|||
九天揽月须防火 -- 说说航天的消防
最近神九上天,大家的关注点都是航天安全了,笔者从未研究过航天消防,但是看过几篇关于航天消防的文章,这里随便聊一聊。
说起外太空飞行的微重力火灾,这是一个非常冷门而已投入很大金钱的领域,至少有一本微重力燃烧的专著产生,背后的科研经费可以是数以亿计的。为什么要关注微重力火灾?因为硬件投资大,谁也不希望在遥远的太空来一场悲剧(到目前为止,太空尚无重大灾情,但发生过被扑灭的火灾),所以从硬件成本和投入保险来考量,有科研的必要。
微重力火灾的关键是,没有重力场,所以没有明显的羽流。平常我们的报警器都是放置在天花板,因为天花板收集羽流,所以不管哪里的火灾,都会往天花板输送烟气,于是报警位置毫无争议。太空站的微重力环境就不同了,没有羽流,烟气不往上跑,看不见,摸不着的火灾产物,是最可怕的。对此的报警手段,可以通过分析气流样本来实现,人工抽气,制造气流汇集装置,时刻分析空气中的气体和粒子浓度,是火检的常见选择。
微重力火灾的另一大困境是,经常是纯氧的环境,火焰温度高。平常我们的燃烧都是在空气中进行,氮气不参与放热反应,却吸热,有很大的惰性贡献,所以燃烧速度还是被惰性化并降低的结果。如果没有氮气,纯氧的环境中,火焰的温度极高,燃烧反应快,问题就来了。1969 年阿波罗一号在起飞前的常规测试中,发生火灾,仅17秒钟,大火就瘫痪了指令舱,造成三名宇航员丧生。
对付纯氧环境异常火灾风险的办法,是减压处理。自从阿波罗1号火灾之后,美国要求在起飞的阶段的指令舱是使用60%的氧气和40%的氮气,并减压运行,气压只有正常的1/3,这样高浓度氧气的分压力,相当于大气中氧气浓度为21%的分压力,风险就降低了。起飞过程中,宇航员在全套密封的宇航服内呼吸的是纯氧,防止减压病(又叫潜水病,就是血液中的氮气在减压时往外冒的问题,轻则昏迷致残,重就是悲剧了)。等指令舱进入外太空(真空环境)之后,开始用纯氧替换指令舱的混合气体,并升压。大概是起飞过程最危险,如果飞船进入轨道,所有的点火源都可以控制了,就可以放心使用纯氧环境了。1968年,苏联宇航员在地面模拟中发生纯氧环境的重大火灾事故,被高度保密,所以美国宇航员重复了这一灾难。现在这已经是基本常识了,大概不会有相同的事故产生了。国内消防领域的相同事故比比皆是,而航天领域的事故却从来没有重复,奇怪么?
关于太空站的灭火器的选择,据我看到的文献,是以二氧化碳为主,也在测试使用细水雾的可能性,但其他选择都不合适。最大的问题是,太空中没有重力场,也就没有上下的观念,较少羽流带来的混合,所以灭火剂与环境气体的混合不如地面混合那么方便,如果发生不均匀混合,就有可能灭不了火。为什么不用氮气呢?为了维持内部的高压,氮气瓶太厚了(太重了),所以上天的成本太高,另外氮气对于宇航员的呼吸不利。 那为什么不洒水呢?电子设备怕水。
那么,航天产品有什么要求呢?尽可能地阻燃,把衡量可燃性的LOI(维持燃烧的最低氧量指数,越大越安全)尽可能提高。 没有绝对值,因为燃料就是燃料,在合适的条件下,还是会放出能量的。比如你用火柴点不着煤炭,并不能代表煤炭不能燃烧,只不过点燃的条件没有满足而已。所以,太空用品的阻燃性,是相对的,并不是绝对不可燃,所以危险依然存在。没有绝对的阻燃,尤其在纯氧的环境中,钢铁也能当柴烧,这是反应温度带来的效果。
那么,为什么太空灭火不用打开舱门,直接排放氧气的方法来灭火呢?不错,没有空气的真空,任何火灾都是无法维持的。不过,这是不到万不得已不使用的最后防线,有可能让宇航员再也回不了地球,所以尽可能不动用这一绝招。
Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )
GMT+8, 2024-8-17 11:00
Powered by ScienceNet.cn
Copyright © 2007- 中国科学报社