유인 우주 가압모듈 환경에서 열관성이낮은 고체가연물의 화염전파 특성

Abstract

In the present study, a flame spread over thermally-thin optical fiber was experimentally investigated in a quiescent environment. An optical fiber with thin combustible (polyethylene) layer was used as solid fuel. Noting that changes in gravity are essential during the manned space exploration to Mars, the effects of gravity on flame spread were investigated using a series of parabolic flight campaigns provided by Zero G company. Parabolic flights provide approximately 20 second periods of reduced gravity ranging from Mars gravity to Microgravity. In addition to the effect of changes in gravity, influences of diluent gas such as nitrogen (N2), helium (He) and carbon dioxide (CO2) at elevated oxygen and reduced atmospheric pressure conditions were examined to simulate the cabin atmospheric environment of pressurized module for manned space flight. Experimental results shows that the flame spread rate is enhanced as the gravitational acceleration around the optical fiber is reduced due to reductions in the convective heat loss which enhances the heat transfer from flame front to fiber surface. Similarly, decreases in the atmospheric pressure are found to boost the flame spread rate by reducing Gr number and thus suppressing the convective heat loss. The observed flame spread rate in O2-CO2 atmospheres is always lower compared to O2-N2 and O2-He atmospheres. These experimental findings provide important foundational understanding of the influence of gravity, atmospheric pressure, and diluent gas on the flame spread over thermally-thin combustibles that has not been studied previously.|아폴로 1호와 Mir호 화재 사고의 교훈을 통해 학습한 바와 같이 유인우주 가압모듈에서 발생한 화재는 선실 내부의 환경(압력, 산소 농도 등)과 결부되어 성장하게 된다.국제우주정거장(ISS)과 Mir호와 같이 일정 규모의 이상의 유인 우주 가압모듈을 제외하고는 낮은 선실 압력과 높은 산소농도를 유지하고 있다. 특히 유인 화성탐사에 사용될 가압 모듈환경은 초기 아폴로 선실환경과 유사할 것으로 예상된다. 따라서 유인우주 가압모듈에 발생될 수 있는 화재가 성정하는 과정을 이해하기 위해서는 고산소, 저기압 환경에서의 기초연구가 반드시 선행되어야 한다. 아울러 유인 화상탐사 과정 중 우주인이나 승선한 승무원들은 물론 가압모듈 내부에 탑재되어 있는 모든 물체는 중력의 변화를 겪게 된다. 지구 중력장에 발사되어 화성까지 도달하기 전까지는 마이크로중력환경이 지배적인 영향을 미치며, 화성 중력권에 진입하게 되면 화성중력에 의해 물리적 현상이 영향받게 된다. 따라서 유인우주 가압모듈에서의 화재 현상은 앞서 기술한 선실의 산소농도나 압력의 변화는 물론 중력의 변화와도 연관지어 살펴보았다.