载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势.pdf
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1、Chinese).Chinese Journal of Space Science,22023,43(3):531-548.D0I:10.11728/css2023.03.2022-0049WANGShuangfeng,WU Chuanjia.Recent Progress and Development Trend of Solid Combustion Research for Manned Space Exploration(in0254-6124/2023/43(3)-0531-18Chin.J.SpaceSci.空间科学学报载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势*1,2,3
2、1,2王双峰吴传嘉1(中国科学院力学研究所中国科学院微重力重点实验室北京100190)2(中国科学院大学工程科学学院北京10 0 0 49)3(中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190)摘要掌握固体材料在空间特定使用环境中的可燃特性,是保障载人航天器防火安全的重要前提,相关需求构成了微重力燃烧研究的主要推动力之一。近年来,固体材料燃烧及相应的载人航天器防火问题得到各航天大国的持续关注,新一轮研究热潮正在形成,研究工作表现出新的特点和发展态势。本文综述了约10 年来微重力固体材料燃烧的研究进展和最新成果,对该研究方向的发展趋势进行分析,对未来研究提出建议,为后续进一步发展
3、提供参考。关键词同材料可燃性,载人航天器,防火安全,微重力中图分类号TK16Recent Progress and DevelopmentTrend of Solid Combustion Research forManned Space ExplorationWANG Shuangfeng1,2,3WU Chuanjial.21(Key Laboratory of Microgravity,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)2(School of Engineering Science,Univ
4、ersity of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)3(State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)AbstractThe understanding of solid material flammability in the specific use environment is of practical importance for manne
5、d spacecraft fire safety,and the relevant fire safety concerns in spacecraf*国家重点研发计划项目资助(2 0 2 1YFA0716203)2022-09-05收到原稿,2 0 2 2-12-15收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)532Chin.J.SpaceSci.2023,43(3)空间科
6、学学报have served as one of the primary motivations for microgravity combustion research.In recent years,thevarious space powers have paid continuous attention to the burning characteristics of solid materials andthe corresponding application to spacecraft safety.It seems that a renewed interest in suc
7、h a researchfield is arising,while distinct features and development trends could be identified.This paper reviews theresearch progress and latest results on microgravity solid combustion in recent ten years.Overall devel-opment trends of the field and future directions of research work are also dis
8、cussed,hoping to provideuseful reference for further research.Key wordsMaterial flammability,Manned spacecraft,Fire safety,Microgravity0引言固体材料可燃性是对材料燃烧行为和火灾危险性的定量描述.2。可燃性参数一方面直接用于材料防火安全评价,另一方面作为火灾动力学模型的基本输入参数对于准确模拟火灾至关重要13 。固体材料着火和燃烧涉及固相热解、热解产物与氧化剂混合、气相化学反应、气相和固相传热传质等一系列复杂过程,其可燃性强烈依赖于气流流动、压力、氧气浓度、受热
