[국내논문]NASA의 우주 연구 프로그램에 따른 미소 중력하에서의 연소 특성 및 화재 안전 연구 개괄 Survey on a Research for Fire Safety in Space with the Understanding of Combustion Characteristics in Microgravity based on NASA's Space Research Program원문보기
화재는 인류가 우주 여행을 하거나 우주에서 체류하고자 할 경우, 특히 조심해서 신경을 써야 할 부분이다. 지구상에서와는 달리, 우주에서는 화재를 피하여 외부로 도망을 칠 수도 없고, 진화를 위해 소방서에 도움을 요청할 수도 없다. 따라서 최선책은 화재를 미연에 방지하는 것이 될 것이다. 그러나, 우주에서는 화재가 발생하였을 때, 그 화염의 행태가 지구상에서와는 다른 양상을 띄게 된다. 그 이유는, 지구상에 있는 모든 물질에 작용하는 중력이 우주에서는 없거나 작기 때문이다. 본 논문에서는 미소 중력하에서의 화염의 행태에 대하여 중요한 부분의 연구 결과를 소개하고, 이에 근거하여 유인 우주 탐사선과 우주 정거장 등에서 화염을 방지, 감지, 진화하는 연구에 대하여 미국 NASA의 FPDS 프로그램을 바탕으로 하여 소개하였다.
화재는 인류가 우주 여행을 하거나 우주에서 체류하고자 할 경우, 특히 조심해서 신경을 써야 할 부분이다. 지구상에서와는 달리, 우주에서는 화재를 피하여 외부로 도망을 칠 수도 없고, 진화를 위해 소방서에 도움을 요청할 수도 없다. 따라서 최선책은 화재를 미연에 방지하는 것이 될 것이다. 그러나, 우주에서는 화재가 발생하였을 때, 그 화염의 행태가 지구상에서와는 다른 양상을 띄게 된다. 그 이유는, 지구상에 있는 모든 물질에 작용하는 중력이 우주에서는 없거나 작기 때문이다. 본 논문에서는 미소 중력하에서의 화염의 행태에 대하여 중요한 부분의 연구 결과를 소개하고, 이에 근거하여 유인 우주 탐사선과 우주 정거장 등에서 화염을 방지, 감지, 진화하는 연구에 대하여 미국 NASA의 FPDS 프로그램을 바탕으로 하여 소개하였다.
Fire is one of important checkpoints in crewed exploration systems, where men inhabit in space. In space, astronaut can't escape from fire out of a spacecraft and not expect any help of fire fighters, either. Accordingly, the best way to stand against fire is to prevent it. But, when fire occurs in ...
Fire is one of important checkpoints in crewed exploration systems, where men inhabit in space. In space, astronaut can't escape from fire out of a spacecraft and not expect any help of fire fighters, either. Accordingly, the best way to stand against fire is to prevent it. But, when fire occurs in space, flame behaviors are quite different from those observed on earth because of micro- or zero-gravity in space. The present paper introduces major research results on flame behaviors under microgravity and fire prevention, detection, and suppression in crewed exploration spacecrafts and international space station based on NASA's FPDS research program.
Fire is one of important checkpoints in crewed exploration systems, where men inhabit in space. In space, astronaut can't escape from fire out of a spacecraft and not expect any help of fire fighters, either. Accordingly, the best way to stand against fire is to prevent it. But, when fire occurs in space, flame behaviors are quite different from those observed on earth because of micro- or zero-gravity in space. The present paper introduces major research results on flame behaviors under microgravity and fire prevention, detection, and suppression in crewed exploration spacecrafts and international space station based on NASA's FPDS research program.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그 중에서도 중요한 부분으로는 오랜 기간 우주에 머물게 될 우주인의 건강 및 안전을어떻게 보장할 수 있느냐 하는 것이다. 본 논문에서 다루고자 하는 미소 중력하에서의 화재에관한 연구는 우주인의 안전을 보장하기 위해 반드시 확보해야 하는 기술이며, 이를 세 가지 분야로 나누어 살펴보기로 한다. 그 세 가지는 FPDS 로서 각각 Fire Prevention(화재 예방), Detection(감지), and Suppression(진화)을 일컫는다.
