Кислородные свечи для космонавтов. Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча

"Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча"

Волобуев Д.М., Егоянц П.А., Маркосов С.А. ЦИТК «Алгоритм» г.Санкт-Петербург

Аннотация.

В предыдущей работе мы ввели понятие химического противоречия (ХП), решаемого введением или удалением вещества из композиции. В данной работе мы разбираем алгоритм решения ХП на примере выполнения одного из инновационных проектов.

Введение

Химические противоречия довольно часто возникают в ходе выполнения инновационных проектов, однако не формулируются в явном виде, поэтому успешность таких проектов определяется только эрудицией и научной подготовкой изобретательского коллектива. Приведенная в нашей предыдущей работе классификация приемов решения ХП позволяет нам предложить здесь пошаговый алгоритм решения ХП, который призван систематизировать научный поиск и, возможно, облегчить представление результатов работы людям, далеким от такого поиска.

Потребность в решении ХП, как правило, возникает на заключительной (верификационной) стадии инновационного проекта. Возможные направления исследований, область приемлемых решений, и ограничения выявлены на предыдущих стадиях проекта. Предлагаемый алгоритм не претендует на полноту и должен дорабатываться по мере выполнения проектов.

Пошаговый алгоритм решения ХП

Сформулировать ХП
Выбрать способ решения : (1) Введение дополнительного вещества или (2) сепарации вещества из композиции. Сепарация обычно требует перевода вещества в жидкую или газовую фазу. Если по условиям задачи вещество находится в твердой фазе, выбирается способ (1)
Уточнить класс веществ или группу технологий для (1) или (2) соответственно.
Использовать функционально-ориентированный поиск (ФОП ) для выявления технологии, максимально близкой к искомой. Главным образом, поиск сфокусирован на научных статьях и патентах с подробным описанием технологий.
Использовать перенос свойств (ПС) с найденных объектов на улучшаемый.
Выбрать оптимизируемый состав исходя из результатов ФОП и ограничений проекта.
Спланировать серию экспериментов и, если требуется, построить лабораторную установку для оптимизации состава
Провести эксперименты и изобразить результаты оптимизации на фазовой диаграмме или треугольнике состава
Если результат оптимизации неудовлетворителен, вернуться к пункту 3 и модифицировать состав композиции или закончить работу .

Пример 1. Кислородная свеча (Катализатор).

Контекст: Эта проблема возникла в ходе изобретения "бездымной сигареты" - сигарета должна сгорать в герметичном футляре, поставляя курильщику дым только при затяжке.

Ограничения: футляр должен быть маленьким (носимым в кармане) и дешевым.

Нужно отметить, что сигарета в футляре гаснет за единицы секунд из-за выгорания кислорода, поэтому центральной задачей проекта была признана разработка дешевого (одноразового) химического генератора кислорода.

Возможное решение: Кислород поступает при разложении бертолетовой соли. Температура и скорость реакции снижается за счет добавки катализатора (Fe 2 O 3), снижающего порог активации.

Ход решения по шагам:

