毕建智，赵 维，赵建卫，牛 强，叶志萍

（中国航天员科研训练中心，北京 100193）

0 引言

当载人航天器进入压力应急工况且舱内压力小于54 kPa时，有大量的氧气排放到座舱内，使舱内的氧浓度（体积比）急剧增加。在对载人航天器进行压力应急地面模拟试验时，地面模拟试验舱也存在着类似的危险试验环境。1967年1月27日美国发生了3名航天员在地面纯氧环境下惨死的“阿波罗事件”，4天后美国空军基地的2名航空兵在富氧的空间模拟舱中丧生[1]，这种悲剧性事例还有很多。对这种舱内低压力、高浓度氧状况的着火危险性如何评价，是关系到载人航天器和地面模拟试验舱安全性的重要问题。虽然国内有火灾国家重点试验室及火灾研究所，且建筑材料等着火试验方法也已形成国家标准[2-3]，但未见低压高浓度氧环境下着火试验的研究报道。美国飞船最初采用1/3大气压纯氧的压力制度，但其试验条件与载人航天器压力应急环境有较大的不同，因此要针对压力应急环境的压力和氧浓度进行试验研究。

1 物质燃烧原理及规律

1.1 燃烧三要素[4]

燃烧是可燃物（即燃料）快速氧化，伴有火焰、发光（或）发烟现象的放热反应。燃烧的先决条件是必须有燃料和氧化剂，并达到一定的温度。因此燃料、氧化剂和热（点火源）是燃烧的三要素。

在防火安全中，燃料的性质和燃料的温度特性很重要，而燃料与氧化剂的反应能力更重要。燃点（或着火点）是燃料开始持续燃烧的最低温度，是材料燃烧特性中的一个非常重要的指标。燃烧时要有足够的氧化剂，氧气为最常见的氧化剂。点火源有多种，明火、火花（静电）、电弧、绝热压缩产生的热量聚集、设备故障和摩擦生热等都可能成为点火源。

1.2 低压环境相关燃烧试验

美国宇航医学研究所进行了33.4 kPa纯氧环境条件下材料的可燃性和燃烧性研究[5]，获得了材料的点火能量及燃烧速度试验数据，并与该材料在常压下的对应数据进行了比较。试验结果表明，很多在常压条件下不燃烧的材料在该环境条件下燃烧速度很快，甚至比常压下快1～3个数量级。点火能量和常压下差别不大，大部分材料点火能量有所降低，个别还有所升高。在1/3大气压纯氧的压力环境下，如果航天器发生火灾，当舱内压力降到6.67 kPa时，火会因缺氧而熄灭。同时认为火灾发生后载人航天器内的压力不会骤然升高。

为了进行该环境条件下发生火灾时的防护研究，美国进行了老鼠和死猪的燃烧试验[6]，证明航天服材料能对人体进行有效的保护。通用电器公司还进行了该环境条件下航天器电缆的燃烧试验，以观察电缆的燃烧性质。

马歇尔中心进行了不同压力（低于1个大气压下）纯氧条件下多种非金属材料燃烧试验[7]，这些非金属材料在常压下都不燃烧，但在不同压力的纯氧条件下都变成了可燃物。图1为丁基橡胶（butyl rubber）、天然橡胶（natural rubber）和海帕伦（hypalon）3种材料在纯氧条件下压力与燃烧速度曲线。

图 1 材料在纯氧条件下压力与燃烧速度曲线Fig.1 Burning rate of materials in pure oxygen environment under various pressures

由该图可看出压力越高，材料的燃烧速度越快。

1.3 氧浓度和压力对燃烧的影响

载人航天器和地面模拟试验舱内的可燃物绝大多数为固体，对于固体燃料的燃烧，通过资料[4-7]

可总结出以下规律。

1.3.1 氧浓度和压力对燃烧速度的影响

1）压力相同、氧浓度增加，燃烧速度加快；

2）氧浓度相同、压力增加，燃烧速度加快。

1.3.2 氧浓度和压力对最小点火能量的影响

1）压力相同、氧浓度增加，最小点火能量减小；

2）氧浓度相同、压力增加，最小点火能量减小。

例如在1个大气压纯氧条件下，点燃普通服装材料所需的能量降低了1 000倍，丙烷的最小点火能量降低了250倍。

1.3.3 温度对最小点火能量的影响温度升高，最小点火能量减小。

2 着火试验装置

着火试验装置由舱体、真空系统、点火及燃烧速度测量系统、温度和氧浓度测量记录系统、监视系统、供配气系统、安全系统等组成。

2.1 舱体

舱体直径为500 mm，壁厚为5 mm，直段长度为1 000 mm，两端标准椭圆封头，容积为241.2 L。为便于观察记录燃烧速度，舱体有3个观察窗；为了方便物品安装到舱内或取出舱外，舱体设1个舱门；容器上有多个盲板及抽气口等。

