微重強(qiáng)迫對流環(huán)境下高溫導(dǎo)線燃燒特性及煙顆粒特征.pdf

1、太空艙中導(dǎo)線密布，有的直接暴露在艙室中，有的隱藏在各種儀器內(nèi)部。這些導(dǎo)線一旦出現(xiàn)短路情況，導(dǎo)線絕緣皮就可能著火。在過去，太空艙中已經(jīng)發(fā)生過多起由導(dǎo)線著火引發(fā)的火災(zāi)。不同于地面火災(zāi)，在太空中發(fā)生的導(dǎo)線火災(zāi)有其自身的特點。首先，與地面上常用的PVC、PE等材料不同，太空中的導(dǎo)線絕緣皮主要使用含氟聚合物，例如特氟龍等，這些材料在200℃以下基本不能燃燒;其次，由于太空中沒有重力，太空中的火災(zāi)沒有浮力羽流。再次，太空艙中存在強(qiáng)迫通風(fēng)，其流速大約

2、為0.2-0.3m/s，暴露在艙室中的導(dǎo)線燃燒時會受到影響。
　　環(huán)境的不同使得太空艙中的燃燒行為與產(chǎn)煙特征都與地面有所不同，而現(xiàn)在太空飛船上主要安裝的感煙火災(zāi)探測器大都是基于地面環(huán)境研制的，在以往的使用過程中誤報、漏報問題較為突出。為了保證航天員及太空飛船的安全，使其免于火災(zāi)，有必要對太空艙環(huán)境產(chǎn)生的煙顆粒進(jìn)行研究，從而為改進(jìn)太空艙感煙探測器，進(jìn)而保證航天器的安全，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。在此背景下，本文采用實驗與模擬相結(jié)合的方法，實

3、驗采集典型太空艙環(huán)境下產(chǎn)生的煙顆粒，然后對其進(jìn)行光散射模擬分析。
　　首先自行研制強(qiáng)迫對流環(huán)境下高溫導(dǎo)線燃燒與產(chǎn)、采煙實驗平臺，并借助北京微重力實驗室的落塔提供微重力環(huán)境，從而模擬典型的太空艙環(huán)境進(jìn)行實驗。在此過程中，本文特別關(guān)注重力水平與環(huán)境氣體流速對導(dǎo)線燃燒過程造成的影響，因為燃燒過程的變化會直接影響產(chǎn)生的煙顆粒的形譜特征。對高溫導(dǎo)線的破裂時間、著火時間、燃燒時間、火焰高度、火焰溫度與亮度、碳黑體積分?jǐn)?shù)等特征量隨重力與空氣流速

4、的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。實驗結(jié)果表明除導(dǎo)線破裂時間和燃燒時間主要與內(nèi)部導(dǎo)體溫度和絕緣皮材料性質(zhì)相關(guān)，受重力與空氣流速的影響較小外，其它參量均不同程度的受到重力與空氣流速的影響。
　　然后，對采集到的煙顆粒樣本進(jìn)行電鏡與能譜分析，從主粒子粒徑、凝團(tuán)回轉(zhuǎn)半徑、分形特征、化學(xué)成分等多個角度研究環(huán)境對煙顆粒造成的影響，并借助燃燒學(xué)與氣溶膠動力學(xué)的相關(guān)理論對煙顆粒形譜隨環(huán)境的變化規(guī)律給以合理的解釋。結(jié)果表明，無強(qiáng)迫對流時，微重下的煙顆粒相較常

5、重環(huán)境主粒子粒徑與回轉(zhuǎn)半徑都有明顯的增大;重力水平對大部分煙顆粒的分形維數(shù)沒有影響，在微重條件下，煙顆粒的分形維數(shù)保持1.79不變，但前置因子明顯降低。值得注意的是，在微重靜止環(huán)境中導(dǎo)線會產(chǎn)生另一種分形維數(shù)達(dá)到2.6的較大顆粒。另外，煙顆粒的主粒子粒徑與回轉(zhuǎn)半徑隨空氣流速的升高而減小，當(dāng)空氣流速達(dá)到0.3m/s時，回轉(zhuǎn)半徑與常重?zé)o風(fēng)情況下的幾乎相等，而主粒子粒徑甚至?xí)∮诔Ｖ責(zé)o風(fēng)情況下的主粒子粒徑;分形維數(shù)受空氣流速的影響會比靜止時小，

6、同時前置因子會升高并大于常重靜止環(huán)境下的對應(yīng)量。
　　最后，基于獲得的具有代表性的煙顆粒樣本，利用光散射模型對典型太空艙環(huán)境下產(chǎn)生的煙顆粒的光散射特征進(jìn)行模擬，分析典型太空艙環(huán)境下產(chǎn)生的煙顆粒的光散射特性與地面普通環(huán)境產(chǎn)生的煙顆粒的區(qū)別。結(jié)果顯示在前向散射區(qū)某些位置，微重靜止環(huán)境下的煙顆粒散射光強(qiáng)度可較常重環(huán)境增長300％以上，但隨著空氣流速的增加，散射光強(qiáng)逐漸減弱。另外F33/F11與F34/F11在不同散射角度區(qū)間內(nèi)也有明顯變