载人航天器防火安全设计

刘 洋

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

载人航天器密封舱内的防火安全关系到航天器的安全运行和航天员的生命安全，一直是载人航天器研制过程中重要的设计和控制项目。载人航天器内存在大量的电气设备、较多的非金属材料，且密封舱内拥有高浓度的氧气环境。电路过载、短路，设备过热，氧气泄漏等成为了载人航天器内发生火灾的主要隐患。1967年，美国“阿波罗”204号飞船在发射塔架上进行合练时突发火灾，3名航天员当场遇难；1970年，“阿波罗”13号飞船登月飞行时，服务舱因电路过载、短路引起火灾爆炸，航天员紧急撤离到登月舱中才得以艰难返回地球[1]；1997年，“和平号”空间站氧气发生器破裂引起火灾，后被航天员扑灭；美国航天飞机也多次发生火灾危险事故，失火概率达10%[2-4]。

本文以“神舟”飞船、空间实验室密封舱防火设计经验为基础，依照火灾发生的三要素（可燃物、氧化剂、点火源）并结合我国载人航天器防火实际需求，对载人航天器防火安全设计进行总结，以用于支持载人航天器开展密封舱内防火、灭火试验，对货运飞船、空间站等后续载人航天器的防火设计提供指导。

1 密封舱内可燃物控制

密封舱内可燃物控制是防火安全工作的第一个关键环节。密封舱内可燃物主要是密封舱内大量不同种类的非金属材料，因此需要了解各类非金属材料的可燃性能，将易燃材料控制在危险范围之外。载人航天器对于非金属材料的选用有严格的要求[5]，借鉴航空工业标准[6-7]，应逐项对密封舱内使用的非金属材料进行阻燃性能试验及燃烧产物试验，试验合格的非金属材料才可装器使用。

1.1 阻燃性能试验

根据非金属材料在舱内所处的不同位置，分为垂直燃烧、水平燃烧、45°倾斜燃烧和 60°倾斜燃烧试验，通过记录自熄灭时间、有无滴落物及滴落物续燃时间、阴燃时间、试样烧焦长度等来判断舱内非金属材料的阻燃性能。

1.2 燃烧产物试验

对一氧化碳、氟化氢、氯化氢、氮氧化物、二氧化硫、氰化氢等6种毒性气体含量进行测定[8]。试验合格标准[5]见表1。

表1 毒性气体含量合格标准 Table 1 Regular standard of toxic gas

对于阻燃及燃烧产物试验结果不合格的非金属材料，有以下2种处理措施：

1）非金属材料在金属夹层内或在密闭容器中，无被引燃条件的，可认为该非金属材料满足防火安全要求；

2）试验结果不合格的其他非金属材料，需检查其使用情况并进行使用环境分析，确定可采取中间加阻燃非金属材料隔离或更换等措施进行防护后，可认为符合防火安全要求。

2 密封舱内氧浓度控制

对密封舱内氧化剂控制主要是对舱内氧浓度进行控制。俄罗斯联邦国家标准规定，俄罗斯的载人航天器密封舱内氧浓度不应超出40%[9]。为了保持更高的安全性，在对大量试验数据进行比对后，我国载人航天器密封舱内氧浓度要求一般不应超过30%。

密封舱内应设置通风设备，避免氧气聚集；配备氧浓度控制设备，在出现氧气阀泄漏等故障情况下可以将舱内氧浓度控制在规定的指标范围内。

3 防止点火源形成

点火源为火灾三要素之一。载人航天器内潜在的点火源[10]主要为电性能设备、电缆产生的电火花、电弧，电缆短路、设备过热。这些点火源均可能引发点火，造成火灾，因此需采用降额、增加抗短路保护等措施。另外，推进剂泄漏也是发生火灾的重要危险源之一。经过“神舟一号”到“神舟十一号”载人飞船的实际飞行验证，摸索出一套载人航天器防火设计标准，重点对点火源等相关问题从设计源头进行了控制。

3.1 电性能设备

舱内电性能设备外壳一般采用金属材料，部分采用阻燃性能合格的非金属材料。

3.2 电缆的安装与铺设

利用保护垫固定电缆，布置电缆时须避免尖锐的弯曲，最小弯曲半径为其外径的6倍[11]，以防止电缆绝缘皮破裂。

高压供电电缆采用单根电缆设计，单独布局，安装在航天员不易接触的区域。

在高压供电电缆传输路径上采取二次隔离，电缆与舱体金属结构直接接触部位加铺聚酰亚胺膜。

3.3 推进剂控制

载人航天器推进剂管路一般设置在密封舱外。若管路必须设置在密封舱内，则舱内管路必须具有良好的密封性，必须保证推进剂在密封舱内的浓度低于防火安全门限。

4 防止火灾传播

一般情况下，载人航天器密封舱内设有强制通风。一旦发生火灾，通风可为火灾提供充足的氧气，导致火势扩大和蔓延。因此，载人航天器主要通过以下措施来防止火灾的传播：

1）通过控制通风设备对密封舱内流场进行控制，对舱内点火源及周边设备采取断电措施，避免火灾快速传播；制定失火情况下的应急处置流程，对航天员进行培训。

2）在载人航天器的设计阶段，参考俄罗斯相关标准[8]，电性能设备之间保持20 mm的防火安装距离。

5 密封舱内烟火监测

5.1 火灾探测器选用原则

密封舱内火灾探测器的一般选用原则[12]如下：

1）对火灾初期有阴燃阶段，会产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的区域，选择感烟探测器；

2）对火灾发展迅速，可产生大量的热、烟和火焰辐射的区域，可选择感温探测器、感烟探测器、火焰探测器或其组合；

3）对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的区域，选择火焰探测器；

4）对火灾形成特征不可预料的区域，可根据模拟试验的结果选择探测器。

5.2 火灾探测器安装位置

微重力环境下密封舱火灾的计算机仿真[4,13-14]可以经济、高效地开展载人航天器在微重力环境下的火灾烟气蔓延规律研究，为密封舱内火灾探测器的合理安装布局提供重要参考。火灾探测器一般安装在密封舱内易引发火灾的设备的流场下游、大型机柜附近、主要通风管路内部及密封舱回风口附近[4]。

