基于特征气体检测的空间站火灾预警策略研究

任小孟，巴剑波∗，姜 萌

(1.海军医学研究所，上海200433；2.北京航天控制仪器研究所，北京100039)

1 引言

载人空间站空间狭小、设备密集，长时间连续运行可能因电路过热而引发火灾，对空间站及航天员安全造成极大威胁。据NASA公布的数据，其在1981年至1994年进行的50次飞行中，就发生了5次火灾相关事故[1]。为及早发现火情，空间站中一般装备火灾预警系统，但由于空间站处于失重条件，环境影响因素多，传统的基于能量、烟雾检测原理的火灾报警仪普遍存在虚警率高、预警滞后等问题[2-3]。

20世纪60年代，NASA提出了通过检测特征气体来预测空间站火灾的设想，但由于当时气体检测技术的限制未最终实施[4]。2006年美国RICE大学在约翰逊空间中心以及加州喷气推进实验室资助下，研发了可检测CO、HCN、HCl和CO2的空间站火灾早期预警装置[5]。现有研究大多以模拟明火燃烧为对象，但非金属材料火灾早期高温状态下释放特征气体种类及其与火灾关系不明确。我国在天宫系列实验舱中装备了基于光谱吸收原理的气体检测装置，由于上述原因暂未作为火灾预警的手段[6]。

本文测定4种空间站用典型非金属材料高温释放CO2、CO、HCl和HCN气体，分析受热温度、火灾阶段、气体浓度之间的关系，提出火灾预警策略，为空间站火灾预警提供科学依据。

2 材料与设备

2.1 试验材料

选择美塔斯布(墙面装饰材料)、RTV21胶(粘合剂)、阻尼材料(地板材料)、ATUM热缩套管(线缆包覆材料)等4种空间站典型非金属材料，分别以 a、b、c、d 代表，按照式(1)的舱容比计算得到试验所使用非金属材料的量分别为14 g、1 g、2 g、0.3 g。

式中，m1为每种非金属材料在空间站的实际使用量，V1为空间站容积，m2为每种非金属材料的试验用量，V2为密闭试验舱容积。

2.2 试验设备

搭建了具有加热和控温功能的试验装置，其原理示意图如图1所示。利用加热管模拟空间站受热点，控制升温速度约50℃/min，利用密闭实验舱模拟空间站舱室，实现释放气体的扩散，参考模拟仿真研究结果[7]，将加热点与检测点距离设定为50 cm。利用美国TSI公司的9565-X型风速仪定量检测CO和CO2，XLA-BX-HCl和XLA-BXHCN型电化学气体分析仪分别定量检测HCl和HCN，同时利用Bruker Optics公司的傅里叶红外光谱仪对气体进行定性分析和验证。

图1 试验装置原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

3 结果与分析

3.1 材料性状变化对比

对4种非金属材料分别在试验装置中进行高温加热，加热前后样品形态对比如图2所示。由对比图可以看出，经过加热，4种材料从形态上均已发生改变，美塔斯布完全碳化，RTV21胶和阻尼材料转变为白色颗粒状物质，热缩套管变为黄色粉末。上述情况说明材料分解充分，气体释放过程可以较真实地反映整个受热和燃烧过程。

图2 材料加热前后外观对比图Fig.2 Contrast of material appearance before and after heating

3.2 红外光谱分析

选取了4种非金属材料加热过程中的典型红外谱图(图3)，进行了对比分析。由光谱图看出，对于美塔斯布，当加热温度上升至364℃时，2170 cm-1处开始出现吸收峰(图中圆圈)，说明有CO释放；当温度上升至467℃时，3110 cm-1处出现吸收峰，HCN开始出现；当温度上升至494℃时，材料基本已碳化。对于RTV21胶，当加热温度为288℃时，开始有CO释放；加热温度上升至398℃时，2970 cm-1处出现吸收峰，HCl开始释放；加热至481℃时，RTV21胶开始燃烧。对于阻尼材料，当加热温度上升至约383℃时，CO开始出现，当加热温度为约520℃时，阻尼材料开始燃烧。对于热缩套管，当加热温度分别约为312℃和383℃时，CO和HCN分别开始出现，温度上升至625℃左右时，热缩套管材料已完全变为粉末。

