劉 洋
(中國空間技術研究院 載人航天總體部,北京 100094)
載人航天器密封艙內(nèi)的防火安全關系到航天器的安全運行和航天員的生命安全,一直是載人航天器研制過程中重要的設計和控制項目。載人航天器內(nèi)存在大量的電氣設備、較多的非金屬材料,且密封艙內(nèi)擁有高濃度的氧氣環(huán)境。電路過載、短路,設備過熱,氧氣泄漏等成為了載人航天器內(nèi)發(fā)生火災的主要隱患。1967年,美國“阿波羅”204號飛船在發(fā)射塔架上進行合練時突發(fā)火災,3名航天員當場遇難;1970年,“阿波羅”13號飛船登月飛行時,服務艙因電路過載、短路引起火災爆炸,航天員緊急撤離到登月艙中才得以艱難返回地球[1];1997年,“和平號”空間站氧氣發(fā)生器破裂引起火災,后被航天員撲滅;美國航天飛機也多次發(fā)生火災危險事故,失火概率達10%[2-4]。
本文以“神舟”飛船、空間實驗室密封艙防火設計經(jīng)驗為基礎,依照火災發(fā)生的三要素(可燃物、氧化劑、點火源)并結(jié)合我國載人航天器防火實際需求,對載人航天器防火安全設計進行總結(jié),以用于支持載人航天器開展密封艙內(nèi)防火、滅火試驗,對貨運飛船、空間站等后續(xù)載人航天器的防火設計提供指導。
密封艙內(nèi)可燃物控制是防火安全工作的第一個關鍵環(huán)節(jié)。密封艙內(nèi)可燃物主要是密封艙內(nèi)大量不同種類的非金屬材料,因此需要了解各類非金屬材料的可燃性能,將易燃材料控制在危險范圍之外。載人航天器對于非金屬材料的選用有嚴格的要求[5],借鑒航空工業(yè)標準[6-7],應逐項對密封艙內(nèi)使用的非金屬材料進行阻燃性能試驗及燃燒產(chǎn)物試驗,試驗合格的非金屬材料才可裝器使用。
根據(jù)非金屬材料在艙內(nèi)所處的不同位置,分為垂直燃燒、水平燃燒、45°傾斜燃燒和 60°傾斜燃燒試驗,通過記錄自熄滅時間、有無滴落物及滴落物續(xù)燃時間、陰燃時間、試樣燒焦長度等來判斷艙內(nèi)非金屬材料的阻燃性能。
對一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、二氧化硫、氰化氫等6種毒性氣體含量進行測定[8]。試驗合格標準[5]見表1。
表1 毒性氣體含量合格標準 Table 1 Regular standard of toxic gas
對于阻燃及燃燒產(chǎn)物試驗結(jié)果不合格的非金屬材料,有以下2種處理措施:
1)非金屬材料在金屬夾層內(nèi)或在密閉容器中,無被引燃條件的,可認為該非金屬材料滿足防火安全要求;
2)試驗結(jié)果不合格的其他非金屬材料,需檢查其使用情況并進行使用環(huán)境分析,確定可采取中間加阻燃非金屬材料隔離或更換等措施進行防護后,可認為符合防火安全要求。
對密封艙內(nèi)氧化劑控制主要是對艙內(nèi)氧濃度進行控制。俄羅斯聯(lián)邦國家標準規(guī)定,俄羅斯的載人航天器密封艙內(nèi)氧濃度不應超出40%[9]。為了保持更高的安全性,在對大量試驗數(shù)據(jù)進行比對后,我國載人航天器密封艙內(nèi)氧濃度要求一般不應超過30%。
密封艙內(nèi)應設置通風設備,避免氧氣聚集;配備氧濃度控制設備,在出現(xiàn)氧氣閥泄漏等故障情況下可以將艙內(nèi)氧濃度控制在規(guī)定的指標范圍內(nèi)。
點火源為火災三要素之一。載人航天器內(nèi)潛在的點火源[10]主要為電性能設備、電纜產(chǎn)生的電火花、電弧,電纜短路、設備過熱。這些點火源均可能引發(fā)點火,造成火災,因此需采用降額、增加抗短路保護等措施。另外,推進劑泄漏也是發(fā)生火災的重要危險源之一。經(jīng)過“神舟一號”到“神舟十一號”載人飛船的實際飛行驗證,摸索出一套載人航天器防火設計標準,重點對點火源等相關問題從設計源頭進行了控制。
艙內(nèi)電性能設備外殼一般采用金屬材料,部分采用阻燃性能合格的非金屬材料。
利用保護墊固定電纜,布置電纜時須避免尖銳的彎曲,最小彎曲半徑為其外徑的6倍[11],以防止電纜絕緣皮破裂。
高壓供電電纜采用單根電纜設計,單獨布局,安裝在航天員不易接觸的區(qū)域。
在高壓供電電纜傳輸路徑上采取二次隔離,電纜與艙體金屬結(jié)構(gòu)直接接觸部位加鋪聚酰亞胺膜。
