微重力燃烧特点及空间站火灾预警技术分析

任小孟，徐新宏，方晶晶，江 璐，巴剑波

(海军医学研究所，上海 200433)

空间站是一个独立的密闭空间，结构复杂、设备繁多，一旦发生火灾，将对空间站和宇航员安全造成巨大危害。1966年，阿波罗一号火灾导致3名宇航员丧生；1986年，挑战者号航天飞机发射由于火灾发生爆炸，导致7名宇航员丧生。据NASA公布的数据，其在1981年至1994年进行的50次飞行中，就发生了5次火灾相关事故[1]。由此可见，火灾防控对空间站安全至关重要。但是微重力条件导致火焰性状、可燃烧性、燃烧产物等一系列燃烧特征发生变化，常规火灾检测手段在空间站的有效性值得商榷。本文对微重力条件下的燃烧特点和现有火灾检测技术的空间站适用性进行了初步分析。

1 微重力燃烧特点及影响因素

空间站处于微重力环境，与正常重力环境相比，燃烧呈现出一些不同的特点，在火焰外观、可燃性、可检测性等方面具有一定变化。研究表明，燃烧性质的变化主要受重力场、压力、空气流速三方面影响[2-3]。

表1 微重力条件下燃烧性质的变化对比

1.1 重力场

重力场对液态和气态可燃物的聚集、点燃、火焰传播和火焰熄灭过程均会起作用，其中，重力场导致燃烧持续性降低的现象最为明显。分析认为，在微重力和无对流情况下，燃烧的蔓延主要靠自然扩散作用，因此火焰一般为球形，燃烧产物会聚集在燃烧区，导致燃烧强度逐渐减弱甚至熄灭。而在有重力场情况下，表面溢出效应会导致可燃性液体和水蒸气向表面移动，并且与周围空气混合，这会导致空气产生微对流，从而起到补充氧气的作用。Spalding[4]通过常规重力条件下的实验得到经验公式

(1)

式中，m-表面蒸发速率，d-球体直径，c-比热，k-热导率，B-转移次数，g-加速度，α-热扩散率。

由公式可以看出，在其他条件相同的情况下，g的降低会导致m降低，即重力降低，反应速率下降。另外，Van Dolah等的研究发现微重力环境还会引起气体可燃浓度的变化，例如氢气的可燃浓度由4%～75%压缩为6.5%～71%，氨气的可燃浓度由17%～26.5%压缩为18%～25.5%，这也在一定程度上降低了物质的可燃性。

1.2 压力

由于空间站内压力是通过设备进行控制的，与地面大气压可能存在差异，这也是影响燃烧的重要因素。一般来说，压力会影响反应速率，因而会对火焰范围、燃烧速度和自燃趋势等产生影响。以典型的氢氧燃烧反应为例，当H2和O2距离足够近并且反应能足够高时，二者会产生反应，生成OH自由基，并产生一系列链式反应导致燃烧发生。当压力增大时，H2和O2的距离变的更近，反应所需的能量随之降低，燃烧反应更易引发，因此，压力增大会扩展燃烧的范围，并且降低大多数物体自燃的温度。而舱内压力降低会增大电器的接触电弧，产生的高热会导致塑料绝缘快速失效，从而产生火灾。理论上讲，压力的变化对燃烧的影响相对较小，但也是不可忽视的。

H2+O2→2OH·

(2)

OH·+H2→H2O+H·

(3)

H·+O2→HO2·

(4)

O·+H2→OH·+H·

(5)

H·+O2→OH·+O·

(6)

1.3 空气流动

空气的流动性会对促进燃烧，这一点对空间站的燃烧尤为重要。试验发现，即使在微重力的条件下，低速的空气流动(超过0.2m/s)即会使燃烧明显增强，甚至会超过常规重力条件下的燃烧程度[5]。这是由于空气的流动会带走由于微重力导致在火焰表面聚集的燃烧产物，并带来氧气，有时一些燃烧的塑料还会产生沸腾或蒸汽喷溅而导致持续燃烧。而59.9mm和25.4mm长的PMMA热厚燃料在50%O2-50%N2、70%O2-30%N2甚至纯氧的静止环境中，持续燃烧数分钟即自熄[6]。同时，我们也发现，在空气流动条件下，点燃混合物比静止条件更为困难，这是由于空气流动会不断带走热量的原因造成的。

2 空间站火灾预警技术

考虑到空间站火灾的高发性，世界各国的航天器中均装备了火灾预警系统，根据预警原理的不同，主要分为能量型和烟雾型两种类型，气体型装备正处于试验阶段。

图1 空间站在用火灾预警技术

2.1 能量型探测器

能量探测器主要包括紫外型、红外型和温度型三种类型，目前一般作为辅助探测手段。

紫外型探测器的原理为通过检测火焰中发出的紫外辐射，使之通过紫外线玻璃撞击阴极，使阴极释放电子并被阳极捕获，可通过产生的电流来探测火情。1974年，Skylab安装了可检测270mm以下波长光的紫外火灾探测器，这是第一款专门用于航天器火灾检测的仪器。红外型探测器主要监测波长为0.7～5μm的红外辐射，通过光电监测管监测火焰的闪烁情况，从而预测火灾[7]。实践表明，基于光监测的技术对常规火灾中期出现明火的情况较为灵敏，但在微重力且低空气对流环境下，火焰大多处于阴燃或闷燃状态，一般扩散很慢且不可见(见表1)，因此很难做到早期预警。而且，周围环境的灯光、设备指示灯的闪烁和宇宙射线等因素也会对火焰探测器产生干扰，导致虚警率较高。据报道，我国神舟七号飞船进行首次太空出舱作业过程中就发生了能量火灾探测器误报警的情况，影响了出舱的进程。