본 논문에서는 미소 중력하에서의 연소 현상이 지구상에서와 다른 형태를 보이는 것에 대하여 간략히 소개하고자 한다. 또한, 앞에서 언급한 세 가지 과제와 관련한 기술을 정의하고, 그방법론을 정립함으로써 화재 방지와 재료의 발화성, 화재 신호 및 감지, 진화 등의 분야에서어떠한 연구가 진행되어야 하는가에 대하여 소개하고자 한다.
간략히 소개하고자 한다. 또한, 앞에서 언급한 세 가지 과제와 관련한 기술을 정의하고, 그방법론을 정립함으로써 화재 방지와 재료의 발화성, 화재 신호 및 감지, 진화 등의 분야에서어떠한 연구가 진행되어야 하는가에 대하여 소개하고자 한다. 각 분야에서 언급되는 생산물 혹은 전달물(deliverables)들은 향후 우주 탐사선혹은 우주 정거장 등에서 필요한 물건으로 정의된다.
따라서 미소 중력하에서는 유체의 유동, 물질 전달, 열전달 등이 지구상에서와는 다른 양상을 보이며, 이에 따라 미소 중력하에서의 화염 역시 다른 양상을 보이게 되는데 이에 대하여 많은 연구가행해져 왔다口-5]. 본 논문에서는 이러한 미소 중력하에서의 화염에 관한 연구를 인류가 안전하게 우주를 여행할 수 있도록 응용하는 것[1]에대하여 간략히 소개하고자 한다.
본 특집논문에서는 미소 중력하에서의 화염거동의 특징과 화재 안전에 대한 연구 결과를간략히 소개하였다. 미소 중력하에서는 지구 중력하에서와는 다른 양상을 보이는더〕, 이는 대류의 영향이 거의 없어지거나 작아지기 때문이다.
대상 데이터
고안된 것이다. 5 cm 폭에 33 cm 길이의시편을 그림과 같이 설치한 후, 실험을 수행한다. 하지만, 앞서 언급한 바와 같이 이 실험 결과는 미소 중력 혹은 부분 중력하에서 일어나는현상에 대하여 정량적으로 예측하지 못하는 단점이 있다.
이제까지사용된 대기조건으로 Mercury, Gemini, Apollo 우주선에서는 100% 02, 34.5 kPa의 대기를 사용하였고, ISS(우주정거장) 및 STS(우주 왕복선)에서는 21% 02/79% N2, 1 atm의 대기를 사용하였다.
성능/효과
없었다. 미소 중력하에서 사용하기 위한재료의 적합성 판명 기준은 화재 위험성의 정량화를 통해서라기보다는 현상적인 결과를 통해만들어졌다. 현재, 재료의 가연성 특성화를 통해서 재료의 사용 적합성 여부를 판명하는 기준은 NASA-STD-600l이다[9].
후속연구
이는 인류를 달에 다시 보내는 것과 화성에 유인 탐사선을 보내는 것을 주요 내용으로 하고 있다. 이를 달성하기 위하여 어마어마한 양의 연구와 노력이 필요할 것이며, 이는 현재 우주정거장과 우주왕복선으로부터 얻어진 우주에서의 생활 및 우주에서 인간의 건강 유지에 관한 지식 및 기술들을기반으로 하여 훨씬 더 진보된 기술을 요구할것이다. 그 중에서도 중요한 부분으로는 오랜 기간 우주에 머물게 될 우주인의 건강 및 안전을어떻게 보장할 수 있느냐 하는 것이다.
각 분야에서 언급되는 생산물 혹은 전달물(deliverables)들은 향후 우주 탐사선혹은 우주 정거장 등에서 필요한 물건으로 정의된다. 이러한 연구를 하기 위해서는 연소, 화재안전, 위험 진단, 장애 분석 등을 연구하는 학문들을 총망라하여 함께 연구를 진행하여야 한다. 한편, 이러한 전단물에는 하드워〕어, 설계 인자, 데이터 수집 방법, 시험법 등이 포함될 수 있을것으로 생각된다.