3.3 同种材料释放不同气体对比分析

为研究受热温度与释放气体浓度的关系，对整个加热过程中CO、CO2、HCN等特征气体浓度进行了定量分析，得到结果如图4。

图3 材料加热过程中的红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of materials during the heating process

图4 材料高温释放气体曲线图Fig.4 Graph of released gases when materials were heated

通过对比看出，虽然由于材料成分、结构不同，不同非金属材料高温释放的气体种类、气体浓度和释放温度存在差异，但4种材料温度-气体曲线相似的形态表明其受热过程存在共同特征，主要可归纳为以下3点：①随着加热温度的上升，所有非金属材料释放气体的量均有增加；②在特征气体释放的初始阶段，其浓度升高速率均较慢，当加热温度上升到一定程度，气体浓度的增长速率均会明显增大；③随加热温度的上升，4种非金属材料所释放气体的先后顺序均为CO、CO2、HCN或HCl。

4种材料受热释放气体与温度的关系如表1所示。结合表中数据分析，4种材料的分解过程可划分为以下4个阶段：①温度为约300℃以下时，材料未发生分解，无气体释放，此为材料稳定段；②温度继续升高，材料开始发生分解，CO浓度逐步升高并出现明显拐点，此为材料初始分解段；③温度升高至约500℃以下时，HCl和HCN等气体开始出现，说明材料发生了剧烈分解反应，此为材料深度分解段；④温度为500℃以上时，材料完全碳化或燃烧，为材料燃烧段。由此可见，材料初始分解段是特征气体开始出现的阶段，深度分解段是特征气体大量释放的阶段，对该两阶段即300℃～500℃气体进行监测是实现空间站早期预警的关键。

表1 材料受热释放气体与温度关系Table 1 Relationship between temperature and released gases /(℃)

3.4 不同材料释放同种气体对比分析

对4种非金属材料受热释放气体情况进行进一步分析，如图5所示。

由图中曲线看出，在一定温度条件下，不同非金属材料释放同种气体的差异性较大，例如对于CO2来说，热缩套管完全碳化时释放的浓度高于2000 ppm，而阻尼材料和RTV21胶释放的浓度仅为约600 ppm；与此类似，热缩套管在加热过程中释放的CO气体浓度很快超过500 ppm，美塔斯布完全碳化时，释放的CO浓度也大于500 ppm，而RTV21胶和阻尼材料直至燃烧，其释放的CO浓度仅为200 ppm和350 ppm左右。由此可见，由于不同材料释放气体的差异性比较大，单纯以某个气体单个点的浓度作为预测火灾的指标具有很大的不确定性，需要结合气体浓度的变化过程进行综合判断。

图5 不同非金属材料释放同种气体对比Fig.5 Comparison of the same gases released from different non-metal materials

4 火灾预警策略研究

4.1 特征气体的选择

经过以上对比分析发现，选择合适的特征气体，结合受热温度与气体浓度的关系，是得到科学可靠火灾预警策略的关键。研究表明，火灾一般可分为正常期、阴燃期、发展期、燃烧期四个阶段，如图6所示[8]。其中，正常期代表材料未受热或受热温度较低，不释放气体；阴燃期代表材料受热温度较高，已使材料发生了缓慢分解，已开始释放少量气体；发展期代表材料受热温度高，材料发生快速剧烈分解，出现大量气体释放；燃烧期代表已出现明火或材料完全碳化，气体释放量进一步增多，这一结论与3.3节中得到的试验结果相一致。

图6 火灾阶段示意图Fig.6 Schematic diagram of fire phases

非金属受热释放的气体种类很多，用来预测火灾的特征气体必须满足特征性强、浓度变化规律性强、与火灾过程匹配度高等一系列特点，以降低误报率。经过分析发现，CO气体满足上述要求，是空间站火灾预测的理想特征气体，其主要优势体现在以下4个方面：

