载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势.pdf

Chinese).Chinese Journal of Space Science,22023,43(3):531-548.D0I:10.11728/css2023.03.2022-0049WANGShuangfeng,WU Chuanjia.Recent Progress and Development Trend of Solid Combustion Research for Manned Space Exploration(in0254-6124/2023/43(3)-0531-18Chin.J.SpaceSci.空间科学学报载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势*1,2,31,2王双峰吴传嘉1(中国科学院力学研究所中国科学院微重力重点实验室北京100190)2(中国科学院大学工程科学学院北京10 0 0 49)3（中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190)摘要掌握固体材料在空间特定使用环境中的可燃特性，是保障载人航天器防火安全的重要前提，相关需求构成了微重力燃烧研究的主要推动力之一。近年来，固体材料燃烧及相应的载人航天器防火问题得到各航天大国的持续关注，新一轮研究热潮正在形成，研究工作表现出新的特点和发展态势。本文综述了约10 年来微重力固体材料燃烧的研究进展和最新成果，对该研究方向的发展趋势进行分析，对未来研究提出建议，为后续进一步发展提供参考。关键词同材料可燃性，载人航天器，防火安全，微重力中图分类号TK16Recent Progress and DevelopmentTrend of Solid Combustion Research forManned Space ExplorationWANG Shuangfeng1,2,3WU Chuanjial.21(Key Laboratory of Microgravity,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)2(School of Engineering Science,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)3(State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics,Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)AbstractThe understanding of solid material flammability in the specific use environment is of practical importance for manned spacecraft fire safety,and the relevant fire safety concerns in spacecraf*国家重点研发计划项目资助（2 0 2 1YFA0716203）2022-09-05收到原稿，2 0 2 2-12-15收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)532Chin.J.SpaceSci.2023,43(3)空间科学学报have served as one of the primary motivations for microgravity combustion research.In recent years,thevarious space powers have paid continuous attention to the burning characteristics of solid materials andthe corresponding application to spacecraft safety.It seems that a renewed interest in such a researchfield is arising,while distinct features and development trends could be identified.This paper reviews theresearch progress and latest results on microgravity solid combustion in recent ten years.Overall devel-opment trends of the field and future directions of research work are also discussed,hoping to provideuseful reference for further research.Key wordsMaterial flammability,Manned spacecraft,Fire safety,Microgravity0引言固体材料可燃性是对材料燃烧行为和火灾危险性的定量描述.2。