Вечером 11 июня планово сошел с орбиты и сгорел в атмосфере грузовой корабль Cygnus OA-7 «Джон Гленн». После отстыковки от МКС он провел неделю в свободном полете, запустил четыре кубсата и устроил пожар на борту. Точнее, это был эксперимент SAFFIRE-III — Spacecraft Fire Experiment (Эксперимент «огонь на корабле»). Третий по счету эксперимент был последним в серии и является отличным поводом поговорить об опытах с пламенем в невесомости.
Фотография Everyday Astronaut/Tim Dodd
Главная задача серии экспериментов SAFFIRE — сбор данных для создания компьютерных моделей распространения пламени по материалам, используемым на космических кораблях. Это позволит серьезно уменьшить опасность пожаров на кораблях будущего. На МКС по соображениям безопасности нельзя проводить большие эксперименты с горением, поэтому SAFFIRE зажигали в заполненном мусором грузовом корабле, который и так должен был скоро прекратить свое существование. Конструктивно SAFFIRE представляет из себя большой ящик, в котором в потоке воздуха от вентиляторов поджигаются образцы.
Внешний вид SAFFIRE, фото NASA
Схема эксперимента, рисунок NASA
В июне 2016, во время первого эксперимента серии, SAFFIRE-I, подожгли отрез ткани из смеси хлопка и стеклопластика размером 0,4х1 метр. Чтобы было понятно, насколько это много, предыдущий рекорд составлял 10 см. Для того, чтобы посмотреть на поведение огня в различных условиях, вентиляторы в процессе эксперимента меняли направление движения воздуха. А выглядело горение так:
В ноябре 2016, во втором эксперименте серии, SAFFIRE-II, сожгли девять небольших «карточек» из различных материалов, чтобы определить степень их огнестойкости и влияние толщины материала на распространение огня. На видео ниже показано горение оргстекла, из которого собираются делать иллюминаторы космических кораблей и термостойкого материала Nomex, использующегося и в земной спецодежде.
Ну и, наконец, в третьем эксперименте, прошедшем в начале июня, сожгли такое же полотно ткани, что и в первом, но при другой скорости воздушного потока. После первого эксперимента данные были введены в компьютерную модель, получены определенные результаты, и в третьем эксперименте проверялась предсказательная способность этой модели. Если скорость горения такого же материала при другой интенсивности обдува совпала с предсказанной компьютером, значит модель построили правильно.
В целом же было обнаружено, что пламя распространяется медленнее, чем ожидалось. Оценка скорости пламени по маленьким образцам, которые сжигались в других экспериментах раньше, оказалась завышенной в три раза. И это не является однозначно хорошим открытием — такое медленное пламя может производить меньше дыма, из-за чего пожар могут обнаружить и начать устранять позже.
Почему образцы сжигались в условиях обдува воздухом? Дело в том, что в пилотируемых кораблях обязательно работают вентиляторы, чтобы в воздухе, который не перемешивается в невесомости из-за отсутствия конвекции, не возникли потенциально опасные для человека локальные концентрации углекислого газа.
Программа SAFFIRE не закончена, в процессе разработки находятся эксперименты IV-VI.
Несмотря на серьезные ограничения безопасности, на МКС хватает того, что можно зажечь с одобрения ЦУПа. Для того, чтобы ситуация не вышла из под контроля, на станцию еще в 2002 году привезли специальную перчаточную камеру MSG — Microgravity Science Glovebox.
Наземный аналог для тренировки, фото ЕКА
В MSG есть немаленький изолированный объем, который используют для безопасной работы с жидкостями, опасными веществами и огнем. При необходимости в камере можно даже создать пониженное давление, чтобы в случае аварийной разгерметизации содержимое не стало разлетаться. И в ней проводятся несколько экспериментов, связанных с огнем.
