ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ НА БОРТУ МКС

© С.Б.Пичугин
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2018 г.

Рассматриваются два поколения исследований процессов горения на борту МКС с применением лабораторной установки CIR. Анализируется научно-техническая ситуация в исследованиях процессов горения в условиях микрогравитации.

В ходе экспедиций МКС 50-51, а также МКС 54-55 и на текущем этапе проводились и продолжают проводиться на борту МКС эксперименты, связанные с исследованием горения в условиях невесомости и микрогравитации. Завершённые исследования в рамках космического эксперимента (КЭ) «Зарево» позволили обозначить интересные направления исследований и продолжить их в рамках серии КЭ «АКМЕ». В настоящее время в рамках этой серии исследований предстоит осуществить большой объём работы и выбрать наиболее перспективные направления для дальнейшего детального изучения.

В ходе экспедиций МКС 50-51 проводился совместный российско-американский космический эксперимент «Зарево» (в английской интерпретации «Cool Flames Investigation», сокращённо CFI). В рамках КЭ исследовалось горение каплевидного горючего в условиях микрогравитации на борту МКС. Исследования проводились в модуле «Destiny» американского сегмента стоечного исследовательского комплекса CIR («Combustion Integrated Rack») производства американской компании «Zin Technologies». Особенностью данного комплекса является модульность его конструкции и возможность оперативной замены камеры, в которой осуществляется исследование процесса горения. В ходе данного КЭ использовалась камера MDCA («Multi-User Droplet Combustion Apparatus»), в которой были установлены быстроразводимые игольчатые горелки (формирующие каплю) и система поджига. В научном плане в ходе КЭ были получены базовые знания о процессах низкотемпературного горения каплевидного горючего в различных газовых средах. Помимо этого, в плане техническом были получены ценные знания о том, на что обращать особое внимание в процессе создания соответствующих устройств для условий невесомости и микрогравитации.

На базе полученных знаний были разработаны устройства для нового поколения исследований, в которых изучались бы уже не каплевидные образования, а поведение горючего в динамических ламинарных потоках газовых сред – окислителей. В ходе экспедиций МКС 54-55 начались также динамические исследования поведения пламени, когда на него воздействует сильное электрическое поле. Камера для исследований, заменившая камеру MDCA и получившая название АКМЕ («Advanced Combustion via Microgravity Experiments»), дала старт целой серии экспериментов, также получившей название АКМЕ. Технически это более совершенное устройство, в котором учтены недостатки, выявленные в предыдущих исследованиях, и заложены решения, позволяющие существенно расширить спектр исследований.

К организации и реализации совместных КЭ по исследованию процессов горения привлечены с российской стороны предприятия: ЦНИИМАШ, ПАО «РКК «Энергия», ЦПК им. Гагарина, научные учреждения: ИХФ им. Н.Н. Семёнова РАН, ФИАН им. П.Н. Лебедева, ДВФУ, СПбПУ им. Петра Великого. С американской стороны к исследованиям привлечены Исследовательский центр им. Д. Гленна и центр управления полётом им. Д. Маршалла агентства НАСА, предприятия: корпорация Клеар Сайн Комбасчен, ФМ Глобал, а также ряд научных учреждений: Калифорнийский университет в Сан Диего, Калифорнийский университет в Ирвине, Принстонский университет, Йельский университет, университет штата Южная Каролина, штата Мэриленд и др.

Как показали исследования в условиях микрогравитации и невесомости процессы горения существенно отличаются от процессов, происходящих в условиях земного притяжения. Это, в большой степени, связано с конвективными процессами на Земле, когда раскалённый газовый поток направлен от центра тяготения к периферии. В условиях микрогравитации всё происходит иначе и унос продуктов горения раскалённым газом осуществляется сферически. На настоящий момент учёные приблизились к пониманию того, как в невесомости ведёт себя пламя, охватывающее каплю горючего, и пламя, на которое воздействует спутный поток окислителя. Специалисты получили ценные сведения по техническим аспектам реализации устройств для формирования пламени в условиях микрогравитации.

В последующем предстоит исследовать ряд особенностей, связанных с горючестью в условиях микрогравитации конденсированных пожароопасных материалов. В одном из КЭ будут проведены исследования поведения пламени над плоской пористой горелкой (КЭ «Фламенко»). Интерес также представляет процесс горения, когда в условиях не горючее впрыскивается в газовую среду окислителя, а, наоборот, окислитель впрыскивается в среду горючего. Соответствующий КЭ (КЭ «Адамант») предусмотрен в исследованиях на перспективу.

К настоящему моменту учёные и технические специалисты получили знания, насколько сильны различия между горением в невесомости и в условиях гравитационного воздействия. Их усилия теперь в большой степени направлены на исследования горения в динамических условиях.

Исследования процессов горения на борту МКС в ходе ряда экспедиций позволили очертить круг наиболее перспективных проблем. Ценные сведения в ходе проведения КЭ получены как в научном, так и в техническом плане и относятся, с одной стороны, к более глубокому пониманию физики процессов горения в условиях невесомости, а с другой, к практическим аспектам реализации устройств, обеспечивающих горение в условиях микрогравитации. Исследования в данной области продолжаются.