1)CO来源较为单一，特征性强。实验结果显示CO2与CO均具有较强的火灾特征，但是在空间站这种环境中，CO2受人员呼吸影响很大，会造成误报率增加，HCl、HCN等气体并非所有火灾均会产生，而高浓度的CO仅可能来自非金属材料受热或燃烧，火灾特征性十分明显，选择CO作为预测火灾特征气体可有效降低误报。

2)CO出现早，满足火灾早期预测需求。HCl、HCN等气体只有在材料受热温度较高的情况下才会出现，此时材料热分解速度已急剧升高，若以该类气体作为预测火灾的特征气体，则会大大缩短人员发现并控制火灾的时间，降低抑制早期火灾的几率。相比于其他气体，CO在材料受热早期约300℃即普遍有释放，选择CO作为特征气体可在火灾早期阶段即可发现火灾隐患，增加人员识别和处理火情的时间，实现火灾早期预警。

3)CO变化规律性强，与火灾过程匹配度好。CO在火灾的整个过程中始终持续产生，且浓度随火灾进程的推进而不断升高，按照四阶段划分，CO浓度变化的规律性较强，可实现浓度变化与火灾阶段的较好匹配。

4)CO浓度相对较高。研究数据表明，材料受热所释放的CO浓度基本都在数百ppm数量级，相比于HCN、HCl等低浓度气体，对检测技术的要求明显降低，适用于空间站这种维修保养困难的场合使用。

综合以上原因，选择CO作为预测早期火灾的主要特征气体，HCl、HCN为辅助特征气体是较为合理的方案。

4.2 火灾预警策略的制定

火灾预警策略的制定要结合特征气体种类和浓度、气体与燃烧过程关系多方面因素，特别是特征气体浓度增长速率是指示火灾阶段的重要指标。选取4种材料受热过程的CO释放曲线，分析了发展期的斜率(图7)，作为制定预警策略的依据。

图7 火灾发展期CO增长斜率图Fig.7 Graph of CO growth slope in the fire development phase

由分析结果看出，4种材料在火灾发展期CO浓度增长的斜率分别为10.01、1.7405、1.0513、6.4071。按照不能漏报的原则，应选择最小斜率值，认为选择斜率k＝1是较合理的。根据上述分析，制定火灾预警策略如表2所示。

表2 空间站火灾预警策略表Table 2 Fire warning strategies in the space station

根据这一预警策略，在实际操作中，CO、HCl、HCN等特征气体浓度均为0时可判定为处于正常期。燃烧期的判别也相对简单，主要取决于CO浓度，对4种非金属材料受热释放CO的浓度分析发现，当出现明火或材料碳化时，不同材料释放的CO浓度虽存在差异，但基本都在200 ppm以上，因此选择200 ppm作为进入燃烧期的判断参数。对于阴燃期和发展期来说，主要判断指标是CO浓度增长的速度，当出现低浓度CO且单位时间内的增长斜率k＜1时，可认为其处于阴燃期，以间歇性声光报警提示航天员进行检查以消除火灾隐患；当增长斜率k＞1或HCl、HCN气体出现时，可认为火灾处于发展期，以较急促声光报警提示航天员立刻停止其他工作，进行全面排查并做好应对火灾准备。

5 结论

1)非金属材料的气体释放量和释放速率均随受热温度的上升而升高，且在一定温度出现明显拐点，是判断火灾阶段的重要依据。

2)不同非金属材料受热释放气体的种类、速率、浓度存在差异，但CO的释放与火灾过程匹配度高，具有特征性强、出现早、浓度相对较高等优势，是预测火灾的主要指标性气体；HCN、HCl等气体作为非金属材料深度分解的产物，可作为辅助性标志气体。

3)结合CO释放曲线所得到的空间站火灾预警策略，充分考虑了空间站的实际需求，直接提示火灾所处阶段，有望为实现高效预警、减少误报虚报提供有效技术手段。