BASS — The Burning and Suppression of Solids («Горение и тушение твердых тел») занимается вопросами горения различных материалов. Исследуются плоские образцы 10 см х 1 или 2 см, стержни и части сферы. Именно в этом эксперименте жгли оргстекло и хлопок со стеклопластиком, данные по горению которых уточняет SAFFIRE. Удается получить не только интересную информацию о поведении горящих материалов в невесомости, но и просто восхитительные фотографии:
Здесь и далее фото NASA
SPICE — Smoke Point in Coflow Experiment («Эксперимент максимальной высоты некоптящего пламени в спутной струе») исследует момент, когда газовое пламя начинает образовывать сажу. Это должно быть полезным для изучения распространения огня и механизмов образования сажи при горении материалов в невесомости. Развитием SPICE является эксперимент SLICE.
Эксперименты SAME и SAME-R изучают распространение дыма и проверяют работу датчиков дыма.
В целом за несколько лет количество проведенных экспериментов исчисляется сотнями.
Оборудование эксперимента FLEX
Отдельная установка была доставлена на МКС для эксперимента FLEX — FLame Extinguishment Experiment (Эксперимент «Тушение огня»). Он изучает горение жидкого топлива в условиях различного атмосферного давления и с возможным присутствием в воздухе углекислоты или гелия. Именно в этом эксперименте были получены своеобразные «огненные медузы», которые по принципу функционирования скорее всего близки к пульсирующему воздушно-реактивному двигателю.
Наглядная схема работы установки и «медуза».
Также интересно отметить, что в некоторых случаях во время эксперимента появлялось холодное пламя. Обычное пламя при горении углеводородов производит сажу, диоксид углерода и воду. В холодном же пламени образуются угарный газ и формальдегид. Теоретически, полученные знания о холодном пламени могут помочь создать в будущем более эффективные двигатели внутреннего сгорания.
Справа — свеча, горящая в земных условиях
По данным энциклопедии «Мировая пилотируемая космонавтика» первую свечу в невесомости попробовали зажечь в 1992 году в миссии шаттла STS-50. Свеча загорелась, но из-за отсутствия конвекции пламя получилось круглым и другого цвета. Примерно 80 свечей сожгли на станции «Мир». Без притока воздуха из-за конвекции пламя может получать кислород только благодаря диффузии и обычно гаснет достаточно быстро из-за обеднения кислородом воздуха в непосредственной близости. Но, по некоторым источникам, рекорд длительности горения составил 45 минут вместо 10 в земных условиях.
Пламя получалось настолько бледным, что 35-мм камере пришлось делать фотографии вместо видео. Хорошо, что фото- и видеотехника с тех пор сильно шагнули вперед.
Про миссию шаттла STS-75 я рассказывал уже три раза. Им «повезло» еще за много лет до старта — в фейке про якобы эксперименты с сексом в космосе был именно их номер. Именно они запускали «спутник на веревочке», и кадры съемок этого спутника были приняты за НЛО. И один из экспериментов с пламенем в невесомости был проведен как раз в этом полете. Член экипажа Джеффри Хоффман пошутил:
В распоряжении экипажа была небольшая перчаточная камера, в которой зажгли обычную свечку для праздничного торта и сожгли несколько бумажных образцов. На послеполетной пресс-конференции об экспериментах с пламенем начинают рассказывать с 8:17. Любопытно, что, когда поток воздуха шел справа налево, кусок бумаги вправо горел быстрее, чем влево, что противоречит земному опыту. На 11 минуте очень красиво выглядят расходящиеся участки тления бумаги, один из астронавтов даже пошутил «не позволяйте этому вырваться из клетки».
Единственный настоящий пожар в невесомости произошел 23 февраля 1997 года на станции «Мир» — загорелась шашка регенерации кислорода.
Шашки регенерации, фото NASA
Обгоревшая шашка
Огонь горел примерно 90 секунд, не нанес критических повреждений, но большие проблемы доставило задымление — не было понятно, насколько безопасно находиться на станции. Космонавты сначала надели изолирующие противогазы, но у них был ограничен ресурс, и вскоре пришлось рискнуть и снова начать дышать воздухом станции. Уже потом на земле сожгли десятки шашек из этой партии, но не смогли повторить проблему, похоже, к пожару привел единичный дефект.
Об аварии был снят очень неплохой фильм.
