нашло также теоретическое обоснование.

Для пояснения механизма самопотухания в орбитальном полете составляющих конструкций из горючих материалов с введенным в них огнетушащим элементом рассматривается схема, приведенная на фиг.13, которая характеризует поле скоростей газового потока в пограничном слое, образовавшемся на обдуваемой вентиляционным потоком передней кромке элемента конструкции, и взаимодействие пламени с полем скоростей в пограничном слое, приводящее к самопотуханию. Данный случай соответствует обтеканию плоских элементов, представленных, например, на фиг.1 и 6.

Конструкционный элемент, показанный на схеме, состоит из металлического основания 27, функционального элемента 28 (демпфирующего элемента интерьера или элемента звуковибропоглощающего элемента), выполненных из микропористой резины, пенополиэтилена, пенополивинилформаля, силиконовой губчатой резины, синтетического войлоки или другого горючего материала. Поверх функционального элемента 28 размещен огнетушащий элемент 29, выполненный из тонкого сплошного металлического листа (фольги), листа (пленки) из полиимидного материала или из негорючего тканого материала: из ультратонкого стекловолокна, углеродного волокна, волокна из полиимидного материала «Аримид-Т». Огнетушащий элемент 29 покрыт полимерной пленкой или тканым материалом 30, выполняющими защитную, декоративную или опознавательную роль.

Расстояние от передней кромки конструкционного элемента до зоны, в которой происходит самостоятельное потухание горючего элемента в невесомости за счет действия введенного в него огнетушащего элемента (величина l_zfl, показанная на фиг.8, 12, 13) при наличии вентиляционного потока, определялось исходя из положений теории пограничного слоя (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Иностранная литература. 1956. - 528 с.), которые дают возможность оценить значение скорости газового потока в заданной точке пограничного слоя.

Процесс рассматривается в координатах: Х - направление вдоль вектора скорости потока и поверхности плоской пластины; Y - направление, перпендикулярное координате X.

При обтекании конструкционного элемента вентиляционным потоком 31 со скоростью V_ven начиная с передней кромки пластины (можно считать, что от начала координат 0) формируется пограничный слой с внешней граничной поверхностью 32.

За пределами внешней граничной поверхности 32 пограничного слоя скорость потока V_gf равна значению V_ven. Внутри пограничного слоя скорость потока V_gf уменьшается с приближением к поверхности элемента - покрытию 30 - и на поверхности элемента становится равной нулю (см. эпюры 33). С удалением от передней кромки элемента конструкции (от начала координат 0) толщина пограничного слоя увеличивается и граничная поверхность 32 удаляется от поверхности элемента. Также удаляется от поверхности элемента любая поверхность, на которой скорость потока V_gf является постоянной величиной и, в частности, поверхность 34, где V_gf равна значению V_lim материала.

При загорании элемента конструкции (как правило, загорается торцевая часть элемента) формируется пламя 35 с ведущей кромкой 36, расположенной у газофазногорящих материалов на некотором расстоянии Δ_lfl от поверхности материала (в данном случае от поверхности горючего покрытия 30). У разных газофазногорящих материалов значение Δ_lfl различно.

Ведущая кромка пламени 36 занимает положение относительно поверхности материала, которое является оптимальным для устойчивого горения материала при данных условиях по следующим двум основным признакам: а) чтобы режим теплообмена пламени с поверхностью материала обеспечивал вырабатывание горючих продуктов разложения материала, поступающих в пламя и поддерживающих горение; б) чтобы обеспечивался вдув с необходимой скоростью окислительной газовой среды в пламя. Теплообмен пламени с поверхностью материала и скорость вдува окислительной среды в пламя зависят от расстояния от ведущей кромки до поверхности материала (см. эпюры 33). Учитывая, что при устойчивом горении материала значение Δ_lfl оптимально, при продвижении пламени по координате Х значение Δ_lfl практически не меняется в зависимости от места расположения пламени над элементом, поэтому место расположения ведущей кромки пламени 36 на фиг.13 обозначено прямой линией 37, параллельной слою материала 30.

По мере выгорания слоя материала 30 над негорючим огнетушащим элементом 29 ведущая кромка пламени и все пламя продвигаются по направлению газового потока от торцевой части элемента конструкции по оси X.