Формулировка ХП: Газообразный кислород должен быть в зоне горения, чтобы поддерживать горение и его не должно быть в зоне горения, чтобы избежать теплового взрыва.
Способ решения: Выбираем направление (1) - добавка дополнительного вещества, поскольку, исходя из условий задачи, мы должны запасти окислитель в твердом агрегатном состоянии.
Уточнение класса веществ: Вещества, выделяющие или поглощающие значительные количества энергии.
Результат ФОП: была найдена существующая на рынке система, выполняющая функцию генерации чистого кислорода - это т.н. кислородная свеча, широко используемая в пассажирских самолетах для аварийной поставки кислорода для дыхания пассажира. Устройство кислородной свечи довольно сложное (см., например, , ), и обычно включает в себя буферную накопительную емкость с системой клапанов, т.к. кислород выделяется быстрее, чем это необходимо потребителю.
Перенос свойств: Необходимо перенести свойство генерировать кислород с найденной кислородной свечи на искомую мини-свечу. Использование буферной емкости в нашем устройстве недопустимо, вследствие наложенных ограничений, поэтому дальнейшая работа свелась к оптимизации химического состава свечи.
Выбор состава композиции: В качестве базовой была выбрана двойная система горючее-окислитель со смещенным равновесием в сторону окислителя . В качестве доступного окислителя выступала бертолетова соль, в качестве горючего и связующего - крахмал.
Планирование экспериментов и лабораторная установка: Необходимо провести серию экспериментов смеси крахмала с бертолетовой солью с различными концентрациями крахмала, измерить время реакции и выход кислорода. С этой целью необходимо разработать и собрать лабораторную установку с возможностью дистанционного электрического поджига, визуального контроля времени реакции и количественной оценки концентрации кислорода. Собранная установка показана на Рис.1.
Результаты экспериментов и выводы: Первые эксперименты показали, что в этой двойной системе искомое решение отсутствует - при малых добавках горючего подожженная свеча гаснет в футляре, с увеличением количества горючего сгорание свечи происходит недопустимо быстро - за одну-две секунды вместо искомых единиц минут => Возврат к пункту 3. Шаги последующей повторной итерации обозначены индексом "+".
Способ решения+: добавка дополнительного вещества.
Уточнение класса веществ+: Катализаторы
ФОП и ПС+: Изучение устройства спички позволяет заключить, что катализаторами разложения бертолетовой соли являются MnO 2 и Fe 2 O 3
Выбор состава композиции+: к базовой композиции подмешивалось третье вещество – оксид железа (Fe 2 O 3), выступающее одновременно катализатором распада бертолетовой соли, снижающим порог активации реакции и инертным наполнителем, отводящим тепло из зоны реакции.
Планирование экспериментов и лабораторная установка+: прежняя (Рис.1). Эффект от добавки катализатора в смесь заранее неочевиден, поэтому подмешивание катализатора начинали с малых величин и с соблюдением техники безопасности.
Результаты экспериментов и выводы+: Вследствие двухступенчатого характера реакции распада бертолетовой соли, добавка катализатора заметно снижала температуру и, соответственно, скорость реакции.

Рис. 1. Лабораторная установка для определения параметров горения и концентрации кислорода в составе продуктов горения кислородной свечи.

Добавка катализатора, кроме того, позволила заметно понизить пограничное количество горючего в смеси, при котором еще поддерживается устойчивая реакция. Контрольная добавка в базовую двухкомпонентную систему инертного наполнителя (аэросил SiO 2) не привела к заметным изменениям скорости горения.