9、情况等使用环境中的外部条件,在一定环境条件下获得的某种材料可燃性结果以及据此得到的材料热力学参数不适用于其他不同环境4-8 。与地面相比,在轨飞行的载人航天器舱内出现了明显不同但可支持材料燃烧的环境:微重力条件使得燃烧引起的自然对流大幅减弱甚至基本消失,自然对流在燃烧过程热量和物质传输中的支配地位不复存在,取而代之的是由于航天器舱内通风需要而存在的低速强迫对流(速度一般小于2 0 cms)9;舱内大气总压和氧气浓度有多种可能的选择,目前普遍以标准空气(10 1kPa,21%O2)为基准,但波动范围较大,下一代航天器将优先采用低总压(58 kPa左右)、高氧浓度(3 0%3 4%)的非标准大气1
10、0-12)。这些环境要素相互耦合,深刻影响着固体材料的燃烧行为和可燃特性,理解其科学规律是载人航天器防火安全的基础,也是燃烧理论发展的需要。同时,未来空间探索经历的重力加速度环境是多样化的,除了轨道飞行时的微重力外,还主要面临地外天体表面的当地重力条件,使载人航天器和地外栖息基地的运营环境发生新的变化,对固体材料可燃性和防火安全研究提出挑战。固体材料燃烧及相应的航天器防火安全问题一直是微重力燃烧领域的重要研究内容。自2 0 世纪60年代以来,针对微重力条件下非金属固体材料燃烧特性已开展了大量研究工作,在理论分析、数值模拟、模型探索的同时,利用地基和空间微重力实验平台进行了一定数量的实验研究。总
11、的来看,较前期的研究主要集中于材料着火之后的火焰传播,实验材料多为热薄材料,着重考察低速气流、氧气浓度、材料厚度和几何形状等的影响;由于实验数据有限,对微重力环境中固体材料燃烧过程的认识远不充分,无法为航天器材料可燃性评价和火灾模型发展等实际应用提供支撑。已有综述文献13-15 对这一时期的研究情况和主要研究结果进行了较为全面的总结。近年来,为最大限度地保障载人航天活动的防火安全,空间环境中固体材料的可燃性研究持续受到高度重视。美国、欧洲和日本等国家及地区围绕相关问题规划并陆续开展了多个研究项目,研究周期长,内容广泛,并且有系统的组织和安排。NASA(美国国家航空航天局)以深人认识固体材料燃烧
12、机理、增强航天器防火的实际能力为目标,在国际空间站上安排了系列专项实验,部分实验已完成并取得研究结果,另有实验在推进中16 17。NASA/ESA(欧洲空间局)和JAXA(日本宇宙航空研究开发机构)分别组织了较大规模的国际合作项目16 ,针对固体材料燃烧开展空间实验和地基研究,主要关注尺寸效应对材料可燃性的影响、微重力与常重力可燃极限的联系等,并评估和改进现有的航天器材料筛选测试方法及航天器火灾模型。目前两个项目正按计划实施。同一时期,中国利用实践十号卫星和微重力落塔开展了内容丰富的固体材料燃烧实验,获得大量研究结果,也为中国载人空间站上的防火安全研究进行了技术研发和科学规划。这些已经完成和计
13、划开展的研究项目标志着微重力环境中固体材料燃烧特性研究进人一个新的533王双峰等:载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势发展阶段。本文综述了最近10 年来国外微重力固体材料燃烧研究的项目规划、进展情况和已取得的主要成果,介绍中国在该方向的最新研究进展和前景,对现阶段的发展趋势进行分析,并对载人空间探索环境固体材料可燃性的进一步研究提出建议。1国外研究计划与进展1.1国外空间站专项实验NASA将国际空间站作为航天器防火安全研究的主要空间实验平台,在固体材料燃烧方面规划了多个实验项目。较早的实验利用微重力科学手套箱(Microgravity Science Glovebox,M SG)完
14、成,更多的实验则在稍后安装到位的多功能燃烧实验柜(Com-bustion Integrated Rack,CIR)中进行,CIR为此配备相应的实验插件装置。这些实验之间相互衔接,各有侧重,其与实验设备/装置的对应及实施情况列于表1。1.1.1烟雾测量实验SAME实验分两期进行,分别为SAME和SAME-R,目的是提供定量的实测数据,评估离子感烟探测器(航天飞机使用)和光电感烟探测器(国际空间站使用)的性能,提升未来载人航天器火灾探测技术的可靠性18 。SAME实验装置如图1所示18.19。实验测量了5种典型材料在不同气流速度、加热温度和烟雾颗粒停留时间等条件下热解产生的烟雾颗粒粒径及分布,得到
15、具有实际意义的分析结果19-2 。41。这些实验材料产生的大量烟雾颗粒都是亚微米级尺度的(见图2 2 3)),离子感烟探测器的探测效果较好,光散射探测器在多数情况下也有很好的探测效能。然而,两种探测器均不能探测到所有实验材料的烟雾颗粒,表明下一代感烟探测器必须进行改进设计和严格测试。实验发现,微重力下材料在着火前产生的烟颗粒的粒径分布范围较广,因此有效的感烟火灾探测方法应针对此特点进行相应设计。通过数值模型研究进一步发现,由于混合过程在烟雾颗粒输运中起主导作用,微重力条件下的探测器响应时间比常重力下要长,而且探测效果十分依赖于探测器和障碍物的位置。值得一提的是,SAME的成功建立在NASA长期
16、的有组织的研究计划基础上:实验中使用的超细颗粒计数器已在此前(2 0 0 5一2 0 0 6 年)的国际空间站技术试验,即粉尘和气溶胶测量可行性测试(DustandAerosol Measurement Feasibility Test,DAFT)中经过专门检验,而1996 年在航天飞机上完成的碳烟诊断实验(Comparative Soot Diagnostics,CSD)则是表1NASA在国际空间站的固体材料燃烧实验项目Table 1NASAs solid combustion projects on the International Space Station使用的实验实验名称空间实验实
17、施时间主要研究人员和机构说明设备/装置烟雾测量实验MSG/SAME20072010David Urban NASA包括SAME和SAME-RSAME(Smoke and Aerosol格林研究中心Measurement Experiment)固体材料燃烧和抑制MSG/改造后的20122014Paul Ferkul NASA包括BASS,BASS-II和BASS(Burning andSPICE装置格林研究中心BASS-M;SPICE装置先期用Suppression of Solids)于MSG中气体同流火焰烟点实验(SmokePointinCoflowExperiment)燃烧速率模拟器CIR
