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弱浮力下过载电流时导线绝缘层着火先期特性的研究

汪凯  
【摘要】:随着载人航天事业的发展,载人飞行器的安全防火逐步受到重视。载人飞行器内部具有发生火灾的三要素:氧化剂(宇航员生存必须的氧气)、可燃物质(各种非金属材料)、潜在着火源(电气元件发生过载或短路)。同时,载人飞行器飞行处于微重力环境,空间气体的流动规律、内部电子器件的换热特征等与地面常重力环境不同。所以不能简单套用地面火灾预防、监测和灭火的方案。为满足载人飞行器中防火安全的需求,需探索微重力下火灾发生的着火先期征兆。然而,由于地面能获得的微重力实验时间有限,空间搭载实验费用昂贵,难以直接在微重力下研究各种材料的着火先期特性。 本文根据换热相似原理,采用两种实现弱浮力的方法,建立了地面弱浮力实验台,模拟微重力环境下材料着火前期特性:其一,降低实验舱压力,实现弱浮力环境,定义为“低压功能模拟法”;其二,搭建水平窄通道环境,使得通道内竖直方向的浮力作用削弱,定义为“窄通道模拟法”。本文针对载人航天器的典型电气元件——导线的着火前期特性进行实验研究,研究过载电流下压力和窄通道高度对导线绝缘层先期着火特性的影响。首先,根据“实践八号”卫星获得的长时间微重力环境下的导线实验结果,检验了低压功能模拟方法。结果表明,低压功能模拟方法所提供的弱浮力环境,能够反映出微重力下的导线绝缘层温升率和最终平衡温度。其次,基于该方法,在两种过载电流下分析压力大小对单根导线的着火先期特性的影响。最后,鉴于低压下,导线绝缘层化学反应受到限制,考虑提高氧气浓度进行实验。结果表明在压力降低到一定范围内,该方法可以克服低压的缺陷。 在论文第三章,进行了导线的窄通道模拟实验,结果表明随着窄通道高度的减小,导线绝缘层温升率和最终平衡温度增大。说明降低通道尺寸可以模拟出微重力下导线绝缘层着火先期征兆。但当窄通道尺寸过小时,存在壁面冷熄作用和氧气输运不足的限制。本文提出降低压力,提高窄通道尺寸的方法予以解决。实验结果表明,压力适度降低后,低压窄通道,可以较好地克服窄通道模拟的缺陷。 论文第四章,通过数值模拟方法,研究单根导线着火前期的温度变化特性。研究了压力、重力和窄通道高度对该特性的影响,并和前面导线的实验结果进行对比。结果表明,微重力下导线着火前期的温度变化特性可以由本文中两种弱浮力的方法模拟出来。 通过本文的研究,系统地分析了地面模拟微重力下材料的着火先期征兆的两种实验方法的有效性和适用范围,并尝试了一些改进。本文工作为检验微重力下材料的防火性能提供了一些有益的借鉴方法。


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