任小孟，巴劍波?，姜 萌

(1.海軍醫(yī)學研究所，上海200433；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039)

1 引言

載人空間站空間狹小、設備密集，長時間連續(xù)運行可能因電路過熱而引發(fā)火災，對空間站及航天員安全造成極大威脅。據NASA公布的數(shù)據，其在1981年至1994年進行的50次飛行中，就發(fā)生了5次火災相關事故[1]。為及早發(fā)現(xiàn)火情，空間站中一般裝備火災預警系統(tǒng)，但由于空間站處于失重條件，環(huán)境影響因素多，傳統(tǒng)的基于能量、煙霧檢測原理的火災報警儀普遍存在虛警率高、預警滯后等問題[2-3]。

20世紀60年代，NASA提出了通過檢測特征氣體來預測空間站火災的設想，但由于當時氣體檢測技術的限制未最終實施[4]。2006年美國RICE大學在約翰遜空間中心以及加州噴氣推進實驗室資助下，研發(fā)了可檢測CO、HCN、HCl和CO2的空間站火災早期預警裝置[5]?，F(xiàn)有研究大多以模擬明火燃燒為對象，但非金屬材料火災早期高溫狀態(tài)下釋放特征氣體種類及其與火災關系不明確。我國在天宮系列實驗艙中裝備了基于光譜吸收原理的氣體檢測裝置，由于上述原因暫未作為火災預警的手段[6]。

本文測定4種空間站用典型非金屬材料高溫釋放CO2、CO、HCl和HCN氣體，分析受熱溫度、火災階段、氣體濃度之間的關系，提出火災預警策略，為空間站火災預警提供科學依據。

2 材料與設備

2.1 試驗材料

選擇美塔斯布(墻面裝飾材料)、RTV21膠(粘合劑)、阻尼材料(地板材料)、ATUM熱縮套管(線纜包覆材料)等4種空間站典型非金屬材料，分別以 a、b、c、d 代表，按照式(1)的艙容比計算得到試驗所使用非金屬材料的量分別為14 g、1 g、2 g、0.3 g。

式中，m1為每種非金屬材料在空間站的實際使用量，V1為空間站容積，m2為每種非金屬材料的試驗用量，V2為密閉試驗艙容積。

2.2 試驗設備

搭建了具有加熱和控溫功能的試驗裝置，其原理示意圖如圖1所示。利用加熱管模擬空間站受熱點，控制升溫速度約50℃/min，利用密閉實驗艙模擬空間站艙室，實現(xiàn)釋放氣體的擴散，參考模擬仿真研究結果[7]，將加熱點與檢測點距離設定為50 cm。利用美國TSI公司的9565-X型風速儀定量檢測CO和CO2，XLA-BX-HCl和XLA-BXHCN型電化學氣體分析儀分別定量檢測HCl和HCN，同時利用Bruker Optics公司的傅里葉紅外光譜儀對氣體進行定性分析和驗證。

圖1 試驗裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

3 結果與分析

3.1 材料性狀變化對比

對4種非金屬材料分別在試驗裝置中進行高溫加熱，加熱前后樣品形態(tài)對比如圖2所示。由對比圖可以看出，經過加熱，4種材料從形態(tài)上均已發(fā)生改變，美塔斯布完全碳化，RTV21膠和阻尼材料轉變?yōu)榘咨w粒狀物質，熱縮套管變?yōu)辄S色粉末。上述情況說明材料分解充分，氣體釋放過程可以較真實地反映整個受熱和燃燒過程。

圖2 材料加熱前后外觀對比圖Fig.2 Contrast of material appearance before and after heating

3.2 紅外光譜分析

選取了4種非金屬材料加熱過程中的典型紅外譜圖(圖3)，進行了對比分析。由光譜圖看出，對于美塔斯布，當加熱溫度上升至364℃時，2170 cm-1處開始出現(xiàn)吸收峰(圖中圓圈)，說明有CO釋放；當溫度上升至467℃時，3110 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，HCN開始出現(xiàn)；當溫度上升至494℃時，材料基本已碳化。對于RTV21膠，當加熱溫度為288℃時，開始有CO釋放；加熱溫度上升至398℃時，2970 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，HCl開始釋放；加熱至481℃時，RTV21膠開始燃燒。對于阻尼材料，當加熱溫度上升至約383℃時，CO開始出現(xiàn)，當加熱溫度為約520℃時，阻尼材料開始燃燒。對于熱縮套管，當加熱溫度分別約為312℃和383℃時，CO和HCN分別開始出現(xiàn)，溫度上升至625℃左右時，熱縮套管材料已完全變?yōu)榉勰?/p>