2.2 真空系统

真空系统由旋片泵、无油泵、真空阀门和真空表等组成。旋片泵可在0.5 h内将试验舱内的压力抽到40 Pa以下。旋片泵为有油泵，不能抽纯氧，只能用来将容器抽真空。当舱内氧浓度较高且压力高于所需要的压力时，可用无油泵抽气。

2.3 点火及燃烧速度测量系统

采用加热盘作为点火源，加热盘接通220 V电压，使其升温从而使加热盘上的试验材料受热并点燃。点火及燃烧速度测量系统见图2。

图 2 点火及燃烧测量系统示意图Fig.2 Ignition and burning measuring system

2.4 温度和氧浓度测量记录系统

测量记录系统记录容器内气温，测量容器内压力和容器内氧浓度。

2.5 监视系统

监视系统用来观测和记录燃烧情况，由一套摄像机和录像机组成。

2.6 供配气系统

为创造压力应急条件下的压力和氧浓度环境，将高压气瓶中的氧气和氮气经减压后按所需要的量送入试验容器进行混合。

2.7 安全系统

为保证试验的安全，采用电接点真空表控制电磁阀的开启。当舱内压力达到安全设定值时，电磁阀自动开启以保证试验的安全。

3 试验条件和试验结果

3.1 试验使用材料

载人航天器及地面模拟试验舱中的可燃物很多，无法全部用来进行燃烧试验。丁腈材料密封橡胶条是载人航天器及地面模拟试验舱中使用较多的一种材料，因此试验选用丁腈材料密封橡胶条。

3.2 试验的压力和氧浓度

根据载人航天器压力应急工况，选取以下压力和氧浓度环境进行燃烧试验。

1）氧浓度62.2%，压力20.0 kPa；

2）纯氧（氧浓度大于95%），压力10.0 kPa，7.8 kPa，5.0 kPa，3.0 kPa，2.0 kPa，1.0 kPa；

3）常压下的燃烧试验：压力应急条件下的试验首先应进行常压下的试验，试验除压力和氧浓度不同以外，其他条件要一致，以便进行对照。

3.3 试验结果

试验结果见表1。

表 1 材料燃烧试验记录表Table 1 Material burning test record sheet

由表1可以看出：在载人航天器压力应急过程中，虽然压力降低，但舱内的氧浓度急剧增加。在氧浓度为62.2%，压力为20 kPa时，密封条的燃烧速度为常压空气中燃烧速度的17倍，并且为爆燃。在这种环境下如果发生火灾，将很难控制。随着压力的进一步下降，虽然氧浓度增加了，但燃烧速度却下降了。在压力为5.0 kPa的纯氧环境下，虽然燃烧速度仍然较快，但因为舱内氧气量有限，燃烧会因缺氧而熄灭；在压力小于2.0 kPa的纯氧环境下，很难点燃。

从点火时间看，点火能量和常压下差别不大，大部分材料点火能量有所升高，只有个别有所降低。燃烧后舱内的压力有所升高，但没有骤然升高。

4 结论及建议

载人航天器舱内一旦着火，便是灾难性事件[8]。在载人航天器进入压力应急工况时，座舱内的氧浓度不断升高，如果发生火灾，其燃烧速度很快，而且易发生爆燃，很难控制。虽然发生压力应急工况是小概率事件，而同时发生火灾的概率更小，尽管如此，我们仍需要对压力应急工况下发生火灾的各种可能因素进行认真的分析，采取恰当的火灾防范措施，如提高电缆、服装等材料的阻燃性能，特别要避免产生火花（静电）、电弧等，以确保航天器及乘员的安全。

根据试验研究的结果，建议载人航天器压力应急工况可适当加快向舱外排氧的速度，最终平衡压力小于5.0 kPa为最佳。因为压力在5.0 kPa以下时，容器中氧的含量很少，即使发生火灾最后也会因缺氧而熄灭；压力在2.0 kPa以下时的纯氧环境，密封橡胶条无法点燃。因此，纯氧状态下压力小于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 建筑材料着火性试验方法[S].1993-06-19

[3]GB/T 5464－1999 建筑材料不燃性试验方法[S].1999-05-31

[4]靳志琪, 朱仁盖, 崔明政.火灾[M].北京： 国防工业出版社, 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]沈学夫, 赵成坚.载人航天器座舱着火可能性及灭火方案[J].中国航天, 2002(8)： 26

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