可燃性参数一方面直接用于材料防火安全评价，另一方面作为火灾动力学模型的基本输入参数对于准确模拟火灾至关重要13 。固体材料着火和燃烧涉及固相热解、热解产物与氧化剂混合、气相化学反应、气相和固相传热传质等一系列复杂过程，其可燃性强烈依赖于气流流动、压力、氧气浓度、受热情况等使用环境中的外部条件，在一定环境条件下获得的某种材料可燃性结果以及据此得到的材料热力学参数不适用于其他不同环境4-8 。与地面相比，在轨飞行的载人航天器舱内出现了明显不同但可支持材料燃烧的环境：微重力条件使得燃烧引起的自然对流大幅减弱甚至基本消失，自然对流在燃烧过程热量和物质传输中的支配地位不复存在，取而代之的是由于航天器舱内通风需要而存在的低速强迫对流(速度一般小于2 0 cms)9;舱内大气总压和氧气浓度有多种可能的选择，目前普遍以标准空气（10 1kPa,21%O2)为基准，但波动范围较大，下一代航天器将优先采用低总压（58 kPa左右）、高氧浓度(3 0%3 4%)的非标准大气10-12)。这些环境要素相互耦合，深刻影响着固体材料的燃烧行为和可燃特性，理解其科学规律是载人航天器防火安全的基础，也是燃烧理论发展的需要。同时，未来空间探索经历的重力加速度环境是多样化的，除了轨道飞行时的微重力外，还主要面临地外天体表面的当地重力条件，使载人航天器和地外栖息基地的运营环境发生新的变化，对固体材料可燃性和防火安全研究提出挑战。固体材料燃烧及相应的航天器防火安全问题一直是微重力燃烧领域的重要研究内容。自2 0 世纪60年代以来，针对微重力条件下非金属固体材料燃烧特性已开展了大量研究工作，在理论分析、数值模拟、模型探索的同时，利用地基和空间微重力实验平台进行了一定数量的实验研究。总的来看，较前期的研究主要集中于材料着火之后的火焰传播，实验材料多为热薄材料，着重考察低速气流、氧气浓度、材料厚度和几何形状等的影响；由于实验数据有限，对微重力环境中固体材料燃烧过程的认识远不充分，无法为航天器材料可燃性评价和火灾模型发展等实际应用提供支撑。已有综述文献13-15 对这一时期的研究情况和主要研究结果进行了较为全面的总结。近年来，为最大限度地保障载人航天活动的防火安全，空间环境中固体材料的可燃性研究持续受到高度重视。美国、欧洲和日本等国家及地区围绕相关问题规划并陆续开展了多个研究项目，研究周期长，内容广泛，并且有系统的组织和安排。NASA（美国国家航空航天局）以深人认识固体材料燃烧机理、增强航天器防火的实际能力为目标，在国际空间站上安排了系列专项实验，部分实验已完成并取得研究结果，另有实验在推进中16 17。NASA/ESA(欧洲空间局）和JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）分别组织了较大规模的国际合作项目16 ,针对固体材料燃烧开展空间实验和地基研究，主要关注尺寸效应对材料可燃性的影响、微重力与常重力可燃极限的联系等，并评估和改进现有的航天器材料筛选测试方法及航天器火灾模型。目前两个项目正按计划实施。同一时期，中国利用实践十号卫星和微重力落塔开展了内容丰富的固体材料燃烧实验，获得大量研究结果，也为中国载人空间站上的防火安全研究进行了技术研发和科学规划。这些已经完成和计划开展的研究项目标志着微重力环境中固体材料燃烧特性研究进人一个新的533王双峰等：载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势发展阶段。本文综述了最近10 年来国外微重力固体材料燃烧研究的项目规划、进展情况和已取得的主要成果，介绍中国在该方向的最新研究进展和前景，对现阶段的发展趋势进行分析，并对载人空间探索环境固体材料可燃性的进一步研究提出建议。1国外研究计划与进展1.1国外空间站专项实验NASA将国际空间站作为航天器防火安全研究的主要空间实验平台，在固体材料燃烧方面规划了多个实验项目。较早的实验利用微重力科学手套箱(Microgravity Science Glovebox，M SG)完成，更多的实验则在稍后安装到位的多功能燃烧实验柜(Com-bustion Integrated Rack,CIR)中进行,CIR为此配备相应的实验插件装置。这些实验之间相互衔接，各有侧重，其与实验设备/装置的对应及实施情况列于表1。1.1.1烟雾测量实验SAME实验分两期进行，分别为SAME和SAME-R，目的是提供定量的实测数据，评估离子感烟探测器（航天飞机使用)和光电感烟探测器（国际空间站使用）的性能,提升未来载人航天器火灾探测技术的可靠性18 。SAME实验装置如图1所示18.19。实验测量了5种典型材料在不同气流速度、加热温度和烟雾颗粒停留时间等条件下热解产生的烟雾颗粒粒径及分布，得到具有实际意义的分析结果19-2 。41。这些实验材料产生的大量烟雾颗粒都是亚微米级尺度的（见图2 2 3)），离子感烟探测器的探测效果较好，光散射探测器在多数情况下也有很好的探测效能。