작업이 될 것이다. 비록 본 논문에서 소개할차세대 화재 관련 시스템이 현재의 우주 정거장이나 우주 왕복선에 적용될 것은 아니지만' 어떤식으로든 관련이 있을 것이며, 영향을 줄 것이기때문에 검토할 가치가 있다고 하겠다.
이는 미소 중력하에서 체류(residence) 시간이 지구 중력하의 경우에 비하여 늘어남에 따라 액체 스모크 입자들이비정상적으로 커지기 때문으로 생각된다. 이러한결과들을 고려하여 향후의 우주 탐사선 등에 사용되어질 스모크 센서가 설계되어야만 할 것으로 생각된다.
채택하고 있다. 그러나, 참고문헌 [9-11] 등의 논문에서 볼 수 있듯이, 이산화탄소나 물을이용한 소화기가 얼마나 효율적인지는 더 많은연구가 필요하다.
(1) 우주 여행들에 대한 상세한 일정및 목적이 정의되어야 하며, (2) 발생할 수 있는화재에 대한 가설이 정립되어야 한다. 이러한 전제가 없이는 우주선에서 일어날 수 있는 화재를다루기에는 그 범위가 너무 커서 연구를 집중할수 없게 될 것이다. 현재의 기술 수준을 바탕으로 일어날 수 있는 화재들에 대하여 여러 가지가설을 세우고, 그에 따른 연구를 진행하여야 할것이다.
앞서 언급한 대로 FPDS(Fire Prevention, Detection, and Suppression), 즉, 화재 방지, 감지, 진화는 각각이 따로 연구되어야 하며, 또한그 결과를 종체적으로 연결시켜야 한다. 화재를예방하는 것이 가장 중요한 과제이며, 이는 우주에서 발생할 수 있는 화재의 종류와 그 특성을알아야 가능할 것이다.
화재를예방하는 것이 가장 중요한 과제이며, 이는 우주에서 발생할 수 있는 화재의 종류와 그 특성을알아야 가능할 것이다. 또한 화재의 발생시 지구상에서 현재 사용하고 있는 센서로는 감지하지못할 수 있으므로, 미소 중력에서 스모크를 감지할 수 있는 센서의 개발 또한 중요하다.
또한 화재의 발생시 지구상에서 현재 사용하고 있는 센서로는 감지하지못할 수 있으므로, 미소 중력에서 스모크를 감지할 수 있는 센서의 개발 또한 중요하다. 마지막으로 화재가 발생하였을 경우, 우주선에 있는 승무원들에게 영향을 미치지 않으면서 진화를 어떻게 할 것인지에 대하여 연구가 진행되어야 할것이다.
이러한 연구 결과들을 볼 때, 우주에서 일어날수 있는 화재 및 그 결과에 대한 기존의 가설을보다 심도있게 재검토하고 미소중력하에서 발생할 수 있는 시나리오들에 대하여 좀 더 진보된실험 방법을 정립해야 한다. 그럼으로써 지구 중력하에서 실험한 결과를 가지고 좀 더 정확하게미소 중력하에서의 물질(고체 연료)의 가연성을예측할 수 있으며, 이는 우주 여행에서 일어날수 있는 화재를 다루는 데 중요하다.
그러나 이렇게 진보된기법들도 미소중력하에서 일어날 수 있는 화재에 대해서는 바로 적용되지는 못하고 있다. 이기법들을 앞서 언급했던 미소 중력하에서의 고체 연료의 화염 전파 속도(spread rate), 연소 한계 산소 농도 등에 대한 연구 결과와 접목시킴으로써 우주에서 발생할 수 있는 다양한 화재시나리오를 만들어 낼 수 있으며, 설계 및 운전조건을 정할 때 사용될 수 있는 실제적인 정보를 얻을 수 있다. 적어도 이러한 시도는 미소 중력하에서 화재 발생시 일어날 수 있는 시나리오를 정의하기 위해서 어떠한 정보를 축적해야 하는지 및 얻어진 데이터를 축적하는 이론적인 방법론을 제공할 것이다.