Как было показано выше, поверхность 34 внутри пограничного слоя, на которой скорость газового потока окислительной среды V_gf равна предельной для горения данного материала скорости потока, при данных условиях - V_lim, при увеличении Х удаляется от поверхности материала. Пока скорость газового потока V_gf на расстоянии Δ_lfl от поверхности материала превышает значение V_lim материала, горение слоя материала 30 над огнетушащим элементом 29 протекает устойчиво (см. фиг.7, 8, 9-11). После выгорания слоя материала 30 на участке 38, как только ведущая кромка пламени 36 пересекает линию 34 и скорость потока окислительной среды V_gf на линии движения ведущей кромки пламени становится меньше значения V_lim материала, горение слоя материала прекращается - происходит самопроизвольное потухание элемента. Участок по оси Х ниже точки пересечения остается несгоревшим. На оголившемся участке огнетушащего элемента из негорючего материала горение происходить не может.

Исходя из положений теории пограничного слоя (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Иностранная литература. 1956. - 528 с.) выведена следующая формула для расчетного определения значения l_zfl:

где V_ven - скорость вентиляционного потока, набегающего на конструкционный элемент, см/с;

Δ_lfl - расстояние от ведущей кромки пламени до поверхности материала, см;

ν_en - коэффициент кинематической вязкости газовой среды, см²/с;

V_lim - предел горения материала по скорости потока в невесомости, см/с.

Видно: чем меньше V_ven и Δ_lfl и больше ν_en и V_lim, тем быстрее (на меньшем расстоянии) должно происходить самопотухание конструкционного элемента. Наиболее благоприятные условия для самопотухания у материалов, у которых ведущая кромка пламени расположена близко к поверхности материала, или у материалов, горящих на поверхности, где скорость газового потока близка к нулю.

Выполнено сравнение результатов экспериментального и расчетного определения значения l_zfl для ряда композиционных материалов.

Экспериментально значение l_zfl определялось по методике (Мелихов А.С., Иванов А.В., Болодьян И.А. и др. Изучение параметров процесса горения полимерных материалов в условиях, адекватных микрогравитации, методом физического моделирования. Материалы 5-го интернационального семинара по горению в условиях микрогравитации, Кливленд, штат Огайо, 18-20 мая 1999) на экспериментальной установке, описанной в работе (Патент России №2283151 / Устройство по определению показателей, характеризующих пожарную опасность конструкционных неметаллических материалов в условиях невесомости // Мелихов А.С., Потякин В.И., Иванов А.В. МПК А62С 3/08, В64G 9/00. Приоритет изобретения от 21.06.2004). Правомерность методики подтверждено экспериментами на космической станции «Мир» в орбитальном полете на примере стеклотекстолита СФ-1-35Г (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара, Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204).

На фиг.14 под номером 39 приведена экспериментально определенная зависимость значения l_zfl от V_ven для стеклотекстолита КАСТ-В ГОСТ 10292-74 при концентрации кислорода в среде, равной 26%. Под номером 40 приведена зависимость, рассчитанная для стеклотекстолита КАСТ-В по формуле (1) для тех же условий. Видно, что результаты расчета удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными.

Проверка эффективности обеспечения пожарной безопасности в обитаемых гермоотсеках КЛА с помощью использования предложенного технического решения осуществлялась путем оценки уровней опасных факторов пожара при возникновении пожароопасной ситуации с конструкционным элементом, в который введен огнетушащий элемент. Оценки проводились расчетным путем с использованием экспериментальных данных о горючих свойствах материалов, имеющихся данных о параметрах горения материалов в невесомости, характеристик обитаемых гермоотсеков КЛА, в частности Международной космической станции, в рабочих диапазонах скоростей потока атмосферы в гермоотсеке и концентрации в ней кислорода (Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В.П.Глушко. - М.: Советская энциклопедия, 1985. - 527 с.; Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. Материалы 5-го симпозиума Азии-Океании по науке и технике пожара, Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195 - 204; Preliminary Results Of The Third Test Series Of Nonmetal Material Flammability Evaluation In «Skorost» Apparatus On The Space Station «Mir» / Ivanov A.V., Alymov V. Ph., Smirnov А.В., Melikhov A.S., Bolodyan LA., Potyakin V.I. et al. //Proceedings of the Fifth International Microgravity Combustion Workshop, Cleveland, Ohio. May 1999).

Оценивалась возможность превышения в пожароопасных ситуациях, связанных с загоранием конструкционных элементов с введенными в них огнетушащими элементами, предельно допустимых уровней опасных факторов пожара по температуре атмосферы и по токсичности продуктов горения материалов, определенных работами (Береговой Г.Т. и др. Безопасность космических полетов. - М.: Машиностроение. 1977. - 263 с.; Основы космической биологии и медицины. Под общей ред. Газенко О.Г. и Кальвина М. (США). В 3-х томах. - М.: Наука, 1975. Всего - 1862 с.).