載人航天器推進劑管路一般設置在密封艙外。若管路必須設置在密封艙內(nèi),則艙內(nèi)管路必須具有良好的密封性,必須保證推進劑在密封艙內(nèi)的濃度低于防火安全門限。
一般情況下,載人航天器密封艙內(nèi)設有強制通風。一旦發(fā)生火災,通風可為火災提供充足的氧氣,導致火勢擴大和蔓延。因此,載人航天器主要通過以下措施來防止火災的傳播:
1)通過控制通風設備對密封艙內(nèi)流場進行控制,對艙內(nèi)點火源及周邊設備采取斷電措施,避免火災快速傳播;制定失火情況下的應急處置流程,對航天員進行培訓。
2)在載人航天器的設計階段,參考俄羅斯相關標準[8],電性能設備之間保持20 mm的防火安裝距離。
密封艙內(nèi)火災探測器的一般選用原則[12]如下:
1)對火災初期有陰燃階段,會產(chǎn)生大量的煙和少量的熱,很少或沒有火焰輻射的區(qū)域,選擇感煙探測器;
2)對火災發(fā)展迅速,可產(chǎn)生大量的熱、煙和火焰輻射的區(qū)域,可選擇感溫探測器、感煙探測器、火焰探測器或其組合;
3)對火災發(fā)展迅速,有強烈的火焰輻射和少量的煙、熱的區(qū)域,選擇火焰探測器;
4)對火災形成特征不可預料的區(qū)域,可根據(jù)模擬試驗的結(jié)果選擇探測器。
微重力環(huán)境下密封艙火災的計算機仿真[4,13-14]可以經(jīng)濟、高效地開展載人航天器在微重力環(huán)境下的火災煙氣蔓延規(guī)律研究,為密封艙內(nèi)火災探測器的合理安裝布局提供重要參考?;馂奶綔y器一般安裝在密封艙內(nèi)易引發(fā)火災的設備的流場下游、大型機柜附近、主要通風管路內(nèi)部及密封艙回風口附近[4]。
為保證火災探測器的可靠性,一般應成對安裝2種以上不同類型的火災探測器。
密封艙內(nèi)配置煙火檢測、報警和定位功能,系統(tǒng)在火災發(fā)生30 s之內(nèi)發(fā)出報警信號,航天員在艙內(nèi)的任何位置都可及時收到報警信息。
煙火告警系統(tǒng)報警方式:
1)語音提示“××艙失火”,系統(tǒng)發(fā)出蜂鳴聲、警報聲等報警音;
2)儀表顯示界面(火災探測器部分)狀態(tài)發(fā)生變化,文字顯示顏色由綠變紅。
我國的載人航天器目前主要采用手動滅火系統(tǒng),主要包括滅火器、滅火濕巾等。航天用滅火器內(nèi)滅火劑具有良好的滅火效果以及良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,對人體毒性危害小,對密封艙內(nèi)環(huán)境破壞小,使用后便于艙內(nèi)環(huán)境恢復。滅火濕巾置于航天員可直接接觸的區(qū)域,用于局部陰燃情況滅火,當然滅火濕巾需經(jīng)過絕緣設計。航天員在訓練中需要完全熟知滅火流程,并進行應急演練培訓。
航天員在滅火時需佩戴防毒面具,防毒面具能對燃燒后的主要燃燒產(chǎn)物具備有效的地防毒作用,且滿足滅火程序所需時間。
為把滅火對艙內(nèi)環(huán)境造成的影響降到最小,航天員滅火后需對艙內(nèi)環(huán)境進行恢復。
依據(jù)多年的載人航天器研制經(jīng)驗,本文總結(jié)出有人參與的艙內(nèi)滅火處置程序,如圖1所示。
圖1 滅火處置流程Fig 1 Flowchart of the fire fighting process
針對載人航天器密封艙防火安全設計,本文從密封艙內(nèi)可燃物控制、艙內(nèi)氧濃度控制、防止點火源形成、防止火災傳播、密封艙煙火監(jiān)測、密封艙滅火6個方面系統(tǒng)性地對密封艙防火進行了總結(jié)。該設計方法可為貨運飛船、空間站等后續(xù)載人航天器防火設計提供參考。
(References)
[1]張孝謙,胡文瑞.載人航天器的安全防火[J].載人航天,2009(2): 22-28 ZHANG X Q,HU W R.Fire safety concerns in spacecraft[J].Manned Spaceflight,2009(2): 22-28
[2]張夏.載人航天器火災安全研究進展[J].力學進展,2005,35(1): 100-115 ZHANG X.Progress in fire safety research for manned spacecraft[J].Advances in Mechanics,2005,35(1):100-115