然而，两种探测器均不能探测到所有实验材料的烟雾颗粒，表明下一代感烟探测器必须进行改进设计和严格测试。实验发现，微重力下材料在着火前产生的烟颗粒的粒径分布范围较广，因此有效的感烟火灾探测方法应针对此特点进行相应设计。通过数值模型研究进一步发现，由于混合过程在烟雾颗粒输运中起主导作用，微重力条件下的探测器响应时间比常重力下要长，而且探测效果十分依赖于探测器和障碍物的位置。值得一提的是，SAME的成功建立在NASA长期的有组织的研究计划基础上：实验中使用的超细颗粒计数器已在此前（2 0 0 5一2 0 0 6 年）的国际空间站技术试验，即粉尘和气溶胶测量可行性测试(DustandAerosol Measurement Feasibility Test,DAFT)中经过专门检验，而1996 年在航天飞机上完成的碳烟诊断实验（Comparative Soot Diagnostics,CSD)则是表1NASA在国际空间站的固体材料燃烧实验项目Table 1NASAs solid combustion projects on the International Space Station使用的实验实验名称空间实验实施时间主要研究人员和机构说明设备/装置烟雾测量实验MSG/SAME20072010David Urban NASA包括SAME和SAME-RSAME(Smoke and Aerosol格林研究中心Measurement Experiment)固体材料燃烧和抑制MSG/改造后的20122014Paul Ferkul NASA包括BASS,BASS-II和BASS(Burning andSPICE装置格林研究中心BASS-M;SPICE装置先期用Suppression of Solids)于MSG中气体同流火焰烟点实验(SmokePointinCoflowExperiment)燃烧速率模拟器CIR/ACME/BRE燃2019-2021James Quintiere微重力前沿燃烧实验BRE(Burning Rate烧模拟器马里兰大学ACME(AdvancedEmulator)Combustion viaMicrogravity Experiments)项目5个课题之一固体燃料着火和熄灭CIR/SoFIE预计2 0 2 2-2 0 2 5JamesTien凯斯西储大包括5个研究课题SoFIE(Solid Fuel Ignition学;Carlos Fernandez-and Extinction)Pello加州大学伯克利；FletcherMiller圣迭戈州立大学;S.Bhattacharjee圣迭戈州立大学；SandraOlsonNASA格林研究中心5342023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报DiluterTo pistonP-trakRair/vacuumcontrollerN2AirpistonDiluterDusttrakSamplelonizationcarouselValvesdetectorDiagnosticsSTSductdetectorlSmokeISSgenerationThermaldetectorprecipitatorTovacuumtPS-01155-2duct图1SAME实验装置外观与结构Fig.1Photograph and schematic of the SAME hardware(a)(c)5um5umum(d)e(f)5 m5 m2um图2烟颗粒透射电镜照片。（a）未老化的Kapton，57 4，（b）老化的Kapton，57 4，（c)未老化的灯芯，2 6 5，(d)未老化的Pyrell，2 42，(e)未老化的Teflon，514，（f)未老化的硅树脂，3 8 0 Fig.2TEM images showing morphology of smoke particles.(a)Unaged Kapton,574,(b)a g e d K a p t o n,57 4,)unaged lamp wick,265,(d)u n a g e d Py r e l l,2 42,(e)u n a g e d T e f l o n,514,a n d (f)u n a g e d s i l i c o n e,3 8 0 SAME的前期研究工作。1.1.2固体材料燃烧和抑制BASSBASS系列实验主要有三个目标：（1)为固体材料燃烧模型提供无重力影响的实验数据，在假设没有浮力的情况下发展简化的燃烧模型，经过微重力实验验证后加入浮力的影响以考虑更复杂的模型组合；(2)改进NASA现有的航天器材料可燃性地面测试方法，使之能够反映微重力条件下的材料燃烧特性；（3)进行氮气熄灭火焰测试。实验使用了大量固体材料样品，种类包含平板、柱状和球形材料以及圆管中的蜡烛。实验装置如图3 所示2 5应该注意到，BASS实验过程中氧化气体和燃烧产生的气体封闭在MSG内进行循环，而且极限氧气浓度（维持燃烧的最低氧浓度）的测定是通过燃烧对氧气的消耗使火焰逐渐达到熄灭条件，因而环境气体成分的变化可能对实验结果有较大影响。