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Die ISS führt das erste Materialverbrennungsexperiment unter hochkonzentriertem Sauerstoff an Bord des Kibo-Moduls durch, um die Sicherheit der Raumfahrt zu gewährleisten

Japan Aerospace Exploration Agency
Nationale Universitätsstiftung Hokkaido University

JAXA-Softwareaktualisierung

Die Japan Aerospace Exploration Agency (Präsident: Hiroshi Yamakawa, im Folgenden als JAXA bezeichnet) und die Hokkaido University (Präsident: Kyohiro Hokkien) gaben die Ergebnisse von Bodentests zur Brennbarkeit von Feststoffen in einer Mikrogravitationsumgebung bekannt. Ziel ist es, die weltweit erste quantitative Bewertungsmethode zu verifizieren1 Basierend auf startete am 19. Mai 2022 in der japanischen Erlebniseinheit Kibo. Darüber hinaus werden wir am 23. Juni 2022 die Ergebnisse des ersten Materialverbrennungsexperiments auf der Internationalen Raumstation unter Bedingungen von hochkonzentriertem Sauerstoff veröffentlichen (Abb. 1). Das Thema FLARE trägt dazu bei, den Brandschutz in Raumfahrzeugen und Wohneinrichtungen zu gewährleisten, und ist ein sehr wichtiges Thema für die internationale Weltraumforschung (Projekt Artemis) auf dem Mond usw., an dem sich auch Japan beteiligt.

Bisher gab es eine allgemeine Regel, dass Materialien, die in Raumfahrzeugen verwendet werden, schwer entflammbar sein müssen, und sie haben den Flammability Test Standard der National Aeronautics and Space Administration (NASA-STD-6001) bestanden. Die NASA-Standards berücksichtigen jedoch nicht die Auswirkung der schwerkraftabhängigen Konvektion um die Flamme auf die Brennbarkeit von Materialien. Ein Verfahren zur Bewertung der Brennbarkeit von Materialien, das die Auswirkungen der Schwerkraft angemessen berücksichtigt, was mit der oben beschriebenen Mikrogravitationsumgebung vereinbar ist, wurde nicht entwickelt. Darüber hinaus werden im Artemis-Projekt als Druckumgebung für Mondunterkünfte Bedingungen mit niedrigem Druck und hoher Sauerstoffkonzentration (0,56 atm, 34 % O2) für die Internationale Raumstation (Atmosphärendruck, 21 % O2) berücksichtigt. Experimentelle NASA-Geräte, die bisher auf der Internationalen Raumstation eingesetzt wurden, konnten Materialverbrennungsexperimente nur bei atmosphärischem Druck und Sauerstoffkonzentrationen von 21 % oder weniger durchführen.

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Unter dem Thema FLARE haben wir bereits das Ground-Burning-Testverfahren zur Bewertung der Entflammbarkeit von Materialien in Mikrogravitationsumgebung standardisiert. Wir werden dies mit Verbrennungsexperimenten an Bo verifizieren. Darüber hinaus ist das neu entwickelte SCEM-System, das auf Kibo läuft, in der Lage, Verbrennungsexperimente sowohl unter Niederdruck- als auch unter Bedingungen hoher Sauerstoffkonzentration von bis zu 45 % durchzuführen. Da es möglich sein wird, eindeutige Daten zu erhalten, wird erwartet, dass der Validierungsprozess mit der neuen Methode erhebliche Fortschritte machen wird.

JAXA wird durch SCEM-Experimente, die hervorragende technologische Vorteile aufweisen, dazu beitragen, die Sicherheit von Weltraumbränden bei zukünftigen bemannten Weltraumaktivitäten zu gewährleisten.

(Anhang)
* In Bild (a) steigt die Oberflächentemperatur, wenn sich die Farbe von Blau nach Rot ändert.
*In Bild (B) ist die grüne Farbe der unverbrannten „Filterpapier“-Probe auf die LED-Beleuchtung zurückzuführen.
* In (c) bearbeitetes Bild, um dunkle Flammenumrisse hervorzuheben.

