載人航天器壓力應急環境著火危險性試驗研究

畢建智，趙 維，趙建衛，牛 強，葉志萍

（中國航天員科研訓練中心，北京 100193）

0 引言

當載人航天器進入壓力應急工況且艙內壓力小于54 kPa時，有大量的氧氣排放到座艙內，使艙內的氧濃度（體積比）急劇增加。在對載人航天器進行壓力應急地面模擬試驗時，地面模擬試驗艙也存在著類似的危險試驗環境。1967年1月27日美國發生了3名航天員在地面純氧環境下慘死的“阿波羅事件”，4天后美國空軍基地的2名航空兵在富氧的空間模擬艙中喪生[1]，這種悲劇性事例還有很多。對這種艙內低壓力、高濃度氧狀況的著火危險性如何評價，是關系到載人航天器和地面模擬試驗艙安全性的重要問題。雖然國內有火災國家重點試驗室及火災研究所，且建筑材料等著火試驗方法也已形成國家標準[2-3]，但未見低壓高濃度氧環境下著火試驗的研究報道。美國飛船最初采用1/3大氣壓純氧的壓力制度，但其試驗條件與載人航天器壓力應急環境有較大的不同，因此要針對壓力應急環境的壓力和氧濃度進行試驗研究。

1 物質燃燒原理及規律

1.1 燃燒三要素[4]

燃燒是可燃物（即燃料）快速氧化，伴有火焰、發光（或）發煙現象的放熱反應。燃燒的先決條件是必須有燃料和氧化劑，并達到一定的溫度。因此燃料、氧化劑和熱（點火源）是燃燒的三要素。

在防火安全中，燃料的性質和燃料的溫度特性很重要，而燃料與氧化劑的反應能力更重要。燃點（或著火點）是燃料開始持續燃燒的最低溫度，是材料燃燒特性中的一個非常重要的指標。燃燒時要有足夠的氧化劑，氧氣為最常見的氧化劑。點火源有多種，明火、火花（靜電）、電弧、絕熱壓縮產生的熱量聚集、設備故障和摩擦生熱等都可能成為點火源。

1.2 低壓環境相關燃燒試驗

美國宇航醫學研究所進行了33.4 kPa純氧環境條件下材料的可燃性和燃燒性研究[5]，獲得了材料的點火能量及燃燒速度試驗數據，并與該材料在常壓下的對應數據進行了比較。試驗結果表明，很多在常壓條件下不燃燒的材料在該環境條件下燃燒速度很快，甚至比常壓下快1～3個數量級。點火能量和常壓下差別不大，大部分材料點火能量有所降低，個別還有所升高。在1/3大氣壓純氧的壓力環境下，如果航天器發生火災，當艙內壓力降到6.67 kPa時，火會因缺氧而熄滅。同時認為火災發生后載人航天器內的壓力不會驟然升高。

為了進行該環境條件下發生火災時的防護研究，美國進行了老鼠和死豬的燃燒試驗[6]，證明航天服材料能對人體進行有效的保護。通用電器公司還進行了該環境條件下航天器電纜的燃燒試驗，以觀察電纜的燃燒性質。

馬歇爾中心進行了不同壓力（低于1個大氣壓下）純氧條件下多種非金屬材料燃燒試驗[7]，這些非金屬材料在常壓下都不燃燒，但在不同壓力的純氧條件下都變成了可燃物。圖1為丁基橡膠（butyl rubber）、天然橡膠（natural rubber）和海帕倫（hypalon）3種材料在純氧條件下壓力與燃燒速度曲線。

圖 1 材料在純氧條件下壓力與燃燒速度曲線Fig.1 Burning rate of materials in pure oxygen environment under various pressures

由該圖可看出壓力越高，材料的燃燒速度越快。

1.3 氧濃度和壓力對燃燒的影響

載人航天器和地面模擬試驗艙內的可燃物絕大多數為固體，對于固體燃料的燃燒，通過資料[4-7]

可總結出以下規律。

1.3.1 氧濃度和壓力對燃燒速度的影響

1）壓力相同、氧濃度增加，燃燒速度加快；

2）氧濃度相同、壓力增加，燃燒速度加快。

1.3.2 氧濃度和壓力對最小點火能量的影響

1）壓力相同、氧濃度增加，最小點火能量減小；

2）氧濃度相同、壓力增加，最小點火能量減小。

例如在1個大氣壓純氧條件下，點燃普通服裝材料所需的能量降低了1 000倍，丙烷的最小點火能量降低了250倍。

1.3.3 溫度對最小點火能量的影響溫度升高，最小點火能量減小。

2 著火試驗裝置

著火試驗裝置由艙體、真空系統、點火及燃燒速度測量系統、溫度和氧濃度測量記錄系統、監視系統、供配氣系統、安全系統等組成。

2.1 艙體

艙體直徑為500 mm，壁厚為5 mm，直段長度為1 000 mm，兩端標準橢圓封頭，容積為241.2 L。為便于觀察記錄燃燒速度，艙體有3個觀察窗；為了方便物品安裝到艙內或取出艙外，艙體設1個艙門；容器上有多個盲板及抽氣口等。