Изобретение относится к генераторам кислорода для дыхания и может быть использовано в дыхательных аппаратах индивидуального пользования, применяемых в аварийных ситуациях, например при тушении пожаров. С целью снижения скорости генерации кислорода и повышения надежности при длительной работе пирохимичекий генератор кислорода, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженные выходным патрубком для кислорода, имеет блоки твердого источника кислорода в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния. Переходные воспламенительные элементы готовят из смеси пероксида кальция с магнием и в виде таблетки впрессовывают либо в торец, либо в боковую грань бока, а сами блоки укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к генераторам кислорода для дыхания и может быть использовано в дыхательных аппаратах индивидуального пользования, применяемых в аварийных ситуациях, например при тушении пожаров. Пирохимический генератор кислорода представляет собой устройство, состоящее из корпуса, внутри которого размещаются состав, способный выделять кислород за счет самораспространяющего пирохимического процесса кислородная свеча, запальное устройство для инициирования горения свечи, фильтрующая система для очистки газа от посторонних примесей и дыма, теплоизоляция. Через выходной патрубок по трубопроводу кислород поступает к месту потребления. В большинстве известных кислородных генераторов свеча изготовляется в виде моноблока цилиндрической формы. Время горения такой свечи не превышает 15 мин. Более длительная работа генератора достигается использованием нескольких блоков (элементов), укладываемых так, чтобы они соприкасались торцами. Когда заканчивается горение одного блока, тепловой импульс инициирует горение следующего элемента свечи и так до полного израсходования. Для более надежного воспламенения в торец принимаемого импульс элемента впрессован промежуточный воспламенительный пиротехнический состав, обладающий большей энергетикой и большей чувствительностью к тепловому импульсу, чем основной состав свечи. Известные пирохимические генераторы кислорода работают на хлоратных свечах термокаталитического типа, содержащих хлорат натрия, пероксид бария, железо и связующие добавки, или хлоратных свечах каталитического типа, состоящих из хлората натрия и катализатора, например оксида или пероксида натрия или калия Известные химические генераторы выделяют кислород со скоростью не менее 4 л/мин, что в несколько раз превышает физиологическую потребность человека. На известных составах более низкую скорость генерации кислорода не удается получить. При уменьшении диаметра блока свечи, т.е. площади горящего фронта, что могло бы привести к снижению скорости, свеча теряет способность к горению. Для сохранения работоспособности свечи требуется изменение энергетики за счет увеличения доли горючего в составе, что приводит к повышению скорости горения и соответственно к увеличению скорости выделения кислорода. Известен генератор содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему в металлическом корпусе с выходным патрубком для кислорода. Кислородная свеча в этом генераторе имеет состав из хлората натрия и оксида и пероксида натрия и состоит из отдельных цилиндрических блоков, контактирующих между собой торцами. Переходные воспламенительные элементы впрессованы в торец каждого блока и имеют состав из алюминия и оксида железа. Часть блоков имеет изогнутую форму, что создает возможность укладки их по П-образной, U-образной линии, по спирали и т.п. Из-за высокой скорости генерации кислорода увеличивается суммарный вес кислородной свечи, необходимый для обеспечения длительной работы генератора. Например, для работы генератора прототипа в течение 1 ч требуется свеча весом около 1,2 кг. Высокая скорость генерации приводит также к необходимости усиления теплоизоляции, что также связано с дополнительным увеличением веса генератора. Изогнутые (угловые) блоки сложны в изготовлении и имеют низкую механическую прочность: легко ломаются в месте изгиба, что приводит к прекращению горения на изломе, т.е. понижают надежность длительной непрерывной работы генератора. Цель изобретения снижение скорости генерации кислорода и повышение надежности при длительной работе генератора. Это достигается тем, что пирохимический генератор кислорода, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженный выходным патрубком для кислорода, имеет блоки твердого источника кислорода в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния; переходные воспламенительные элементы готовят из смеси пероксида кальция с магнием и в виде таблетки впрессовывают либо в торец, либо в боковую грань блока, а сами блоки укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое. На фиг.1 представлен пирохимический генератор, общий вид. Генератор имеет металлический корпус 1, в торце которого расположено инициирующее устройство 2. На верхней грани корпуса имеется патрубок 3 для выхода кислорода. Блоки 4 твердого источника кислорода уложены слоями и изолированы друг от друга и от стенок корпуса прокладками 5 из пористой керамики. По всей поверхности верхнего слоя блоков и верхней грани корпуса размещены металлические сетки 6, между которыми находится многослойный фильтр 7. На фиг. 2 показана схема укладки одного слоя блоков твердого источника кислорода в генераторе. Использованы блоки двух типов -- длинные 4 с впрессованной переходной воспламенительной таблеткой 9 в торце блока и короткие 8 с переходной воспламенительной таблеткой в боковой стенке. Генератор приводится в действие при включении инициирующего устройства 2, от которого воспламеняется зажигающий состав 10 и загорается первый блок свечи. Фронт горения движется по телу свечи непрерывно, переходя с блока на блок в местах контакта через переходные воспламенительные таблетки 9. В результате горения свечи выделяется кислород. Образующийся поток кислорода проходит через поры керамики 5, при этом частично охлаждается и поступает в систему фильтров. Проходя через металлические сетки и фильтры, дополнительно охлаждается и освобождается от нежелательных примесей и дыма. Через патрубок 3 выходит чистый кислород, пригодный для дыхания. Скорость генерации кислорода в зависимости от предъявляемых требований можно изменять в пределах от 0,7 до 3 л/мин, меняя состав твердого источника кислорода в весовом отношении NaClO 4 СaO 2 Mg 1 (0,20-0,24) (0,04-0,07) и состав воспламенительных элементов СаО 2 Mg в весовом отношении 1 (0,1-0,2). Горение одного слоя блоков твердого источника кислорода продолжается 1 ч. При необходимости более длительной работы горение передается с помощью короткого блока 11 на следующий слой, расположенный параллельно первому и т.д. Суммарный вес элементов свечи на один час горения составляет 300 г; общее тепловыделение около 50 ккал/ч. В предлагаемом генераторе кислородная свеча в форме параллелепипедных элементов упрощает соединение их друг с другом и позволяет осуществить плотную и компактную упаковку. Жесткое закрепление и исключение подвижности параллелепипедных блоков обеспечивает сохранность их при транспортировке и использовании в составе дыхательного аппарата, и таким образом повышается надежность длительной работы генератора.