이기법들을 앞서 언급했던 미소 중력하에서의 고체 연료의 화염 전파 속도(spread rate), 연소 한계 산소 농도 등에 대한 연구 결과와 접목시킴으로써 우주에서 발생할 수 있는 다양한 화재시나리오를 만들어 낼 수 있으며, 설계 및 운전조건을 정할 때 사용될 수 있는 실제적인 정보를 얻을 수 있다. 적어도 이러한 시도는 미소 중력하에서 화재 발생시 일어날 수 있는 시나리오를 정의하기 위해서 어떠한 정보를 축적해야 하는지 및 얻어진 데이터를 축적하는 이론적인 방법론을 제공할 것이다.
승무원의 훈련은 중요하다. 이에 따라 가상적인 화재 상황을 만들어 그에 대처할 수 있도록승무원을 훈련시킬 수 있는 시뮬레이션 훈련 프로그램을 개발하여야 한다.
우리나라에서 언젠가유인 우주선을 발사하게 될 때, 선진국의 과학기술자들이 직면한 같은 문제, 즉 화재 안전에 대한 문제로 고민하게 될 지도 모른다. 따라서, 장기적인 안목과 국가우주개발 계획에 따라 적절한 시기에 우주선 내 화재 안전에 대한 연구를진행하거나 데이터를 확보하는 것이 바람직할것이다.
참고문헌 (14)
Ruff, G. A., Urban, D. L., and King, M. K., "A Research Plan for Fire Prevention, Detection, and Suppression in Crewed Exploration Systems," AIAA paper 2005-0341, 2005
Sacksteder, K. R., "The Implications of Experimentally Controlled Gravitational Accerlerations for Combustion Science," 23rd International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 1990, pp.1589-1597
Law, C. K. and Faeth, G. M., "Opportunities and challenges of combustion in microgravity," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 20, 1994, pp. 65-113
NASA TM-106858, Microgravity Combustion Science: 1995 Program Update, 1995
Nomura, H., Ujiie, Y., Rath, H. J., Sato, J., and Kono, M. "Experimental Study on High Pressure Droplet Evaporation Using Microgravity Conditions," 26th International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 1996, pp.1267-1273
Ronney, P. D., "A Perspective on the Role of Microgravity in Combustion Research," Combustion and Flame, Vol. 116, 1999, pp. 317-318
Sohn, C. H., Kim, J. S., Chung, S. H., and Maruta, K., "Nonlinear Evolution of Diffusion Flame Oscillations Triggered by Radiative Heat Loss," Combustion and Flame, Vol. 123, 2000, pp.95-106
National Aeronautics and Space Administration Technical Standard 6001, Flammability, Odor, Offgassing, and Compatibility Requirements and Test Procedures for Materials in Environments That Support Combustion, 1998
Olson, S. L. "Mechanisms of Microgravity Flame Spread Over a Thin Solid Fuel: Oxygen and Opposed Flow Effects," Combustion Science and Technology, Vol. 76, 1991, pp.233-249
Mcgrattan, K. B., Kashiwagi, T., Baum, H. R., and Olson, S. L., "Effects of Ignition and Wind on the Transition to Flame Spread in a Microgravity Environment," Combustion and Flame, Vol. 106, 1996, pp. 377-391
Prasad, K., Olson, S. L., Nakamura, Y., and Kashiwagi, T., "Effect of Wind Velocity on Flame Spread in Microgravity," 29th International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 2002, pp. 2553-2560
Son, Y. and Ronney, P. D., "Radiation-Driven Flame Spread over Thermally Thick Fuels in Quiescent Microgravity Environments," 29th International Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 2002, pp. 2587-2594
Lange, K. E., Duffield, B. E., Jeng, F. F., and Campbell, P. D., "Exploration Spacecraft and Space Suit Internal Atmosphere Pressure and Composition," 2005 Bioastronautics Investigators' Workshop, Galveston, Texas, January 2005
이 논문을 인용한 문헌
저자의 다른 논문 :
활용도 분석정보
상세보기
다운로드
내보내기
활용도 Top5 논문
해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다. 더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.