2.2 真空系統

真空系統由旋片泵、無油泵、真空閥門和真空表等組成。旋片泵可在0.5 h內將試驗艙內的壓力抽到40 Pa以下。旋片泵為有油泵，不能抽純氧，只能用來將容器抽真空。當艙內氧濃度較高且壓力高于所需要的壓力時，可用無油泵抽氣。

2.3 點火及燃燒速度測量系統

采用加熱盤作為點火源，加熱盤接通220 V電壓，使其升溫從而使加熱盤上的試驗材料受熱并點燃。點火及燃燒速度測量系統見圖2。

圖 2 點火及燃燒測量系統示意圖Fig.2 Ignition and burning measuring system

2.4 溫度和氧濃度測量記錄系統

測量記錄系統記錄容器內氣溫，測量容器內壓力和容器內氧濃度。

2.5 監視系統

監視系統用來觀測和記錄燃燒情況，由一套攝像機和錄像機組成。

2.6 供配氣系統

為創造壓力應急條件下的壓力和氧濃度環境，將高壓氣瓶中的氧氣和氮氣經減壓后按所需要的量送入試驗容器進行混合。

2.7 安全系統

為保證試驗的安全，采用電接點真空表控制電磁閥的開啟。當艙內壓力達到安全設定值時，電磁閥自動開啟以保證試驗的安全。

3 試驗條件和試驗結果

3.1 試驗使用材料

載人航天器及地面模擬試驗艙中的可燃物很多，無法全部用來進行燃燒試驗。丁腈材料密封橡膠條是載人航天器及地面模擬試驗艙中使用較多的一種材料，因此試驗選用丁腈材料密封橡膠條。

3.2 試驗的壓力和氧濃度

根據載人航天器壓力應急工況，選取以下壓力和氧濃度環境進行燃燒試驗。

1）氧濃度62.2%，壓力20.0 kPa；

2）純氧（氧濃度大于95%），壓力10.0 kPa，7.8 kPa，5.0 kPa，3.0 kPa，2.0 kPa，1.0 kPa；

3）常壓下的燃燒試驗：壓力應急條件下的試驗首先應進行常壓下的試驗，試驗除壓力和氧濃度不同以外，其他條件要一致，以便進行對照。

3.3 試驗結果

試驗結果見表1。

表 1 材料燃燒試驗記錄表Table 1 Material burning test record sheet

由表1可以看出：在載人航天器壓力應急過程中，雖然壓力降低，但艙內的氧濃度急劇增加。在氧濃度為62.2%，壓力為20 kPa時，密封條的燃燒速度為常壓空氣中燃燒速度的17倍，并且為爆燃。在這種環境下如果發生火災，將很難控制。隨著壓力的進一步下降，雖然氧濃度增加了，但燃燒速度卻下降了。在壓力為5.0 kPa的純氧環境下，雖然燃燒速度仍然較快，但因為艙內氧氣量有限，燃燒會因缺氧而熄滅；在壓力小于2.0 kPa的純氧環境下，很難點燃。

從點火時間看，點火能量和常壓下差別不大，大部分材料點火能量有所升高，只有個別有所降低。燃燒后艙內的壓力有所升高，但沒有驟然升高。

4 結論及建議

載人航天器艙內一旦著火，便是災難性事件[8]。在載人航天器進入壓力應急工況時，座艙內的氧濃度不斷升高，如果發生火災，其燃燒速度很快，而且易發生爆燃，很難控制。雖然發生壓力應急工況是小概率事件，而同時發生火災的概率更小，盡管如此，我們仍需要對壓力應急工況下發生火災的各種可能因素進行認真的分析，采取恰當的火災防范措施，如提高電纜、服裝等材料的阻燃性能，特別要避免產生火花（靜電）、電弧等，以確保航天器及乘員的安全。

根據試驗研究的結果，建議載人航天器壓力應急工況可適當加快向艙外排氧的速度，最終平衡壓力小于5.0 kPa為最佳。因為壓力在5.0 kPa以下時，容器中氧的含量很少，即使發生火災最后也會因缺氧而熄滅；壓力在2.0 kPa以下時的純氧環境，密封橡膠條無法點燃。因此，純氧狀態下壓力小于5.0 kPa是安全的。

（References）

[1]Galasyn V D.A survey of fire-prevention problems in closed oxygen-containing environments.AD 675817[R].Bureau of medicine and surgery, Navy Department,1968-05-20

[2]GB 14523－93 建筑材料著火性試驗方法[S].1993-06-19

[3]GB/T 5464－1999 建筑材料不燃性試驗方法[S].1999-05-31

[4]靳志琪, 朱仁蓋, 崔明政.火災[M].北京： 國防工業出版社, 1984

[5]Ellinson H V.The effect of 100% oxygen at reduced pressure on the ignitibility and combustibility of materials.AF 41(609)-2478, 1965

[6]Denison D, Ernsting J, Cresswell A W.The fire risk to man of oxgen rich gas environments[R].Flying personnel research committee.N67 10471, 1965-07

[7]Key C F, Austin J G, Bran J W.Flammability of materials in gaseous oxgen environments[R].NASA TM X-64783, 1973

[8]沈學夫, 趙成堅.載人航天器座艙著火可能性及滅火方案[J].中國航天, 2002(8)： 26

Shen Xuefu, Zhao Chengjian.Issues in fire safety and assurance factors for manned spacecraft[J].Aerospace China, 2002(8)： 26