用于空间站火灾防护的隔绝式氧烛呼吸自救器研制

周兴明，胡 晓，毛胜华，毛 龙，张 毅，陈淑娟

（中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003）

0 引言

载人航天器在运行过程中可能发生火灾[1]，火灾产生的有毒有害物质会造成航天员中毒甚至窒息死亡。因此，载人航天器的防火灭火设计十分重要[2]。为保障航天员的健康与安全，航天员在灭火时需要佩戴防护面具。防护面具分为过滤式和隔绝供氧式。过滤式防毒面具[3]不能提供O2，要求环境气体的O2体积分数＞17%、CO2体积分数＜5%。根据国际空间站火灾防护要求：针对 O2体积分数为20.9%的国际空间站，发生火灾时需要用 50%CO2实施灭火，这样一来，环境气体中的O2体积分数严重时将下降到10.5%[4]。显然，过滤式防毒面具不能用于空间站的灭火防护。与环境隔绝的供氧式自救器可以满足空间站的灭火防护要求，其供氧方式有碱金属过氧化物（如过氧化钾）、氧气瓶和氧烛等。过氧化钾与人呼出的CO2和水汽相互作用可产生O2，具有使用方便、重量轻、便于携带的优点，因而得到广泛应用[5-6]。但过氧化钾制氧装置（也称之为化学氧自救器）在使用过程中的最大问题是反应产物为糊状，会阻塞气体通道，导致呼吸阻力增大[7]；自救器中的产氧物质过氧化钾药片在携带使用过程中因摩擦产生过氧化钾粉末，若粉末随气流进入储气袋，具有强氧化性的过氧化钾粉末与气袋有机可燃物接触，在有呼吸水蒸气的情况下，会引发火灾和爆炸事故[8-9]，是化学氧自救器的主要危险源[10]。氧气瓶是一种高压供氧的便捷手段，但压缩氧气瓶存在泄漏风险，可能导致燃烧和爆炸，因此维护保养工作量较大[11-12]。氧烛制氧依靠氯酸盐发生分解反应放出 O2，且氧烛为常压储存和使用，具有使用方便、安全可靠、重量轻等优点，其储氧量大，产氧速度快，非常适于应急供氧。氧烛的性能受外部环境温湿度的影响较小，一直是应急供氧领域，特别是潜艇舱室和航天器应急供氧的首选方式。国外利用氧烛研制出的火灾自救器不仅可提供火灾呼吸用氧，还可以保护佩戴者的眼睛，被广泛用于飞机和船舶等火灾时的呼吸防护装置。目前尚未见到国内将氧烛用于航天员火灾呼吸防护装置的报道。

本文将介绍以氧烛为氧源研制出的一种能与环境隔绝的呼吸自救器。

1 氧烛呼吸自救器工作原理及其构成

1.1 工作原理

氧烛主要由能够产生O2的氯酸盐或高氯酸盐类物质组成，其中辅助物质包括有提供热量的金属粉、降低热反应温度的催化剂、抑制和吸收有毒有害气体产生的添加剂以及反应稳定剂等。氧烛产生的O2与面罩内的空气混合经LiOH吸附层的过滤纯化后供人体使用。

氧烛产氧时的化学反应式为

呼出的CO2经过LiOH吸附层，会与LiOH发生如下反应：

1.2 氧烛呼吸自救器的主要结构

根据工作原理而设计的氧烛呼吸自救器主要由防护头罩、氧烛和CO2吸附装置3个单元组成，其结构如图 1所示。防护头罩带有透明视窗，与CO2吸附装置相连接；CO2吸附装置由文丘里管、CO2吸附剂和负压区组成。使用时，拔出拉环启动氧烛，反应生成的O2立即经输氧管、文丘里管送入头罩。根据文丘里管的原理，O2流经文丘里管会产生高速射流，有助于卷吸喷管出口周围的空气并与之混合，形成循环的气流。循环的气体流经LiOH吸附层，将CO2清除，净化后的气体最后送达头罩内供人呼吸。

图1 紧急逃生呼吸装置结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of EEBD structure

1.3 主要性能指标

持续供氧时间：≥15 min；

吸附后的空气中O2体积分数：≥21%；

吸附后的空气中 CO2体积分数：平均值≤1.5%，极限值≤3%；

吸入的气体温度：＜50 ℃；

质量：2 kg；

尺寸：250 mm×220 mm×120 mm。

2 氧烛呼吸自救器的研制

2.1 氧烛的研制考虑

氧烛是呼吸自救器的核心部件，在研制时除了需要满足相关技术要求外，还要考虑便携使用原则。环境温度会直接影响氧烛发生分解反应的速度，继而影响氧烛的供氧流量和供氧时间。考虑到自救器需要在不同环境温度下使用，因此在进行氧烛设计时力求其供氧流量和供氧时间受环境温度的影响尽可能小，这是氧烛设计的关键。