Abbildung 1 Während des orbitalen Flammenausbreitungsexperiments aufgenommenes Bild der „Filterpapierprobe“ (Luftsauerstoffkonzentration beträgt 34 ​​%) und der Brennkammer

Kommentare von Stakeholdern

Professor Osamu Fujita, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School of Engineering, Hokkaido University (Representative Researcher for FLARE Subject)

„Wir sind mehr als glücklich und aufgeregt. Das FLARE-Thema wurde über etwa 10 Jahre entwickelt und in dieser Zeit nicht nur in Zusammenarbeit mit JAXA, sondern auch mit gemeinsamen Forschern von in- und ausländischen Universitäten, der NASA und anderen realisiert Europäische Raumfahrtagenturen Hier sind wir Ich möchte die Gelegenheit nutzen, um meine Dankbarkeit auszudrücken und durch die Ergebnisse dieses Themas möchte ich zur Entwicklung der Verbrennungswissenschaft und zur Verbesserung des Brandschutzes in der Zukunft beitragen bemannte Weltraumforschung“.

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Glossar der Begriffe

1 Die weltweit erste Methode, die die Brennbarkeit von Feststoffen in einer Mikrogravitationsumgebung quantitativ bestimmen kann. In Japan und im Ausland weit verbreitet ist die Sauerstoffindexmethode, die die Verbrennung des Materials angibt, die die Sauerstoffkonzentration als quantitativen Indikator begrenzt. (ISO 4589-2), die eine Bewertung des Sauerstoffindex (OI_mg) in einer Mikrogravitationsumgebung ermöglicht. Unter Verwendung des Sauerstoffindex (OI) und der Materialeigenschaftswerte als Eingabedaten wurde der HOI durch die Sauerstoffindexmethode mit hoher Strömungsgeschwindigkeit (ISO 4589-4) basierend auf den Ergebnissen der Bodenforschung im FLARE-Thema Verbrennungsgrenzbedingungen erhalten (Sauerstoffkonzentration und Bedingungen der Umgebungsströmungsgeschwindigkeit können vorhergesagt werden) in einer Mikrogravitationsumgebung.

2 Experimentelle Ausrüstung zur Feststoffverbrennung (SCEM)

Die in der Brennkammer von SCEM (Abb. 2) installierte Versuchsausrüstung ist mit einem Propeller und einer wabenförmigen Rektifikationszelle ausgestattet und kann ein Strömungsfeld bilden, das innerhalb der Brennkammer zirkuliert (Abb. 3). Im Versuchsbereich zwischen den modifizierten Waben wird eine Musterkarte mit dem zu testenden Feststoff platziert. Diese Musterkarte wird durch eine Fernbedienung von der Erde ersetzt. Durch Zünden eines Endes der Probe mit einem Heizdraht wird das Verhalten der diffundierenden Flamme im Gasstrom parallel zur Probe von der Kamera beobachtet. Je nachdem, ob eine Zündleitung über oder unter dem Gasstrom verwendet wird, ist die Bedingung, dass sich die Flamme in Richtung des Gasstroms ausbreitet (Gegenstrombedingung), oder die Bedingung, dass sich die Flamme in der gleichen Richtung wie das Gas ausbreitet Fluss (der kombinierte aktuelle Zustand). Flammendiffusionsexperimente können durchgeführt werden.

Die derzeit laufende erste Versuchsreihe verwendet dünne „Filterpapier“-Proben (13 cm lang x 4 cm breit x 0,0125 cm dick).

Abbildung 2 Experimentelle Ausrüstung zur Feststoffverbrennung (SCEM) © JAXA

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3 Thema FLARE (FLARE: Limits of Flammability in Low Gravity Experiment)

Im Jahr 2012 wurde die „Bewertung der Auswirkungen der Schwerkraft auf das Phänomen der Feststoffverbrennung zur Verbesserung des Brandschutzes“ als eine der vorrangigen Themenkategorien für die Verwendung von Kibo angenommen. [Representative researcher: Professor Osamu Fujita (Hokkaido University)]. Beteiligt an diesem Thema sind JAXA, NASA, die European Space Agency (ESA), das French National Center for Space Studies (CNES) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Mit SCEM führen wir iterative Experimente an Festkörpern aus verschiedenen Materialien und Formen durch, indem wir Bedingungen wie Sauerstoffkonzentration und Umgebungsströmungsgeschwindigkeit variieren. Die in den Versuchen erhaltenen Verbrennungsgrenzbedingungen werden mit den durch die neue Nachweismethode vorhergesagten Ergebnissen verglichen.