为保证火灾探测器的可靠性，一般应成对安装2种以上不同类型的火灾探测器。

5.3 烟火监测告警

密封舱内配置烟火检测、报警和定位功能，系统在火灾发生30 s之内发出报警信号，航天员在舱内的任何位置都可及时收到报警信息。

烟火告警系统报警方式：

1）语音提示“××舱失火”，系统发出蜂鸣声、警报声等报警音；

2）仪表显示界面（火灾探测器部分）状态发生变化，文字显示颜色由绿变红。

6 密封舱灭火

我国的载人航天器目前主要采用手动灭火系统，主要包括灭火器、灭火湿巾等。航天用灭火器内灭火剂具有良好的灭火效果以及良好的热稳定性和化学稳定性，对人体毒性危害小，对密封舱内环境破坏小，使用后便于舱内环境恢复。灭火湿巾置于航天员可直接接触的区域，用于局部阴燃情况灭火，当然灭火湿巾需经过绝缘设计。航天员在训练中需要完全熟知灭火流程，并进行应急演练培训。

航天员在灭火时需佩戴防毒面具，防毒面具能对燃烧后的主要燃烧产物具备有效的地防毒作用，且满足灭火程序所需时间。

为把灭火对舱内环境造成的影响降到最小，航天员灭火后需对舱内环境进行恢复。

依据多年的载人航天器研制经验，本文总结出有人参与的舱内灭火处置程序，如图1所示。

图1 灭火处置流程Fig 1 Flowchart of the fire fighting process

7 结束语

针对载人航天器密封舱防火安全设计，本文从密封舱内可燃物控制、舱内氧浓度控制、防止点火源形成、防止火灾传播、密封舱烟火监测、密封舱灭火6个方面系统性地对密封舱防火进行了总结。该设计方法可为货运飞船、空间站等后续载人航天器防火设计提供参考。

（References）

[1]张孝谦,胡文瑞.载人航天器的安全防火[J].载人航天,2009(2): 22-28 ZHANG X Q,HU W R.Fire safety concerns in spacecraft[J].Manned Spaceflight,2009(2): 22-28

[2]张夏.载人航天器火灾安全研究进展[J].力学进展,2005,35(1): 100-115 ZHANG X.Progress in fire safety research for manned spacecraft[J].Advances in Mechanics,2005,35(1):100-115

[3]张夏.微重力燃烧研究进展[J].力学进展,2004,34(4):507-528 ZHANG X.Research advances on microgravity combustion[J].Advances in Mechanics,2004,34(4): 507-528

[4]赵建贺,王冉,俞进,等.载人航天器密封舱内火灾流场特性研究[J].航天器环境工程,2013,30(6): 610-615 ZHAO J H,WANG R,YU J,et al.Numerical research on fire in sealed cabin of manned spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering,2013,30(6):610-615

[5]俞进,于潇,魏传锋.载人航天器密封舱内非金属材料控制[J].航天器环境工程,2011,28(6): 601-604 YU J,YU X,WEI C F.Selection and control of nonmetallic materials used in the sealed cabin of manned spacecraft[J].Spacecraft Environment Engineering,2011,28(6): 601-604

[6]中华人民共和国航空航天工业部.民用飞机机舱内部非金属材料燃烧试验方法: HB 5469—1991[S],1991

[7]中华人民共和国航空航天工业部.民用飞机舱内非金属材料燃烧性能要求: HB 5470—1991[S],1991

[8]中华人民共和国航空航天工业部.民机机舱内部非金属材料燃烧产生毒性气体的测定方法: HB 7066—1994[S],1994

[9]俄罗斯国家标准委员会.宇航员在载人航天器中的生存环境: ГОСТР 50804—1995[S].莫斯科: ИПК标准出版社,1995: 8-11

[10]National Aeronautics and Space Administration Standard.NASA safety manual: Volume 9: Fire protection: NHB 1700.1(V9)[S].Washington D.C.: NASA,1985

[11]中国航天科技集团公司.航天器电缆网设计、制造及验收技术要求: Q/QJ A63—2010[S].北京: 中国航天标准化研究所,2010: 8-9

[12]霍然,袁宏永.性能化建筑防火分析与设计[M].合肥:安徽科学技术出版社,2003: 171-183

[13]赵建贺,张亚锋,石泳,等.载人航天器密封舱内细水雾灭火数值研究[J].航天器环境工程,2014,31(3):267-271 ZHAO J H,ZHANG Y F,SHI Y,et al.Numerical simulation of fire fighting in sealed cabin of manned spacecraft by water mist[J].Spacecraft Environment Engineering,2014,31(3): 267-271

[14]胡海兵,王彦,王锋,等.载人航天器舱内火灾烟雾分布规律数值模拟研究[J].载人航天,2012,18(1):55-59 HU H B,WANG Y,WANG F,et al.Numerical simulation research of distribution of fire smoke within manned spacecraft’s cabin[J].Manned Spaceflight,2012,18(1): 55-59