[3]張夏.微重力燃燒研究進展[J].力學進展,2004,34(4):507-528 ZHANG X.Research advances on microgravity combustion[J].Advances in Mechanics,2004,34(4): 507-528
[4]趙建賀,王冉,俞進,等.載人航天器密封艙內(nèi)火災流場特性研究[J].航天器環(huán)境工程,2013,30(6): 610-615 ZHAO J H,WANG R,YU J,et al.Numerical research on fire in sealed cabin of manned spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering,2013,30(6):610-615
[5]俞進,于瀟,魏傳鋒.載人航天器密封艙內(nèi)非金屬材料控制[J].航天器環(huán)境工程,2011,28(6): 601-604 YU J,YU X,WEI C F.Selection and control of nonmetallic materials used in the sealed cabin of manned spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering,2011,28(6): 601-604
[6]中華人民共和國航空航天工業(yè)部.民用飛機機艙內(nèi)部非金屬材料燃燒試驗方法: HB 5469—1991[S],1991
[7]中華人民共和國航空航天工業(yè)部.民用飛機艙內(nèi)非金屬材料燃燒性能要求: HB 5470—1991[S],1991
[8]中華人民共和國航空航天工業(yè)部.民機機艙內(nèi)部非金屬材料燃燒產(chǎn)生毒性氣體的測定方法: HB 7066—1994[S],1994
[9]俄羅斯國家標準委員會.宇航員在載人航天器中的生存環(huán)境: ГОСТР 50804—1995[S].莫斯科: ИПК標準出版社,1995: 8-11
[10]National Aeronautics and Space Administration Standard.NASA safety manual: Volume 9: Fire protection: NHB 1700.1(V9)[S].Washington D.C.: NASA,1985
[11]中國航天科技集團公司.航天器電纜網(wǎng)設計、制造及驗收技術要求: Q/QJ A63—2010[S].北京: 中國航天標準化研究所,2010: 8-9
[12]霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析與設計[M].合肥:安徽科學技術出版社,2003: 171-183
[13]趙建賀,張亞鋒,石泳,等.載人航天器密封艙內(nèi)細水霧滅火數(shù)值研究[J].航天器環(huán)境工程,2014,31(3):267-271 ZHAO J H,ZHANG Y F,SHI Y,et al.Numerical simulation of fire fighting in sealed cabin of manned spacecraft by water mist[J].Spacecraft Environment Engineering,2014,31(3): 267-271
[14]胡海兵,王彥,王鋒,等.載人航天器艙內(nèi)火災煙霧分布規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].載人航天,2012,18(1):55-59 HU H B,WANG Y,WANG F,et al.Numerical simulation research of distribution of fire smoke within manned spacecraft’s cabin[J].Manned Spaceflight,2012,18(1): 55-59