Пожаробезопасной является ситуация, при которой выполняются условия пожаробезопасности: М^t _lim≥K_s·M_zfl и М^c _lim≥K_s·M_zfl, где М^t _lim - предельно допустимая масса материала, определенная по предельно допустимому значению температуры атмосферы в гермоотсеке при горении, г; М^c _lim - предельно допустимая масса материала, определенная по предельно допустимой концентрации продуктов горения, г; M_zfl - сгоревшая до самопотухания масса элемента, г; K_s - коэффициент безопасности.

Расчеты приращения температуры атмосферы в гермоотсеке до самопотухания выполнялись в соответствии с результатами работы (Попов A.M., Николаев В.М., Мелихов А.С., Болодьян И.А. Расчетно-экспериментальное исследование горения полимерных материалов в замкнутых объемах при повышенной концентрации кислорода. Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах: Сб. науч. тр. - М.: ВНИИПО МВД СССР. Вып.2. 1977. - С.31-38). Соответственно оценка возможности достижения в атмосфере гермоотсека опасной для человека концентрации продуктов горения выполнялась по данным работы (Береговой Г.Т. и др. Безопасность космических полетов. - М.: Машиностроение. 1977. - 263 с.) и работ Всероссийского научно-исследовательского института гигиены им. Ф.Ф.Эрисмана.

Установлено, что при загорании конструкционных элементов, показанных на фиг.1-6, уровни опасных факторов пожара после самопотухания наиболее горючих и потенциально токсичных материалов (поливинилхлорида, полиэтилена и др.) в обитаемых гермоотсеках, в частности корабля «Союз», не превышают предельно допустимых значений. Так, повышение температуры атмосферы не превышает 6°С, при этом концентрации продуктов горения оказывалась более чем в 10 раз меньшей предельно допустимых значений.

Для надежной работы огнетушащие элементы, обеспечивающие пожарную безопасность обитаемых гермоотсеков КЛА, должны иметь достаточную термическую стойкость, чтобы не распадаться, когда на них будут воздействовать источник зажигания (электрическая дуга, нагретый провод и прочие) и возникшее под его воздействием пламя. Это должно достигаться использованием для изготовления огнетушащих элементов тепло-огнестойких материалов (нитей, шнурков, крючков и др.) - из ультратонкого стекловолокна, волокна из материала «Аримид-Т», металлов.

Заявляемое техническое решение предотвращает горение конструкций обитаемого гермоотсека КЛА в условиях орбитального полета при наличии вентиляционного потока за счет введения в горючую составляющую часть конструкции огнетушащего элемента. Оно позволяет оснастить обитаемые гермоотсеки КЛА конструкциями, не поддерживающими горение, и тем самым исключить возможность развития пожара в обогащенной кислородом атмосфере гермоотсеков в орбитальном полете без применения средств пожаротушения.

Пожаробезопасный конструкционный элемент используется в настоящее время для обеспечения пожарной безопасности ряда конструкций в обитаемых гермоотсеках российских модулей Международной космической станции. Данное техническое решение имеет большую перспективу в практике обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков в долговременных космических полетах и позволяет с высокой надежностью обеспечивать пожарную безопасность гермоотсеков КЛА с невысокими материальными затратами.

Пожаробезопасный конструкционный элемент для обитаемых гермоотсеков космических летательных аппаратов, содержащий в себе горючие и негорючие составляющие, отличающийся тем, что в горючей составляющей части конструкционного элемента около его поверхностей, которые в условиях эксплуатации могут контактировать с движущейся в вентиляционном потоке окислительной газовой атмосферой, размещается огнетушащий элемент из материала, негорючего в рабочей атмосфере гермоотсека, не плавящегося при горении и не пропитываемого расплавом горючей составляющей части конструкционного элемента, при этом огнетушащий элемент выполнен без разрывов и расположен по всей своей площади по возможности на равном расстоянии от поверхностей горючей составляющей конструкционного элемента, которые в условиях эксплуатации могут контактировать с движущейся в вентиляционном потоке окислительной газовой атмосферой, а слои горючих материалов, расположенные между огнетушащим элементом и окислительной газовой атмосферой, движущейся в вентиляционном потоке, выполнены минимально возможной толщины.