纯净的氯酸钠加热到260 ℃时出现熔化，甚至380 ℃以上也不会发生分解反应，只有加入适当的催化剂后才会降低反应温度，进而降低氧烛产品壳体温度。催化剂的加入会降低氯酸钠的分解反应活化能，这将导致氧烛低温分解速度下降较大、高温分解速度提升过快，造成氧烛低温供氧量不足、高温供氧时间不够的情况。若要同时满足供氧流量和供氧时间的要求，只能采取加粗、加长药柱的措施。但该措施必定会增加供氧产品的重量和尺寸，不符合自救器便携使用的原则。为了降低环境温度和催化剂对氧烛供氧量和供氧时间的影响，本文在所用氧烛物质中仅添加了少量的特殊催化剂，主要靠金属粉含量来控制反应速度。

添加金属粉的目的是利用金属粉燃烧放出的热量以维持分解反应的持续进行，因为氯酸盐在分解制氧中所放出的热量不足以维持分解反应所需。氧烛中的少量催化剂选择了Co、Fe等过渡金属化合物。另外，为了抑制和吸收有毒有害气体，又在氧烛中加入了添加剂；为了维持恒定的反应速度，还加入了反应稳定剂。

最后，将制作氧烛所需的物质混合均匀，加水模压成型后烘干，制成氧烛供氧药柱（见图2）。

图2 氧烛药柱外观Fig. 2 Appearance of oxygen candle

2.2 CO2吸附装置的研制考虑

CO2吸附装置的研制有两个关键：文丘里管的设计和CO2吸附剂的吸附效果。

本文所研制呼吸自救器的氧烛供氧流量约为4 L/min，文丘里管利用氧烛所产的O2射流作为推动头罩内气体循环的动力，而要带动的气体循环流量是50～55 L/min，由此可见文丘里管的抽吸比须＞1:12才能保证头罩内的 CO2体积分数＜1.5%。文丘里管的设计要考虑管径、膨胀比和氧烛的氧气发生器出气口尺寸等多个影响参数。

通用的CO2化学吸附剂有钠石灰和LiOH。钠石灰密度小，吸附效率低；LiOH密度大，吸附效率高。为了减小自救器产品体积，便于随身携带，本文选用LiOH作为吸附剂。循环气体流经LiOH吸附层，LiOH直接与CO2反应，清除CO2。循环气体经过吸附层后其剩余CO2的体积分数与LiOH和CO2反应的速度相关。

2.3 头罩的研制

头罩既是人呼吸气体的交换场所，同时又可以保护佩戴者的眼睛等头部重要器官。为此，头罩的设计要解决防护问题、呼吸吸空问题和气流循环问题。头罩采用双层设计，外层材料为表面镀铝芳纶，具有防辐射热和防火焰溅射击穿功能；内层为纯棉和发泡聚四氟乙烯复合材料，具有透水不透气功能，能使呼吸产生的水汽和头部汗液向外扩散，减少头罩内的水汽对呼吸和视窗的影响；同时阻止头罩内的气体同外界气体进行交换，防止有毒有害气体进入头罩。头罩的颈部采用弹性密封设计，密封材料具有高弹性、低模量、耐撕裂的特性，佩戴时脖颈压力小、舒适性好，且可以实现单一密封口径适合所有人群。根据中国人的头部样本统计数据，确定头罩内体积在容纳头部后还有 6 L的空余体积，以确保不出现吸空现象。头罩视窗材料为聚碳酸酯，抗冲击性能好；采用大视窗设计，确保视野开阔，不妨碍逃生观察。头罩内部采用优化气流设计，确保气体流通顺畅，及时带走呼吸水汽和CO2气体，提高CO2吸收效率和避免视窗结雾。头罩使用时可以清晰听见氧烛供氧的气流声，一旦气流声消声，即提醒佩戴人员氧烛供氧已完毕，需要尽快离开作业场所。

3 氧烛呼吸自救器各单元及整器的性能试验

3.1 氧烛的性能试验与结果评价

3.1.1 性能试验

氧烛制成后需要进行测试试验，其目的有两个：性能检验和氧烛的定型。启动氧烛发生化学反应；然后测试、记录氧烛制氧过程的质量变化，再将变化质量转换成供氧流量-时间曲线图，评价氧烛的性能；若性能不能满足技术指标要求，则根据曲线图调整各物质组成和配比，按同样的工艺制备氧烛药柱，再进行测试，最终确定氧烛物质构成。

氧烛药柱尺寸为φ36 mm×152 mm，氧烛产品尺寸为φ63 mm×220 mm。在-20 ℃、15 ℃、60 ℃等3种环境温度下，对氧烛进行了性能测试试验，测试结果见图3。