Чем больше образцов сожгут на орбите во имя науки, тем меньше вероятность возникновения реального пожара и больше шансов, что его вовремя заметят и быстро ликвидируют. А бонусом к научным данным идут потенциально полезные на Земле знания и шикарные фотографии и видео.
Фотография Everyday Astronaut/Tim Dodd
Пожар на свалке
Главная задача серии экспериментов SAFFIRE — сбор данных для создания компьютерных моделей распространения пламени по материалам, используемым на космических кораблях. Это позволит серьезно уменьшить опасность пожаров на кораблях будущего. На МКС по соображениям безопасности нельзя проводить большие эксперименты с горением, поэтому SAFFIRE зажигали в заполненном мусором грузовом корабле, который и так должен был скоро прекратить свое существование. Конструктивно SAFFIRE представляет из себя большой ящик, в котором в потоке воздуха от вентиляторов поджигаются образцы.
Внешний вид SAFFIRE, фото NASA
Схема эксперимента, рисунок NASA
В июне 2016, во время первого эксперимента серии, SAFFIRE-I, подожгли отрез ткани из смеси хлопка и стеклопластика размером 0,4х1 метр. Чтобы было понятно, насколько это много, предыдущий рекорд составлял 10 см. Для того, чтобы посмотреть на поведение огня в различных условиях, вентиляторы в процессе эксперимента меняли направление движения воздуха. А выглядело горение так:
В ноябре 2016, во втором эксперименте серии, SAFFIRE-II, сожгли девять небольших «карточек» из различных материалов, чтобы определить степень их огнестойкости и влияние толщины материала на распространение огня. На видео ниже показано горение оргстекла, из которого собираются делать иллюминаторы космических кораблей и термостойкого материала Nomex, использующегося и в земной спецодежде.
Ну и, наконец, в третьем эксперименте, прошедшем в начале июня, сожгли такое же полотно ткани, что и в первом, но при другой скорости воздушного потока. После первого эксперимента данные были введены в компьютерную модель, получены определенные результаты, и в третьем эксперименте проверялась предсказательная способность этой модели. Если скорость горения такого же материала при другой интенсивности обдува совпала с предсказанной компьютером, значит модель построили правильно.
В целом же было обнаружено, что пламя распространяется медленнее, чем ожидалось. Оценка скорости пламени по маленьким образцам, которые сжигались в других экспериментах раньше, оказалась завышенной в три раза. И это не является однозначно хорошим открытием — такое медленное пламя может производить меньше дыма, из-за чего пожар могут обнаружить и начать устранять позже.
Почему образцы сжигались в условиях обдува воздухом? Дело в том, что в пилотируемых кораблях обязательно работают вентиляторы, чтобы в воздухе, который не перемешивается в невесомости из-за отсутствия конвекции, не возникли потенциально опасные для человека локальные концентрации углекислого газа.
Программа SAFFIRE не закончена, в процессе разработки находятся эксперименты IV-VI.
Порежь басы с пряностями
Несмотря на серьезные ограничения безопасности, на МКС хватает того, что можно зажечь с одобрения ЦУПа. Для того, чтобы ситуация не вышла из под контроля, на станцию еще в 2002 году привезли специальную перчаточную камеру MSG — Microgravity Science Glovebox.
Наземный аналог для тренировки, фото ЕКА
В MSG есть немаленький изолированный объем, который используют для безопасной работы с жидкостями, опасными веществами и огнем. При необходимости в камере можно даже создать пониженное давление, чтобы в случае аварийной разгерметизации содержимое не стало разлетаться. И в ней проводятся несколько экспериментов, связанных с огнем.
BASS — The Burning and Suppression of Solids («Горение и тушение твердых тел») занимается вопросами горения различных материалов. Исследуются плоские образцы 10 см х 1 или 2 см, стержни и части сферы. Именно в этом эксперименте жгли оргстекло и хлопок со стеклопластиком, данные по горению которых уточняет SAFFIRE. Удается получить не только интересную информацию о поведении горящих материалов в невесомости, но и просто восхитительные фотографии:
Здесь и далее фото NASA
SPICE — Smoke Point in Coflow Experiment («Эксперимент максимальной высоты некоптящего пламени в спутной струе») исследует момент, когда газовое пламя начинает образовывать сажу. Это должно быть полезным для изучения распространения огня и механизмов образования сажи при горении материалов в невесомости. Развитием SPICE является эксперимент SLICE.
