Проблема пожара на космических аппаратах
Как отмечает доктор Флориан Мейер, руководитель исследовательской группы по технологиям горения в Центре прикладных космических технологий и микрогравитации (ZARM), «пожар на борту космического корабля — один из самых опасных сценариев в космических миссиях», поскольку «практически нет возможности добраться до безопасного места или покинуть космический корабль». В условиях замкнутого пространства и ограниченных ресурсов понимание поведения огня в микрогравитации становится вопросом жизни и смерти.
Микрогравитация существенно влияет на характер горения. На Земле горячие газы от пламени поднимаются вверх, а гравитация притягивает более холодный и плотный воздух к основанию пламени, создавая характерную вытянутую форму и эффект мерцания. В микрогравитации этот конвективный поток не возникает, что упрощает процесс горения и приводит к образованию сферического пламени. Оно горит медленнее, при более низкой температуре (менее 480°C) и требует меньше кислорода. Сферичность объясняется тем, что пламя питается процессом молекулярной диффузии: горение происходит на границе между топливом и воздухом, и вся поверхность пламени становится зоной реакции. Цвет тоже меняется — без гравитации углеродные цепочки не сгорают полностью, и пламя становится голубым и тусклым.
Важнейшую роль в поведении огня на космических аппаратах играет вентиляция. Вентиляторы заменяют естественную конвекцию и подают воздух, необходимый для поддержания горения, при этом огонь может распространяться в любом направлении. Если на Земле можно затоптать свечу, то на космическом корабле это способно ускорить горение: создаётся воздушный поток, и пламя в условиях низкой гравитации может перескочить на другой материал.
Одним из важнейших открытий стал феномен «холодного пламени». Такое пламя, горящее при экстремально низких температурах, практически невозможно создать на Земле, однако в микрогравитационной среде МКС оно возникает легко. Непредварительно смешанное холодное пламя было впервые обнаружено в 2012 году во время экспериментов FLEX. Исследователи выяснили, что определённые виды жидкого топлива после затухания способны спонтанно воспламеняться повторно, при этом последующее пламя горит при более низких температурах и остаётся невидимым невооружённым глазом. В отличие от обычного пламени, производящего углекислый газ и воду, холодное пламя выделяет угарный газ и формальдегид. Его главная опасность — невидимость: не выделяя интенсивного тепла, оно продолжает потреблять кислород и производить токсичные вещества, способные отравить весь экипаж. Учёный NASA Дэниел Дитрих назвал это «одним из крупнейших открытий не только в программе микрогравитации, но, вероятно, за последние 20–30 лет исследований горения».
Исторический опыт подтверждает серьёзность угрозы. 24 февраля 1997 года шесть членов экипажа станции «Мир» столкнулись с пожаром системы генерации кислорода. Когда космонавт Лазуткин активировал твёрдотопливный генератор в модуле «Квант-1», канистра загорелась, выбросив трёхфутовое пламя с искрами и кусками расплавленного металла, заполнив модуль густым дымом. Генератор горел около 14 минут, блокируя путь эвакуации к пристыкованному «Союзу». Американский астронавт Джерри Линенджер описал огонь как «бушующий паяльник» и отметил: «Я никогда не видел, чтобы дым распространялся так, как он распространялся на "Мире"». Расследование установило, что причиной стал материал латексной перчатки, случайно попавший в канистру и вызвавший загрязнение углеводородами. Системы жизнеобеспечения очистили атмосферу за несколько часов, экипаж не пострадал, а уроки инцидента были учтены при проектировании МКС.
NASA недавно завершило финальную миссию эксперимента Saffire, поставив точку в восьмилетней серии исследований поведения огня в космосе. Хотя агентство проводило эксперименты на шаттлах и МКС, риски для экипажа вынуждали ограничивать их масштаб. Как отмечают исследователи, «Saffire стал крупнейшим рукотворным пожаром в космосе» и «позволил безопасно сжигать более крупные образцы материала». Результаты показали, что пламя быстро достигает стабильного размера и скорости горения, тогда как на Земле оно обычно продолжает расти. Выяснилось также, что размер космического корабля влияет на огонь сильнее ожидаемого, а повышение температуры и давления менее значимо, чем накопление угарного и углекислого газов. Исследователи подчёркивают: подобная работа — определение порога опасности пожара для экипажа — проводилась для зданий, самолётов, поездов, шахт, подводных лодок, но для космических кораблей таких исследований до Saffire не было. Именно быстрое образование токсичных газов представляет главную угрозу: они способны вывести из строя экипаж задолго до того, как станет ощутимым недостаток кислорода.
Содержание кислорода в атмосфере существенно влияет на пожарную опасность. Программа «Аполлон» использовала 100% кислорода, «Скайлэб» — 70%. С тех пор NASA перешло на значительно более низкие концентрации. На МКС уровень кислорода составляет 21%, как на Земле, однако будущие корабли с пониженным атмосферным давлением будут использовать до 35%, что резко увеличивает риск: огонь может распространяться втрое быстрее, чем в земных условиях.
Исследования продолжаются: эксперимент SoFIE изучает воспламенение твёрдых материалов, а FM2 станет первым экспериментом по горению на другом небесном теле — на Луне при одной шестой земной гравитации. Лунные условия находятся вблизи границы воспламеняемости, что предполагает значительный риск для будущих миссий.
Стратегия пожарной безопасности строится на нескольких принципах. Предотвращение заключается в устранении одного из трёх факторов горения: топлива, кислорода или источника воспламенения, однако абсолютной защиты не существует, поэтому необходимы также обнаружение, реагирование и тушение. Каждый материал на борту проходит строгие испытания — от изоляции проводов до ткани скафандров. Материалы отбираются за низкую воспламеняемость, самозатухающие свойства и минимальное выделение токсичных паров. На МКС действуют две системы пожаротушения: водяная пена в российских модулях и углекислый газ в американском сегменте. NASA разрабатывает метод «водяного тумана», основанный на современных наземных технологиях. При срабатывании датчиков дыма первым шагом становится отключение вентиляции в поражённом модуле.
Программа Saffire позволила понять поведение огня в условиях, когда у астронавтов нет возможности покинуть корабль или быстро вернуться на Землю. Полученные данные станут основой для обеспечения безопасности миссий Artemis на Луну и будущих экспедиций на Марс.
