[논문]국제우주정거장 화재안전 연구개괄: 마이크로중력화염의 특성(점화/형상/전파/소멸특성)

박설현; 황철홍

[국내논문] 국제우주정거장 화재안전 연구개괄: 마이크로중력화염의 특성(점화/형상/전파/소멸특성)
Overview of Fire Safety onboard International Space Station(ISS): Characteristics of Flame Ignition, Shape, Spread, and Extinction in Microgravity 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.17 no.4, 2012년, pp.21 - 29

박설현 (한국항공우주연구원 항공우주융합기술연구소) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to a significant leap in the science and technology, the manned space exploration that has started with suborbital flights is now being expanded into the deep space. The space superpowers such as the U.S. and Russia have been making an effort to further develop the manned space technology. Among such technologies, the fire safety technology in microgravity has recolonized as one of the most critical factors that must be considered for the manned space mission design since the realistic fire broke out onboard the Mir station in 1997. In the present study, the flame characteristics such as flame ignition, shape, spread, and extinction that are critical to understand the fire behavior under microgravity conditions are described and discussed. The absence of buoyancy in microgravity dominates the mass transport driven by diffusiophoretic and thermophorectic fluxes (that are negligible in normal gravity) and influences the overall flame characteristics-flame ignition, shape, spread, and extinction. In addition, the cabin environments of the pressurized module (PM) including the oxygen concentration, ambient pressure, and ventilation flow(which are always coupled with microgravity condition during the ISS operation) are found to be the most important aspects in characterizing the fire behavior in microgravity.

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문제 정의

현재 한국항공우주연구원은 국가우주개발정책에 부응하고 2008년 성공적으로 끝난 한국인 우주인 배출사업의 성과를 지속적으로 발전시키기 위해 한국형 유인 우주프로그램 개발사업을 수행하고 있다. 이 프로그램은 국제협력을 통해 우주개발 역량을 강화하고 국제우주정거장의 활용에 능동적으로 참여하여 향후 유인행성탐사에 필요한 기반기술 확보를 그 목표로 하고 있다.
이런 측면에서 우주환경에서 발생한 화재를 조기에 감지하고 진압할 수 있는 기술의 개발은 유인행성탐사를 위해 선행되어 개발되어야 기술 중 하나라고 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 우주환경을 모사할 수 있는 국제우주정거장에서의 연소실험 및 마이크로중력환경 지상모사 연소실험 결과를 토대로 화염의 점화, 형상, 전파, 소멸 특성을 고찰해 보았다. 앞서 언급한 바와 같이 마이크로중력환경에서는 지구상에서 작용하는 중력의 영향이 거의 사라지기 때문에 지구 중력장에서 중요한 열전달 메카니즘인 대류에 의한 전달 현상이 거의 사라지고 상대적으로 확산에 의한 전달현상이 두드러지게 나타난다.

가설 설정

µG 액적화염의 분석결과를 종합해 보면 선실의 압력변화는 화염의 형상 및 연소율에 큰 영향을 미치지 않는다.

성능/효과

그림에서 y축은 화염크기를 표현하는 무차원수(Flame standoff ratio, 식 (2) 참조)이다. 주어진 조건에서 모두 점화직후 산소농도가 증가함에 따라 화염의 크기가 증가하다가 준 정상상태(quasi-steady state)에 도달하여 화염크기가 일정한 수준으로 안정화되는 것을 볼 수 있다. 이는 확산화염의 특성상 연료와 산화제가 이론당량비로 반응하는 면에 화염이 형성되기 때문으로 점화 직후 액적주위에 기화된 연료가 농후하여 산소가 많은 대기 중으로 화염이 전파되는 특성 때문이다.
앞서 언급한 바와 같이 마이크로중력환경에서는 지구상에서 작용하는 중력의 영향이 거의 사라지기 때문에 지구 중력장에서 중요한 열전달 메카니즘인 대류에 의한 전달 현상이 거의 사라지고 상대적으로 확산에 의한 전달현상이 두드러지게 나타난다. 실제 이러한 물질전달 현상은 우주정거장이나 우주선 가압모듈의 특수한 선실환경(선실압력, 산도농도, 환기유속 등)과 결합하여 화염의 기본 특성(점화, 형상, 전파, 소멸특성)에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다. 특히 부력에 의한 공기유속의 거의 존재하지 않는 µG환경에서는 복사열전달 메카니즘이 중요한 역할을 하게 되며, 이로 인해 화염의 전파 및 소멸현상이 크게 영향을 받게 된다.