有关平板材料燃烧的研究取得了多项结果：对热辐射、传热和化学反应控制区的逆向火焰传播特征进行实验观察（火焰传播速度变化如图4所示）和理论分析，验证了热辐射和传热控制区理论模型的准确535王双峰等：载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势(a)(b)Fuel:cotton-fiberglassTopwindow2.2cmIgniter三三SidewindowFlowexitSample holderFansection图3BASS实验装置。（a）小型流动通道，（b）试样、试样架和点火器Fig.3Experimental setup of BAsS.(a)Small flow duct,and(b)fuel sample,sample holder,and igniter3Radiativeo100um(i s.uu)/extinction2200mBlow-off4144extinction0010203040506070Vg/(cmsl)图4常压2 1%氧浓度环境中两种厚度平板火焰传播速度随气流速度的变化Fig.4Experimental spread rate vs.flow velocityfor two different fuel thicknesses at about21%oxygen level and 1 atm性2 6 ；比较微重力和常重力下的火焰传播实验数据，并基于传热控制理论，得到了热薄材料向热厚材料转变的临界厚度判据2 7 ;实验测定了逆向火焰传播的极限气流速度，小于此速度火焰将不能稳定传播，并通过二维模型的简化分析认识了影响极限气流速度的主要因素2 8；通过数值模拟发现，当逆向火焰从厚边界层传播到薄边界层中时，火焰的尺寸、温度和传播速度均有所增大2 9;实验发现，低速流动条件下较窄材料样品表面的同向火焰能够获得一个稳定的长度，薄材料火焰的熄灭具有三维特性，辐射热损失是火焰熄灭的主导机制2 5柱状和球形材料的燃烧实验主要关注火焰熄灭极限以及近极限火焰基本特性，并与平板材料相比较，从更基础的角度认识材料燃烧机理。图5显示了气流速度和材料内部加热对球形聚甲基丙烯酸甲酯（Po l y me t h y l me t h a c r y l a t e,PM M A）火焰发展的影响3 0 。在流场驻点附近，柱状和球形材料火焰的熄灭极限受流场拉伸率和材料加热程度共同影响，加热时间越长火焰越难熄灭，当拉伸率达到临界值时，滞止区内的火焰首先熄灭，滞止区下游的火焰则沿材料表面周期性振荡3 0.3 1。常重力与微重力下的火焰吹熄边界随强迫流动拉伸率的变化曲线是相互平行的，将常重力吹熄边界外推到零拉伸率，可以提供微重力下材料可燃极限的保守估计3 2 。柱状材料逆向火焰传播实验发现，在低氧浓度条件下，微重力火焰的传播速度可超过常重力火焰，而且火焰能够在更低的氧浓度下维持传播，意味着微重力环境中的火灾风险可能更高3 3 。图6 是不同气流速度下的柱状材料表面道向火焰传播图像3 在灭火实验中，氮气射流未能熄灭固体材料火焰，反而引起火焰亮度增强。这可能是由于射流卷吸环境中的空气，增加了氧化剂向火焰的传输。因此航天器气体灭火装置的设计和使用必须考虑微重力火灾燃烧的特点。1.1.3燃烧速率模拟器BRE燃烧速率模拟是微重力前沿燃烧实验ACME项目中5个独立的气体火焰研究课题之一3 5,也是ACME中唯一的主要针对固体材料燃烧问题的课题，其主要目标是提高对材料可燃性的理解，并评估现有的可燃性测试方法与微重力和低重力环境的关联性。如图7 所示3 6 ,BRE是一个多孔平面气体燃烧器，燃烧器表面取代燃烧过程中不断退化的凝聚态燃料表面，通过测量火焰向燃烧器的热反馈，并对燃烧和气化热、表面温度以及烟点等特性进行匹配，实现对固体和液体燃烧过程的模拟，可对燃烧和熄灭现象进行更为深入的观测BRE前期系统开展了地面实验3 7-3 9、落塔实验140-42 、理论分析和数值模拟I139.3-4等等工作，研究利5362023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报GrowthExtinction图5低速流动中球形PMMA火焰的增长与熄灭（流动方向向上）Fig.5Flame growth and decay around a small PMMA sphere in low speed forced flow.The flow direction is from bottom to top(a)18.2%022cm(g)(b)17.5%022cm(g)gTime/min1234567891011Vg/(cms-l)7.61.71.71.70.80.80.80.80.70.70.7图6柱状材料表面逆向火焰传播过程Fig.6Photo sequence of opposed fame spread over cylindrical solids用甲烷、丙烷、乙烯等气态燃料模拟PMMA、聚甲醛(Polyoxymethylene,POM)等固体和甲醇、庚烷等液体燃料的燃烧特性。