图3 氧烛供氧流量-时间曲线Fig. 3 Flow vs. time curve of oxygen candle’s oxygen supply

3.1.2 试验评价

试验显示，在-20～60 ℃范围内，本文所研制氧烛的供氧流量＞4 L/min、供氧时间＞15 min，满足BS EN13749[13]和ISO 23269-1[14]标准对采用氧烛供氧的呼吸自救器供氧速度和供氧时间的技术要求。自救器的供氧速度受环境温度影响较小，产品性能满足火灾自救要求，产品质量一致性好。

3.2 CO2吸附装置的性能试验与评价

3.2.1 性能试验

如果人体新陈代谢产生的 CO2得不到及时清除，导致头罩内气体的CO2体积分数增大，将直接威胁佩戴者的生命安全。因此，需要对CO2吸附装置进行测试。

如前所述，要求文丘里管的抽吸比＞1:12。不同喷嘴喉径的文丘里管的抽吸比测试结果见表1。

表1 不同喷嘴喉径文丘里管的抽吸比Table 1 Proportion of takeout & absorption for different nozzles diameters

采用市售的LiOH处理成不同粒度，测试不同粒度下LiOH对CO2的吸附效果，结果见表2。

表2 LiOH粒度对CO2吸附效果的影响Table 2 Adsorptions for different sizes of LiOH

3.2.2 试验评价

根据伯努利方程和流动连续性方程计算及试验改进，确定了文丘里管喉径尺寸在0.6～0.8 mm之间，O2流量≥4 L·min-1时，可使气体循环流量达55 L·min-1，且保证头罩内循环气体的CO2体积分数满足使用要求。

试验数据表明，LiOH的粒度越小，其表面积越大，则CO2同LiOH的反应速度越快，CO2吸附越多，头罩内循环气体的CO2体积分数就越小。但是，LiOH粒度越小，气体流经LiOH时的阻力越大，气体循环量变小，反而导致头罩内循环气体的CO2体积分数变大。LiOH粒度越大，颗粒间空隙越大，气体流速越快，CO2同LiOH的接触时间缩短，头罩内循环气体的CO2体积分数同样变大。

因此，经评价认为：在50 L·min-1的气体循环量下，粒度在8～12目之间的LiOH吸附CO2的能力可以满足呼吸自救器的技术要求。

3.3 氧烛呼吸自救器的性能测试

氧烛呼吸自救器的关键技术指标是O2体积分数、供氧时间、CO2体积分数。本文所研制的隔绝式氧蚀呼吸自救装置对照GA 411—2003《化学氧消防自救器》[15]、BS ISO 23269-1《Ships and marine technology―breathing apparatus for ships―Part 1:Emergency escape breathing device (EEBD)for shipboard use》[14]、BS EN 13794《Respiratory protective device―Self-contained closed-circuit breathing apparatus for escape―Requirements,testing, marking》[13]等相关标准规定的关键技术性能进行了试验分析，试验结果见表3。

表3 隔绝式紧急逃生呼吸保护装置供氧测试结果Table 3 Test results of self-contained breathing rescuer

从本产品的实测结果看，其防护时间、供氧流量和CO2体积分数等关键技术指标均达到国内、国际环境隔绝式紧急逃生呼吸保护装置行业标准的要求，能够满足人体紧急逃生时的呼吸需求。

3.4 应用试验

本文研制的氧烛呼吸自救器的携带质量为1.95 kg，包装体积为250 mm×220 mm×120 mm。选择3男1女共4名年龄在21～43岁之间的青壮年作为本产品的参试者，在实验室内佩戴自救器以尽可能大的速度跑动15 min后停止活动。15 min的跑步试验后，氧烛仍在产生 O2，头罩视窗清晰，参试者感觉到呼吸顺畅、没有呼吸阻力、不憋闷，吸入气体温度略有升高，但在人体可以接受范围内。试验验证了该装置使用简单，携带方便，使用过程无须双手协助，跑动时不会产生晃动，不影响人体的其他操作。

4 自救器用于空间站的可行性

根据前面对隔绝式氧烛呼吸自救器的性能测试评价以及应用试验，认为其各方面性能和指标均能满足空间站环境的使用要求。同时氧烛呼吸自救器体积小、重量轻，不会太多增加发射重量；且产品寿命期长、储存免维护，可大大减少后期维护保管工作。因此，适合作为载人航天器火灾时航天员隔绝式紧急逃生呼吸防护装置。后期需重点研究呼吸自救器与航天服、空间站内生命保障设备的兼容性，才能保证其充分发挥效能，切实保护航天员的生命安全。

5 结束语

本文研制的氧烛呼吸自救器的供氧时间、供氧流量和CO2体积分数均达到相关国内、国际标准的要求，可以满足人体逃离有毒有害环境时的呼吸要求。人体试戴感觉良好，产品相比较过氧化物自救器和压缩氧自救器有一定优势，适合用于空间站火灾逃生。

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