Эксперименты SAME и SAME-R изучают распространение дыма и проверяют работу датчиков дыма.
В целом за несколько лет количество проведенных экспериментов исчисляется сотнями.
Медуза из пламени
Оборудование эксперимента FLEX
Отдельная установка была доставлена на МКС для эксперимента FLEX — FLame Extinguishment Experiment (Эксперимент «Тушение огня»). Он изучает горение жидкого топлива в условиях различного атмосферного давления и с возможным присутствием в воздухе углекислоты или гелия. Именно в этом эксперименте были получены своеобразные «огненные медузы», которые по принципу функционирования скорее всего близки к пульсирующему воздушно-реактивному двигателю.
Наглядная схема работы установки и «медуза».
Также интересно отметить, что в некоторых случаях во время эксперимента появлялось холодное пламя. Обычное пламя при горении углеводородов производит сажу, диоксид углерода и воду. В холодном же пламени образуются угарный газ и формальдегид. Теоретически, полученные знания о холодном пламени могут помочь создать в будущем более эффективные двигатели внутреннего сгорания.
Свечи перед пультом
Справа — свеча, горящая в земных условиях
По данным энциклопедии «Мировая пилотируемая космонавтика» первую свечу в невесомости попробовали зажечь в 1992 году в миссии шаттла STS-50. Свеча загорелась, но из-за отсутствия конвекции пламя получилось круглым и другого цвета. Примерно 80 свечей сожгли на станции «Мир». Без притока воздуха из-за конвекции пламя может получать кислород только благодаря диффузии и обычно гаснет достаточно быстро из-за обеднения кислородом воздуха в непосредственной близости. Но, по некоторым источникам, рекорд длительности горения составил 45 минут вместо 10 в земных условиях.
Пламя получалось настолько бледным, что 35-мм камере пришлось делать фотографии вместо видео. Хорошо, что фото- и видеотехника с тех пор сильно шагнули вперед.
Секс, НЛО и пиромания
Про миссию шаттла STS-75 я рассказывал уже три раза. Им «повезло» еще за много лет до старта — в фейке про якобы эксперименты с сексом в космосе был именно их номер. Именно они запускали «спутник на веревочке», и кадры съемок этого спутника были приняты за НЛО. И один из экспериментов с пламенем в невесомости был проведен как раз в этом полете. Член экипажа Джеффри Хоффман пошутил:
Еще в бойскаутах я отличался пироманией. Я люблю пламя, а в невесомости оно ведет себя поразительно, совсем иначе [чем на Земле]
В распоряжении экипажа была небольшая перчаточная камера, в которой зажгли обычную свечку для праздничного торта и сожгли несколько бумажных образцов. На послеполетной пресс-конференции об экспериментах с пламенем начинают рассказывать с 8:17. Любопытно, что, когда поток воздуха шел справа налево, кусок бумаги вправо горел быстрее, чем влево, что противоречит земному опыту. На 11 минуте очень красиво выглядят расходящиеся участки тления бумаги, один из астронавтов даже пошутил «не позволяйте этому вырваться из клетки».
В боевых условиях
Единственный настоящий пожар в невесомости произошел 23 февраля 1997 года на станции «Мир» — загорелась шашка регенерации кислорода.
Шашки регенерации, фото NASA
Обгоревшая шашка
Огонь горел примерно 90 секунд, не нанес критических повреждений, но большие проблемы доставило задымление — не было понятно, насколько безопасно находиться на станции. Космонавты сначала надели изолирующие противогазы, но у них был ограничен ресурс, и вскоре пришлось рискнуть и снова начать дышать воздухом станции. Уже потом на земле сожгли десятки шашек из этой партии, но не смогли повторить проблему, похоже, к пожару привел единичный дефект.
Об аварии был снят очень неплохой фильм.