地面实验验证了气体火焰模拟凝聚态燃料燃烧的合理性，同时利用BRE研究了浮力对流下气态燃料的点火和火焰熄灭机理3 7 3 。落塔实验中观察到接近稳态的球状火焰，用一维稳态理论将火焰热流密度与火焰长度关联，得到了燃烧速率与火焰直径和传质数的关系。落塔实验还对燃烧器尺寸、环境压力、氧浓度等因素的影响进行研究，发现对于尺寸较大的燃烧器，气相辐射的作用更为显著140,而理论分析表明低压环境有利于火焰的稳定145。BRE空间实验成功实现59次点火，得到长时间稳定的气体（乙烯/氮气混合物）扩散火焰，对测量得到的燃烧器表面热流变化进行理论分析，估算了固体材料稳定燃烧时的汽化热，认为当材料燃烧热为23.647.2 k J.g l、汽化热为110 kJ.g1时，直径25mm的平面固体材料能够在微重力下稳定燃烧，空间实验数据也验证了数值模型的准确性3 6 。实验测量了稳定火焰和火焰振荡熄灭过程中的辐射热流，发现所有稳定状态的火焰辐射分数保持在0.6 以下，并且可与火焰高度建立联系（见图8 3 6 ），这为认识微重力下的火灾增长规律提供了依据。1.1.4固体燃料着火和熄灭SoFIE作为BASS实验的后续研究项目，SoFIE于2009年立项，2 0 2 2 年2 月其实验装置运抵国际空间站(47.48 。SoFIE包含5个研究课题，分别为：（1)停留537王双峰等：载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势(a)(b)RadiationfromCO2 and H2OFlame height yy-Flame sheetCenterthermocoupleCenter heat fluxat r=4.5 mmgauge atr=0 mmOffsetthermocoupleIgniterat r=10.4 mmOffset heatfluxgauge atr=9.5 mmCopper25 mmsurfaceInsulationBREburner图7BRE燃烧器照片和示意Fig.7BRE burner image and drawing0.8+(a)y=0.25 ln x-0.18+(b)0.7+R2=0.84+0.6+0.5?SEFTXXo.p/bar0.4口N/A10.340.56+10.2650.70.3N/A10.211：N/A0.50.410.2N/A0.50.340.56+口0.50.2650.70.1N/A0.50.211h e=X r(47.2 k Jgl)00123450204060Fuel mixturemassflux/(gm2.s-l)Flame height/mm图8火焰辐射分数随燃料质量流率（a）和火焰高度（b）的变化Fig.8Flame radiant fraction with mass flux(aand flame height(b)时间控制的火焰传播（ResidenceTimeDrivenFlameSpread,RTDFS），研究材料厚度对火焰传播和火焰熄灭的影响；（2)窄通道装置（NarrowChannelAppa-ratus,NCA),验证利用地面窄通道实验模拟厚材料微重力燃烧特性的能力；（3）火焰增长和熄灭极限(Growth and Extinction Limit,GEL),利用球形试样研究材料内部传热和环境流动影响火焰演化的机理；（4)材料着火和抑制测试（Material Ignition andSuppression Test，M IST),研究柱状材料着火过程并进行灭火试验；（5)航天器材料微重力可燃性(Space-craft Materials Microgravity Research on Flamma-bility，SM uRF），通过比较常重力和微重力下的实验数据，检验航天器材料可燃性测试方法。相比BASS实验，SoFIE装置的实验条件和燃烧诊断能力更为完善，将对PMMA、棉基织物和其他常用航天材料开展广泛的燃烧过程研究。在前期固体材料可燃性研究的基础上，SoFIE研究内容进一步扩展到固体材料在实际构型和现实气体环境中的着火和可燃特性，希望将科学研究成果应用于航天器防火的工程实践中，从而实现以下目标：完善航天员舱外活动装备的防火设计；提高航天器材料的防火安全性；检验材料可燃性地面测试标准在微重力条件下的适用性；深人了解材料着火初期的火焰传播行为；验证材料可燃性模型；从灭火剂、环境流动、航天器通5382023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报风状态等角度寻找优化的灭火技术。由于有明确的研究计划指引，并且CIR/SoFIE实验平台可提供较好技术支撑条件，SoFIE项目未来研究结果值得关注。NASA早期的空间站利用规划中有与SoFIE相近的项目，即面向空间探索的材料可燃性评估(Flammability Assessment of Materials for Explo-ration，FLA M E）。