温度型探测器主要是指热敏电阻式温度测量装置，它们通过监测失火或燃烧过程中产生的热量来预警火灾。但这一技术在空间站应用存在两方面问题，一是温度型探测器需与热源直接接触或距离较近，才能检测到较为准确的信号，因此其检测范围有限，只能用在较小的舱室或大舱室的部分高火灾风险点位；二是报警阈值难以准确设置，一般设定检测温度高于室温100～200℃时触发警报，但由于偶发的高温气体泄漏、宇宙射线照射等因素，会干扰仪器检测，导致出现虚警情况，因此温度型探测器的应用具有较明显的局限性。

2.2 烟雾型探测器

图2 电离式烟雾探测器工作原理

烟雾型探测器是目前应用最为广泛也最为成熟的空间站火灾预警技术，主要分为光电式和电离式两种类型。光电式烟雾探测器通过探测烟雾导致的光线变化来预测火灾，包括探测烟雾颗粒造成光衰减的模糊探测器、探测烟雾颗粒造成光线散射的光散射探测器以及探测水蒸气凝聚在微粒上形成核的凝聚核计数器等。电离式烟雾探测器的工作原理是利用放射源电离带电极小室内的大气分子，产生正负离子，电极上所加的电压使离子加速向两极移动，并产生一束小电流，如果火灾产生烟雾，这些烟雾微粒会附着在带电离子上，增加离子质量，降低离子运动速度，电离源产生的电流随即被切断，当电流衰减至一定程度时，探测器即开始报警，见图2。

1993年，NASA首次在航天飞机中使用了红外光电散射烟雾探测器，目前在用航天器中主要配备的基本都是烟雾型探测器(表2)[8]。在实际使用中发现，烟雾型探测器要发挥探测功能，必须要有足够的烟雾进入探测器腔室。由于受到微重力的影响，燃烧产生的烟量较少，烟雾颗粒尺寸也会发生变化，加之烟的扩散受舱内通风气流的影响明显，易于造成报警不及时。据NASA报道，美国航天飞机中虽然装备了9个电离型烟雾探测器，但其在5次火灾中均未进行预警。由此可见，烟雾型探测器虽然是目前应用较多的火灾探测仪器，但其缺点也是较为明显的，亟需应用新技术加以替代。

表2 国外载人航天器装备火灾探测器情况表

2.3 气体型探测器

除了能量和烟雾，气体是燃烧产生的主要产物。本课题组研究了美塔斯布、热缩套管等4种空间站用非金属材料的高温热释放气体，发现CO2、CO等特征气体的浓度与燃烧阶段存在重要联系。随着受热温度的不断升高，特征气体浓度明显增加，并在一定温度下出现增长拐点，因此可以通过检测阴燃或燃烧产生的特征气体，来实现火灾的早期预测，见图3。

图3 4种非金属材料高温释放气体特性曲线

从2006年开始，约翰逊空间中心以及加州喷气推进实验室资助美国RICE大学，研发了基于光声光谱技术的火灾早期预警装置(图4)，可实现对CO、HCN、HCl和CO2四种气体的检测，检测下限均低于1ppm，该仪器未来将在空间站中进行试用。我国目前在航天领域，还未应用气体检测预测火灾相关技术，但在部分煤矿、化工厂等场所，已有通过检测甲烷、CO等可燃性气体的聚集浓度来预测火灾的装置。

与其他技术相比，以气体为原理的火灾预警技术，具有独特的优势。一是虚警率低，气体检测具有很高的专一性，针对特定气体组分的检测不易受其他因素干扰，因此虚警率较低。二是预警迅速，能量和烟雾大多出现于火灾中后期，而特征气体在火灾早期即已出现，且气体扩散速度高于烟雾等其他物质，因此可以实现早期预警。三是布设简便，气体检测装置结构相对简单，一方面可通过模块化设计提高设备可靠性和可维修性，另一方面可通过多探头共气室设计实现多点监测。

图4 基于光声光谱技术的火灾早期预警装置

除上述分析的火灾探测技术，基于水蒸气、压力、声波等指标的技术也有报道被用于火灾探测，但由于空间站环境的特殊性，这些技术均不适用。而能量探测技术由于抗干扰能力差、无法实现早期预警问题，主要作为辅助检测手段并逐渐被淘汰。烟雾检测技术由于受微重力和气流条件影响明显，亦存在明显不足。由此可见，气体型探测器是未来应用于空间站火灾探测的重要备选技术。

表3 光声光谱气体探测装置指标参数

3 结论

微重力条件下的燃烧由于受到重力场、压力、空气流速等因素的影响，其可点燃性和低速空气流动下的持续可燃烧性增强，火焰的可见度降低，热辐射减弱，产生烟雾的性状受空气流动条件影响明显，造成能量、烟雾等常规火灾预警手段预警不及时、虚警率高。基于特征气体检测的火灾预警技术，具有虚警率低、预警迅速、布设简便等独特优势，可应用于未来空间站火灾早期预警。