Заключение
Чем больше образцов сожгут на орбите во имя науки, тем меньше вероятность возникновения реального пожара и больше шансов, что его вовремя заметят и быстро ликвидируют. А бонусом к научным данным идут потенциально полезные на Земле знания и шикарные фотографии и видео.
Поделиться с друзьями
Meklon
Вдруг подумал, что в невесомости можно делать идеальные сферы из расплавленных металлов, стекла и других материалов. Причем в довольно неплохом вакууме. Идеальная поверхность за счёт медленного остывания и поверхностного натяжения
lozga
По идее, да, но для каких задач нужны именно сферы? Для телескопов, например, нужны параболические зеркала.
Mikeware
Надо написать в госдуму, они примут новый закон отражения… и можно будет использовать сферические вместо параболических…
ilyaplot
Наличие закона и его исполнение — совершенно разные вещи.
LanMaster
Когда это останавливало законотворца?
Mikeware
орбитальный завод шариков для подшипников…
voyager-1
Мини-завод по производству гироскопов для кубсатов на МКС — сразу и производство, и сбыт. Или высокоточные эталоны веса. Ну и шарикоподшипники — тоже вариант, если удастся подобрать какой-нибудь износостойкий материал, который другим способом — сложно будет обрабатывать.
Meklon
Чистый вольфрам?)
Sleepwalker_ua
а почему бы и нет? Можно еще его карбид использовать в принципе. Правда, он относительно хрупкий, но при этом весьма и весьма твердый, + коррозионная устойчивость весьма на уровне. Шарики для шариковых ручек из него вроде делают, для некоторых… Но не уверен, т.к. инфа пару раз мелькала в сомнительных источниках. Обработка этого материала нетривиальна и по сути возможна только алмазом и подобными вещами, что недешево и долго. Может, в космосе такие подшипники клепать действительно будет выгодно в обозримом будущем.
killik
Порошок для 3D принтеров же.
maxivanuk
Объективы камер, например… У нас используются купольные колпаки для подводных камер — чем ровнее колпак, тем меньше искажений на картинке… Сейчас изготавливаются методом прессования и последующей механической и химической обработки (обтачиваются на фрезерном станке и оплавляются кислотой). Всё это приводит к неизбежным механическим повреждениям и микротрещинам, что впоследствии приводит к разрушению колпака на больших глубинах (6 км). Плоско-параллельные иллюминаторы не дают такого угла обзора для камеры, как купольные. Но купол должен быть идеальным, чтобы не происходили геометрические искажения…
iig
Подумалось… Ведь искажения они же статические? Измерить заранее и компенсировать при обработке изображения?
maxivanuk
Для каждого колпака мерять??? И для каждой камеры?? Слишком много факторов… Проще сделать колпак нормальным :)
Ну и в продолжение темы, про стеклянные шарики — у нас плавучести изготавливаются из материала «Синтактик», который суть есть мелкие стеклянные сферы внутри специальной эпоксидки. Производитель нормирует потери плавучести из-за разрушения этих сфер. Следовательно, рано или поздно приходится заменять эти плавучести, либо убирать балластные грузы, что негативно сказывается на характеристиках устойчивости подводного аппарата. Если бы сферы были идеальные, эти характеристики, думается мне, были бы выше… Но предполагаю, что цена таких материалов взлетела до небес — свозить стекло в космос, а затем привезти оттуда шарики достаточно накладно :)
Так что нужно надеятся только на снижение издержек на полёты в космос…
iig
Назовем это калибровкой ;). Кстати, ни у одного живого организма в глазах не используются ни идеальные линзы, ни идеальные светочувствительные матрицы. Программная коррекция спасает. ;)
unclejocker
А в чем проблема сетку снять через конкретный купол конкретной камерой?
При наличии софта, дальнейшая калибровка — секундное дело.
Meklon
Выше уже отписались о вариантах. Мне в голову приходят особо высокоточные линзы для микроскопов, например.
DaylightIsBurning
А зачем такие линзы нужны? Разве сейчас разрешение микроскопа не в дифракционный барьер упирается?!
Meklon
Как выглядит расплавленный металл в космосе?