18、/ACME/BRE燃2019-2021James Quintiere微重力前沿燃烧实验BRE(Burning Rate烧模拟器马里兰大学ACME(AdvancedEmulator)Combustion viaMicrogravity Experiments)项目5个课题之一固体燃料着火和熄灭CIR/SoFIE预计2 0 2 2-2 0 2 5JamesTien凯斯西储大包括5个研究课题SoFIE(Solid Fuel Ignition学;Carlos Fernandez-and Extinction)Pello加州大学伯克利;FletcherMiller圣迭戈州立大学;S.Bhattachar
19、jee圣迭戈州立大学;SandraOlsonNASA格林研究中心5342023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报DiluterTo pistonP-trakRair/vacuumcontrollerN2AirpistonDiluterDusttrakSamplelonizationcarouselValvesdetectorDiagnosticsSTSductdetectorlSmokeISSgenerationThermaldetectorprecipitatorTovacuumtPS-01155-2duct图1SAME实验装置外观与结构Fig.1Photograph
20、and schematic of the SAME hardware(a)(c)5um5umum(d)e(f)5 m5 m2um图2烟颗粒透射电镜照片。(a)未老化的Kapton,57 4,(b)老化的Kapton,57 4,(c)未老化的灯芯,2 6 5,(d)未老化的Pyrell,2 42,(e)未老化的Teflon,514,(f)未老化的硅树脂,3 8 0 Fig.2TEM images showing morphology of smoke particles.(a)Unaged Kapton,574,(b)a g e d K a p t o n,57 4,)unaged lamp w
21、ick,265,(d)u n a g e d Py r e l l,2 42,(e)u n a g e d T e f l o n,514,a n d (f)u n a g e d s i l i c o n e,3 8 0 SAME的前期研究工作。1.1.2固体材料燃烧和抑制BASSBASS系列实验主要有三个目标:(1)为固体材料燃烧模型提供无重力影响的实验数据,在假设没有浮力的情况下发展简化的燃烧模型,经过微重力实验验证后加入浮力的影响以考虑更复杂的模型组合;(2)改进NASA现有的航天器材料可燃性地面测试方法,使之能够反映微重力条件下的材料燃烧特性;(3)进行氮气熄灭火焰测试。实验使用了
22、大量固体材料样品,种类包含平板、柱状和球形材料以及圆管中的蜡烛。实验装置如图3 所示2 5应该注意到,BASS实验过程中氧化气体和燃烧产生的气体封闭在MSG内进行循环,而且极限氧气浓度(维持燃烧的最低氧浓度)的测定是通过燃烧对氧气的消耗使火焰逐渐达到熄灭条件,因而环境气体成分的变化可能对实验结果有较大影响。有关平板材料燃烧的研究取得了多项结果:对热辐射、传热和化学反应控制区的逆向火焰传播特征进行实验观察(火焰传播速度变化如图4所示)和理论分析,验证了热辐射和传热控制区理论模型的准确535王双峰等:载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势(a)(b)Fuel:cotton-fibergl
23、assTopwindow2.2cmIgniter三三SidewindowFlowexitSample holderFansection图3BASS实验装置。(a)小型流动通道,(b)试样、试样架和点火器Fig.3Experimental setup of BAsS.(a)Small flow duct,and(b)fuel sample,sample holder,and igniter3Radiativeo100um(i s.uu)/extinction2200mBlow-off4144extinction0010203040506070Vg/(cmsl)图4常压2 1%氧浓度环境中两种厚度
24、平板火焰传播速度随气流速度的变化Fig.4Experimental spread rate vs.flow velocityfor two different fuel thicknesses at about21%oxygen level and 1 atm性2 6 ;比较微重力和常重力下的火焰传播实验数据,并基于传热控制理论,得到了热薄材料向热厚材料转变的临界厚度判据2 7 ;实验测定了逆向火焰传播的极限气流速度,小于此速度火焰将不能稳定传播,并通过二维模型的简化分析认识了影响极限气流速度的主要因素2 8;通过数值模拟发现,当逆向火焰从厚边界层传播到薄边界层中时,火焰的尺寸、温度和传播速度
25、均有所增大2 9;实验发现,低速流动条件下较窄材料样品表面的同向火焰能够获得一个稳定的长度,薄材料火焰的熄灭具有三维特性,辐射热损失是火焰熄灭的主导机制2 5柱状和球形材料的燃烧实验主要关注火焰熄灭极限以及近极限火焰基本特性,并与平板材料相比较,从更基础的角度认识材料燃烧机理。图5显示了气流速度和材料内部加热对球形聚甲基丙烯酸甲酯(Po l y me t h y l me t h a c r y l a t e,PM M A)火焰发展的影响3 0 。在流场驻点附近,柱状和球形材料火焰的熄灭极限受流场拉伸率和材料加热程度共同影响,加热时间越长火焰越难熄灭,当拉伸率达到临界值时,滞止区内的火焰首先
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