후속연구

이처럼 가압모듈 내부의 발생된 강제 환기유속은 화재 검지에 유용하지만 화염의 전파에 큰 영향을 줄 수 있으므로 화재 연구 시 반드시 고려되어야 인자이기도 하다. 더불어 가압모듈 내부의 유속은 밸브의 단속을 통해 언제든지 조절할 수 있으므로 환기 유속이 전혀 존재하지 않는 정적환경(quiescent environment) 역시 유속이 존재하는 경우와 함께 연구되어야 한다.
µG환경에서의 화염 전파현상에 대해서는 다양한 화염형상과 조건[9-14,18-21]에서 연구되어 왔지만 Fig. 9에 도시된 평판 고체연료(Fuel bed)[18,19]에서의 화염 전파현상을 살펴보는 것이 보다 실제적인 화염 전파현상을 이해하는데 도움이 될 것이다.
하지만 본 논문에서 다루어진 화염의 형태(확산화염, 예혼합화염), 배열(대향류, 동축류 등), 연료의 형태(액체, 고체, 기체, 혼합연료 등)를 고려해 볼 때 지상의 화염과는 다른 양상을 보일 것으로 예상되는 마이크로중력환경의 화염특성을 완벽히 예측하기는 힘들 것으로 판단된다. 그러므로 마이크로중력환경의 화염특성을 면밀히 살펴보고자 한다면 실제 상황에 맞는 시나리오를 설정하고 이에 부응할 수 있는 화염의 종류, 형상, 연료 등을 선정하여 더 심도 있는 연구를 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	완전한 무중력환경은 어떠한 환경인가?	지구상에서 중력은 절대적인 힘으로 작용하고 있기 때문에 경우에 따라서 복잡한 물리․화학적 현상을 연구하고자 할 때에는 장애의 요소가 되기도 한다. 완전한 무중력환경은 실제 지구궤도상을 선회하고 있는 위성이나 우주정거장에서도 얻을 수 없는 이상적인 환경이지만, 이들을 활용하면 중력의 영향을 최소화할 수 있게 되어 무중력상태에 근접한 마이크로중력(이하 µG)환경을 만들어 낼 수 있다. µG은 지구상의 물체에 작용하는 중력을 1G라고 할 때 10-6 G의 중력크기를 지칭하는 용어이지만 줄어든 중력크기에 따라 Reduced gravity로 표현하기도 한다.
	실제로 µG환경에서 가열된 기계부품이나 전자(전기)부품의 표면은 열원이 제거되어도 쉽게 냉각되지 않는 이유는?	실제로 µG환경에서는 작동 중 가열된 기계부품이나 전자(전기)부품의 표면은 열원이 제거되어도 쉽게 냉각되지 않는다. 이는 중력의 영향이 사라짐으로써 부력에 의한 자연대류가 거의 발생하지 않기 때문이다. 따라서 발열이 많은 부품들이 적절한 냉각 과정 없이 오랜 시간 동안 작동하다보면 그만큼 화재에 노출되기 쉽다.
	우주정거장의 실험환경인 µG조건을 형성하기 위해 가장 간단한 방법은?	µG은 지구상의 물체에 작용하는 중력을 1G라고 할 때 10-6 G의 중력크기를 지칭하는 용어이지만 줄어든 중력크기에 따라 Reduced gravity로 표현하기도 한다. 우주정거장의 실험환경인 µG조건을 형성하기 위해서는 지구의 중력장에서 멀리 떨어지는 방법 (640만km)이 가장 간단한 방법이지만 지구의 중력장하에 있다 하더라도 지구 중심방향으로 자유낙하를 통해서 최대 10-6 G의 µG를 조성할 수 있다. 실제 우주정거장을 포함한 대부분의 우주 실험설비는 자유낙하를 통하여 µG환경을 조성하고 있다.

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