3.3 同種材料釋放不同氣體對比分析

為研究受熱溫度與釋放氣體濃度的關系，對整個加熱過程中CO、CO2、HCN等特征氣體濃度進行了定量分析，得到結果如圖4。

圖3 材料加熱過程中的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of materials during the heating process

圖4 材料高溫釋放氣體曲線圖Fig.4 Graph of released gases when materials were heated

通過對比看出，雖然由于材料成分、結構不同，不同非金屬材料高溫釋放的氣體種類、氣體濃度和釋放溫度存在差異，但4種材料溫度-氣體曲線相似的形態(tài)表明其受熱過程存在共同特征，主要可歸納為以下3點：①隨著加熱溫度的上升，所有非金屬材料釋放氣體的量均有增加；②在特征氣體釋放的初始階段，其濃度升高速率均較慢，當加熱溫度上升到一定程度，氣體濃度的增長速率均會明顯增大；③隨加熱溫度的上升，4種非金屬材料所釋放氣體的先后順序均為CO、CO2、HCN或HCl。

4種材料受熱釋放氣體與溫度的關系如表1所示。結合表中數(shù)據分析，4種材料的分解過程可劃分為以下4個階段：①溫度為約300℃以下時，材料未發(fā)生分解，無氣體釋放，此為材料穩(wěn)定段；②溫度繼續(xù)升高，材料開始發(fā)生分解，CO濃度逐步升高并出現(xiàn)明顯拐點，此為材料初始分解段；③溫度升高至約500℃以下時，HCl和HCN等氣體開始出現(xiàn)，說明材料發(fā)生了劇烈分解反應，此為材料深度分解段；④溫度為500℃以上時，材料完全碳化或燃燒，為材料燃燒段。由此可見，材料初始分解段是特征氣體開始出現(xiàn)的階段，深度分解段是特征氣體大量釋放的階段，對該兩階段即300℃～500℃氣體進行監(jiān)測是實現(xiàn)空間站早期預警的關鍵。

表1 材料受熱釋放氣體與溫度關系Table 1 Relationship between temperature and released gases /(℃)

3.4 不同材料釋放同種氣體對比分析

對4種非金屬材料受熱釋放氣體情況進行進一步分析，如圖5所示。

由圖中曲線看出，在一定溫度條件下，不同非金屬材料釋放同種氣體的差異性較大，例如對于CO2來說，熱縮套管完全碳化時釋放的濃度高于2000 ppm，而阻尼材料和RTV21膠釋放的濃度僅為約600 ppm；與此類似，熱縮套管在加熱過程中釋放的CO氣體濃度很快超過500 ppm，美塔斯布完全碳化時，釋放的CO濃度也大于500 ppm，而RTV21膠和阻尼材料直至燃燒，其釋放的CO濃度僅為200 ppm和350 ppm左右。由此可見，由于不同材料釋放氣體的差異性比較大，單純以某個氣體單個點的濃度作為預測火災的指標具有很大的不確定性，需要結合氣體濃度的變化過程進行綜合判斷。

圖5 不同非金屬材料釋放同種氣體對比Fig.5 Comparison of the same gases released from different non-metal materials

4 火災預警策略研究

4.1 特征氣體的選擇

經過以上對比分析發(fā)現(xiàn)，選擇合適的特征氣體，結合受熱溫度與氣體濃度的關系，是得到科學可靠火災預警策略的關鍵。研究表明，火災一般可分為正常期、陰燃期、發(fā)展期、燃燒期四個階段，如圖6所示[8]。其中，正常期代表材料未受熱或受熱溫度較低，不釋放氣體；陰燃期代表材料受熱溫度較高，已使材料發(fā)生了緩慢分解，已開始釋放少量氣體；發(fā)展期代表材料受熱溫度高，材料發(fā)生快速劇烈分解，出現(xiàn)大量氣體釋放；燃燒期代表已出現(xiàn)明火或材料完全碳化，氣體釋放量進一步增多，這一結論與3.3節(jié)中得到的試驗結果相一致。

圖6 火災階段示意圖Fig.6 Schematic diagram of fire phases

非金屬受熱釋放的氣體種類很多，用來預測火災的特征氣體必須滿足特征性強、濃度變化規(guī)律性強、與火災過程匹配度高等一系列特點，以降低誤報率。經過分析發(fā)現(xiàn)，CO氣體滿足上述要求，是空間站火災預測的理想特征氣體，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下4個方面：

