(ISS)微小重力場における被覆導線通電着火現象に対する着火限界決定機構の解明

1.研究背景と目的

宇宙船内における火災原因の一つとして被覆導線の着火が挙げられる。そこで本研究グループでは通常重力場および微小重力場における被覆導線過電流通電着火現象の研究を行ってきた。これまでの研究結果から、微小重力場の方が通常重力場よりも着火しやすいという結果が得られている[1]。これは微小重力環境下においては自然対流の発生が抑制されるため、被覆材から気化した燃料が試料近傍にとどまりやすくなること、また対流による熱損失が生じにくくなることによって引き起こされると考えられる。

 本研究グループの先行研究として、被覆導線の短絡によるブレーカ作動を模擬した短時間通電着火現象の実験的[2]および数値的研究[3]が行われてきた。しかしながら、ISSにおいて長期間使用しても安全な電流値の設定を念頭に置いた長時間通電着火現象に関しては実験および数値計算が十分に行われているとはいえない。

そこで本研究では被覆導線長時間通電着火現象に対して、実験・数値計算の両面からアプローチし長時間通電での着火限界条件が決定される機構を明らかにすることを目的とした。

 

2.実験概要

 実験装置の概略図をFig.2に示す。燃焼容器内部にセットされた試料に外部のキャパシタを用いて電流を流し、電線の短絡等による着火現象を模擬している。通電時間とキャパシタから与える電流値を任意の値に変えることで、任意の通電時間における着火下限電流値を取得する。実験試料に関しては、Fig.3のようなポリエチレン被覆ニクロム心線の電線を用いた。微小重力実験ではダイアモンド・エアサ―ビス社の実験機G‐Ⅱを用いてパラボリックフライトを実施し、約20秒間の微小重力状態の中で実験を行った。

experimental set up

 

3.実験結果

Fig.4に実験結果を示す。縦軸は通電開始から着火するまでの通電時間を表し、横軸は通電電流値を表している。全体の傾向として、通電電流値を減少させると着火するまでにかかる通電時間が長くなっている。また圧力条件が同じ酸素濃度21%の実験結果に着目すると、着火下限電流値は通常重力場では電流値約14 Aであるが微小重力場では約4 Aと大幅に減少している。またそれに伴って通電時間は1.46秒から12.67秒に大幅に上昇している。これは微小重力場では自然対流が抑制されるために起こると考えられるが、その着火限界が決定される機構は未だ明らかにされていない。これまでに加えてさらに実験データを取得しまた同時に数値的な研究も行うことでより踏み込んだ定性・定量的評価から着火限界機構を解明していくことが今後の課題であると考える。

graph

 

参考文献

[1]藤井ら,第44回燃焼シンポジウム, (2006),pp.230-231

[2]Fujita.O.,et al, Proceeding of the Combustion Institute 33(2011)2617-2623

[3]Takano, Y., et al, Proceeding of Combustion Institute 34(2013)2665-2673

[4]Shigeta,N., et al., 43rd International Conference on Environmental Systems, July 14-18, 2013./AIAA2013-3387.

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