劉 洋

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

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。

1 密封艙內(nèi)可燃物控制

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。

1.1 阻燃性能試驗

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。

1.2 燃燒產(chǎn)物試驗

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。

2 密封艙內(nèi)氧濃度控制

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)。

3 防止點火源形成

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。

3.1 電性能設備

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。

3.2 電纜的安裝與鋪設

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。

3.3 推進劑控制

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。

4 防止火災傳播

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。

5 密封艙內(nèi)煙火監(jiān)測

5.1 火災探測器選用原則

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。

5.2 火災探測器安裝位置

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。

5.3 煙火監(jiān)測告警

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。

6 密封艙滅火

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

7 結(jié)束語

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