1)CO來源較為單一，特征性強。實驗結果顯示CO2與CO均具有較強的火災特征，但是在空間站這種環(huán)境中，CO2受人員呼吸影響很大，會造成誤報率增加，HCl、HCN等氣體并非所有火災均會產生，而高濃度的CO僅可能來自非金屬材料受熱或燃燒，火災特征性十分明顯，選擇CO作為預測火災特征氣體可有效降低誤報。

2)CO出現(xiàn)早，滿足火災早期預測需求。HCl、HCN等氣體只有在材料受熱溫度較高的情況下才會出現(xiàn)，此時材料熱分解速度已急劇升高，若以該類氣體作為預測火災的特征氣體，則會大大縮短人員發(fā)現(xiàn)并控制火災的時間，降低抑制早期火災的幾率。相比于其他氣體，CO在材料受熱早期約300℃即普遍有釋放，選擇CO作為特征氣體可在火災早期階段即可發(fā)現(xiàn)火災隱患，增加人員識別和處理火情的時間，實現(xiàn)火災早期預警。

3)CO變化規(guī)律性強，與火災過程匹配度好。CO在火災的整個過程中始終持續(xù)產生，且濃度隨火災進程的推進而不斷升高，按照四階段劃分，CO濃度變化的規(guī)律性較強，可實現(xiàn)濃度變化與火災階段的較好匹配。

4)CO濃度相對較高。研究數(shù)據表明，材料受熱所釋放的CO濃度基本都在數(shù)百ppm數(shù)量級，相比于HCN、HCl等低濃度氣體，對檢測技術的要求明顯降低，適用于空間站這種維修保養(yǎng)困難的場合使用。

綜合以上原因，選擇CO作為預測早期火災的主要特征氣體，HCl、HCN為輔助特征氣體是較為合理的方案。

4.2 火災預警策略的制定

火災預警策略的制定要結合特征氣體種類和濃度、氣體與燃燒過程關系多方面因素，特別是特征氣體濃度增長速率是指示火災階段的重要指標。選取4種材料受熱過程的CO釋放曲線，分析了發(fā)展期的斜率(圖7)，作為制定預警策略的依據。

圖7 火災發(fā)展期CO增長斜率圖Fig.7 Graph of CO growth slope in the fire development phase

由分析結果看出，4種材料在火災發(fā)展期CO濃度增長的斜率分別為10.01、1.7405、1.0513、6.4071。按照不能漏報的原則，應選擇最小斜率值，認為選擇斜率k＝1是較合理的。根據上述分析，制定火災預警策略如表2所示。

表2 空間站火災預警策略表Table 2 Fire warning strategies in the space station

根據這一預警策略，在實際操作中，CO、HCl、HCN等特征氣體濃度均為0時可判定為處于正常期。燃燒期的判別也相對簡單，主要取決于CO濃度，對4種非金屬材料受熱釋放CO的濃度分析發(fā)現(xiàn)，當出現(xiàn)明火或材料碳化時，不同材料釋放的CO濃度雖存在差異，但基本都在200 ppm以上，因此選擇200 ppm作為進入燃燒期的判斷參數(shù)。對于陰燃期和發(fā)展期來說，主要判斷指標是CO濃度增長的速度，當出現(xiàn)低濃度CO且單位時間內的增長斜率k＜1時，可認為其處于陰燃期，以間歇性聲光報警提示航天員進行檢查以消除火災隱患；當增長斜率k＞1或HCl、HCN氣體出現(xiàn)時，可認為火災處于發(fā)展期，以較急促聲光報警提示航天員立刻停止其他工作，進行全面排查并做好應對火災準備。

5 結論

1)非金屬材料的氣體釋放量和釋放速率均隨受熱溫度的上升而升高，且在一定溫度出現(xiàn)明顯拐點，是判斷火災階段的重要依據。

2)不同非金屬材料受熱釋放氣體的種類、速率、濃度存在差異，但CO的釋放與火災過程匹配度高，具有特征性強、出現(xiàn)早、濃度相對較高等優(yōu)勢，是預測火災的主要指標性氣體；HCN、HCl等氣體作為非金屬材料深度分解的產物，可作為輔助性標志氣體。

3)結合CO釋放曲線所得到的空間站火災預警策略，充分考慮了空間站的實際需求，直接提示火災所處階段，有望為實現(xiàn)高效預警、減少誤報虛報提供有效技術手段。