该项目原计划于2 0 12 至2 0 2 0 年进行，研究目标是提高对材料燃烧早期行为的认识、验证材料可燃性评估方法和数值模型，进而为空间探索中的防火安全服务；研究内容包括火焰传播、窄通道方法模拟微重力燃烧特性的验证、航天器材料在微重力下的可燃性、火焰熄灭极限、材料着火和火焰抑制等。FLAME与SoFIE的研究目标和研究内容高度重叠，目前NASA网站已取消FLAME相关信息，该项目可能由SoFIE取代。1.2国外合作研究项目航天器防火相关问题研究的国际合作十分活跃，目前有两个主要的国际项目正在实施中，分别是航天器防火安全验证(Spacecraft Fire Safety Demonstra-tion，Sa f f i r e）和微重力可燃极限研究（FlammabilityLimits at Reduced Gravity,FLARE)1.2.1航天器防火安全验证SaffireSaffire是一个综合性的航天器防火安全研究项目，研究方向大致可分为两类：一是固体材料燃烧；二是火灾探测、环境监测以及灾后清理等技术的演示验证49。项目由NASA格林研究中心和ESA专题小组领导，研究团队包括来自日本和俄罗斯等国的14个国际成员，计划利用从国际空间站分离后的无人飞船进行6 次空间实验（SaffireIV I），已于2 0 16 至2021年间完成5次（SaffireIV），最后一次空间实验计划于2 0 2 3 年进行50 。在材料火灾燃烧行为方面，Saffire重点开展以往无法进行的大尺寸材料样品火焰传播实验，实验数据用于研究尺寸效应对材料可燃性的影响，并评估现有航天器火灾模型和航天器材料筛选测试方法51,52 SaffireI和SaffireII对大尺寸复合织物试样进行了同向与逆向火焰传播实验3 ,试样尺寸达到0.95m0.40m，是现有空间实验中最大的试样；SaffireI、IV和V三次实验采用PMMA等4种材料的小尺寸（0.2 9m0.05m)试样开展实验，主要考察材料构型和气体环境等因素的影响。Saffire III实验中的试样布置如图9所示5。Saffire IV和V实验中，对航天器舱内的火灾探测、灾后清理和环境监测设备进行了测试49.54,航天器配备的远场诊断模块5、燃烧产物检测仪56 及气溶胶监测仪57 等设备用来测量燃烧产物和监测空气质量。大尺寸材料试样燃烧实验发现，微重力强迫对流中的同向传播火焰可以达到准稳态，火焰长度存在极限值（见图10 51)，而地面自然对流中向上（同向）传播火焰的速度和长度则随时间不断增长，二者差异显著51。数值计算表明，大尺寸材料表面的同向火焰对上游边界层敏感，靠近边界层前缘，火焰根部热流量较大，导致质量燃烧速率增大，火焰长度主要受氧气进入气相反应区的速率和平均质量燃烧速率控制58.59。对具有凹槽结构的小尺寸材料进行燃烧实验，揭示出几何构型强化火焰传热的机制6 0 。聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜燃烧时会产生硅粉，硅粉输运影响同向火焰与材料表面之间的能量平衡，进而改变火焰传播速度和熄灭极限16 1。Saffire系列实验获得了较多的微重力实验结果，通过比对分析空间实验和地面低压实验数据，发现当环境压力降低到3 0 kPa量级，地面实验可以近似地模拟微重力常压环境中的材料燃烧特性(6.6 1.2.2微重力可燃极限研究FLAREFLARE由日本JAXA主导，于2 0 12 年立项，合作方包括NASA、ESA、法国国家太空研究中心（CNES)以及日本、美国和欧洲的多所大学。项目将研制固体材料燃烧实验模块（SolidCombustionEx-perimentModule,SCEM)，在国际空间站中的日本舱段进行材料着火和火焰传播的基础研究，同时开展地基实验和理论分析，主要目标是建立微重力下材料燃Camera 2RadRaFlatneAirflowCamera1图9SaffireIIII实验中的试样布置Fig.9Sample configurations in the Saffire IIII539王双峰等：载人空间探索环境中固体材料可燃特性研究进展与态势(b)Pyrolysis front-PyrolysisBurnout(a)locationlength90090Smolderregion10cmoPyrolysis base80080oPyrolysis front(c)700oPyrolysis length70600V,=1.75mmsw/uonsod60500000504004030030200201001000100200300400500Time/s图10SaffireI实验中的大尺寸试样火焰传播。（a）材料热解区域的时间变化，（b）合成的俯视火焰图像，（c）点火后不同时刻的俯视火焰图像Fig.10Flame spread over a large sample in the Saffire I experiment.