LynXzp
betrachtung
Эти сферы ещё тридцать лет назад продавались. Правда, микроскопические.
hungry_ewok
С идеальными проблемно будет, на самом-то деле. Будет мешаться усадка, бо остывание с поверхности вглубь всегда хоть немного а «ведет», да и обеспечить расплавление в вакууме и невесомости не получив в нагрузку возмущения в расплаве от течений/реактивной силы тоже задачка не из простых…
Sleepwalker_ua
Индукционный нагрев. В т.ч. реализуем и левитационный, когда расплав удерживается силами ЭМП четко в центре цилиндра индуктора (во всех трех плоскостях). Высокий кпд, универсальность, удобство регулирования температуры, возможность закалки ТВЧ отдельных узлов, широкий диапазон температур…
hungry_ewok
Вот как раз у индукционного нагрева, емнимс проблема с наведенными в расплаве течениями. А для идеального — нам надо чтобы внутри расплава ничего не двигалось.
Sleepwalker_ua
Ну, индукционный нагрев позволит снижать температуру плавно, тем самым постепенно сводя внутренние напряжения на нет. Насколько я помню из учебников (не металлург, но эту тему затрагивали достаточно основательно), то основная причина внутренних напряжений — неравномерный нагрев и неравномерное охлаждение. Если постепенно снижать мощность на индукторе, то заготовка будет постепенно остывать, внутренние «течения» замЕдлятся вплоть до полной остановки на пределе текучести металла при данной температуре, ну а дальше можно уже и закалку сразу делать, например.
Nepherhotep
А что, дробь до сих пор производят капая свинец из высокой башни.
ababich
"Почему образцы сжигались в условиях обдува воздухом? Дело в том, что в пилотируемых кораблях обязательно работают вентиляторы, чтобы в воздухе, который не перемешивается в невесомости из-за отсутствия конвекции, не возникли потенциально опасные для человека локальные концентрации углекислого газа."
++
Основная причина — без обдува оно не горит :)
Ну кислород вокруг выгорел, а при отсутствии конвекции "свежий" кислород не подходит.
lozga
Про диффузию, упомянутую ниже, забыли. Плюс, распространение пламени может быть по материалу и без обдува.
ababich
подозреваю, что без обдува пламя быстро гаснет, то есть до диффузии (с ее мизерной скоростью) или до движения пламени по материалу дело просто не дойдет,
пишут, что во время экспериментов пламя переходило в категорию "холодного горения", но и это продолжалось не долго — гасло
Adokelv
Зажгли так зажгли. Спасибо за интересную статью!
extempl
После просмотра видео какие-то неоднозначные впечатления. Столько аварий подряд, десятки пробоин в системе кондиционирования – "ну видите как, неудивительно, станция же старая" – как вообще можно допускать эксплуатацию пилотируемой станции если она отслужила свой срок? Это не беспилотный марсоход.
На счёт грузовика, который не останавливаясь набирает скорость, по идее решение только одно — аварийный отвод в сторону сильным импульсом, без попытки состыковки со станцией с 1.5мм стенками.
Почему не было аварийных прокси-каналов связи через другие страны, почему только над Россией? Политический аспект? Но ведь на станции американец.
Вот как-то не возникает чувства гордости, или что там должно было возникнуть.
voyager-1
Набор скорости — уже предполагал не верную ориентацию грузовика, импульсом «в бок» — мог оказаться дополнительным импульсом прямо в станцию. Хотя где-то в начале развития событий — наверно можно было успеть отключить все двигатели и сориентироваться.
Связь — скорее всего была. Только по поводу ремонта — подсказать могли только из ЦУПа в Королёве, так как у американского ЦУПа — ни чертежей станции, ни даже информации об общей её компоновке — скорее всего не было. А вот передавать важную информацию об устройстве станции, по открытому каналу через чужой ЦУП — скорее всего действительно секретность не позволяла.
А почему от просмотра любого фильма должно чувство гордости возникать? Аполлон-13 — тоже как-то чувства гордости не вызывает: это скорее документальные фильмы, и возможно — поучение для будущих инженеров/конструкторов. Нельзя же людей только «патриотическими» фильмами про вторую мировую войну пичкать.