(a)Pyrolysis tracking,(b)a compositetop-view flame image,and(c)top-view flame images at selected times after ignition烧最低极限氧气浓度（MinimumLimitingOxygenConcentration，M LO C)与常重力下获得的极限氧气浓度(Limiting Oxygen Concentration,LOC)之间的联系，进而提出新的航天器材料可燃性测试方法(6 4。目前，FLARE的空间实验仍处于准备阶段，但已资助完成多项失重飞机实验6 5-7 9 和地面实验8 0-8 4,相关理论研究也取得一定进展。近熄灭极限条件下，固体材料表面辐射热损失和气相化学反应动力学的影响较为显著。通过尺度分析，研究建立了预测热薄材料可燃极限的理论模型7 2-7 5,并对多种材料在不同气体环境下的可燃性开展微重力实验，进行模型验证7 1-7 3 。微微重力环境中一些阻燃材料的可燃极限如图11所示7 1。实验表明，微重力下的材料可燃极限并非总是低于常重力下的可燃极限，微重力环境能否扩大材料的可燃范围与材料自身热解温度密切相关，热解温度较高的材料在微重力下的LOC高于常重力下的结果，而热解温度较低的材料表现出相反的趋势7 2 。导线在微重力下的可燃特性也是FLARE的研究重点之一，已有研究较为系统地分析了导线尺寸、加热时间和点火功率、重力水平、环境压力等多种因素对LOC和火焰传播速度的影响规律及控制机理7 6-7 9,为后续在国际空间站上开展燃烧实验打下了基础2中国研究进展中国2 0 16 年在中国科学院空间科学战略性先导专项实践十号卫星上成功完成两项固体材料燃烧实验8 5.非金属材料着火及燃烧特性、导线绝缘层着火烟的析出和烟气分布规律，并在空间实验前后开展了系统的地基研究和分析工作，取得了具有重要科学和应用价值的研究成果。两项研究工作分别由中国科学院力学研究所和工程热物理研究所的项目团队负责。这是继2 0 0 6 年实践八号卫星搭载多孔材料闷烧（阴燃)实验8 6 和导线着火前期特性实验8 7 之后，中国再次开展以航天器防火为背景的空间微重力燃烧实验。实践十号卫星非金属材料着火及燃烧特性实验，发现了热厚固体材料表面连续火焰分裂成小火焰（f l a me l e t）的现象（见图12 中的示例），建立了典型材料在低速流动中的火焰传播模式图谱和可燃极限边界（见图13），认识了火焰对气流的动态响应特性及火焰传播和熄灭的控制机理8 。空间实验与地面实验结合，形成了对富氧低速流动中柱状材料火焰传播特征以及微重力和常重力材料燃烧特性差异的深人认识，在整个气流速度范围内划分了柱状材料表面火焰传播不同机理的控制区8 9。利用窄通道实验研究气流速度和氧气浓度对同向和逆向火焰传播特性的影5402023,43(3Chin.J.SpaceSci.空间科学学报o Parabolic flight Marginal-LOC lg o Forced flow ExtinctPolycarbonatePEEKPPSUt=0.25 mm(a)t=0.2 mm(b)t=0.03 mm(c)273528263427O25332632O2425LOC 1g312324LOC30XMLOCX222329LOC21MLOC22282027MLOCXX21Vo19V2620VcrCr1825191103510011035100一1035100Vg/(cm:s*l)Vg/(cmsl)Vg/(cm:s-)KaptonSiliconeresinNOMEXt=0.i25 mm(d)t=0.5 mm(e)t=0.3 mm()303847283688046LoC1g68826348Q-45MLOCxX-*XOCCONX-2432LOC1gXX2244LOC3020MLOCMLOC2843V18文V26C4216110351001103510011035100Vg/(cms-l)Vg/(cm:s*l)Vg/(cm:s-)CONEXKevlarSilicone rubbert=0.3 mm(g)t=0.3 mm(h)t=1.0 mm(i)38375037364936354835X34473433LOC146%33LOC1g083245XXXCOOFLOC1g32MLOCXXxx31MLOC4431304330294229V28Vcr41MLOC一V282740cr110351001103510011035100Vg/(cms*l)Vg/(cmsl)Vg/(cm:s-l)图11逆向流动中阻燃材料的可燃极限Fig.11Flammability maps of flame retardant materials in opposed flow响，并与空间实验和理论预测进行对比，通过分析窄通道内流动特点，定量分析窄通道内材料燃烧过程与微重力燃烧过程的相似程度，研究得到了窄通道功能模拟的机理和控制参数90.1。这些结果不仅促进了对热厚材料燃烧过程的理解，对载人航天器设计中材料防火性能的评价和材料筛选也具有现实意义。导线绝缘层着火烟的析出和烟气分布规律空间实验，采用自身的过载电流作为导线点火源，观测微重力条件下聚乙烯（Polyethylene,PE）等导线绝缘层材料的产烟特征和烟气输运过程，研究结果可为航天器火灾探测的方案设计提供参考。空间实验