Формула изобретения

1. ПИРОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КИСЛОРОДА, содержащий прессованные блоки твердого источника кислорода с переходными воспламенительными элементами, инициирующее устройство, теплоизоляцию и фильтрующую систему, помещенные в металлический корпус, снабженный выходным патрубком для кислорода, отличающийся тем, что блоки твердого источника кислорода выполнены в форме параллелепипедов, при этом в качестве твердого источника кислорода используют состав из хлората натрия, пероксида кальция и магния, переходных воспламенительных элементов - смеси пероксида кальция с магнием и расположены в торце или боковой грани блока. 2. Генератор кислорода по п. 1, отличающийся тем, что блоки твердого источника кислорода укладывают послойно и зигзагообразно в каждом слое.

Кислород на борту летательного аппарата может храниться в газообразном, жидком и криогенном состоянии (§ 10.3), а также может находиться в связанном состоянии в соединении с некоторыми химическими элементами.

Потребность в кислороде на летательном аппарате определяется потреблением кислорода членами экипажа, величиной утечки его в окружающее пространство и необходимостью повторного создания давления в кабине регенерациоиного типа после ее вынужденной или аварийной разгерметизации. Потери кислорода при утечке из кабин космических кораблей обычно незначительны (например, на корабле «Аполлон» ~ 100г/ч).

Наибольшие расходы кислорода могут иметь хместо при повторном создании давления в кабине.

Количество кислорода, потребляемого человеком, зависит от веса человека, его физического состояния, характера и интенсивности деятельности, от соотношения в рационе питания белков, жиров и углеводов и от других факторов. Считается, что среднесуточное потребление кислорода человеком в зависимости от его энергетических затрат может изменяться от 0,6 до 1 кг. При разработке систем обеспечения жизнедеятельности для длительных полетов в качестве средней величины суточного потребления кислорода на 1 человека обычно принимается величина 0,9-1 кг.

Весовые и объемные характеристики данной системы регенерации зависят от времени полета и от характеристик системы хранения необходимых запасов кислорода и поглотителей вредных примесей.

Коэффициент а для системы хранения 02 в жидком состоянии составляет величину порядка 0,52-0,53, в криогенном состоянии - 0,7, а в газообразном состоянии - порядка 0,8.

Однако хранение кислорода в криогенном состоянии выгоднее, так, как в этом случае по сравнению с системой жидкого кислорода требуется более простая аппаратура, поскольку нет необходимости переводить кислород из жидкой в газообразную фазу в условиях невесомости.

Перспективными источниками кислорода являются некоторые химические соединения, содержащие большое количество Ог в связанном виде и легко его отдающие.

Целесообразность использования ряда высокоактивных химических соединений обоснована тем, что наряду с выделением кислорода в результате реакции они поглощают углекислый газ и воду, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа. Кроме того, эти соединения способны дезодорировать атмосферу кабины, т. е. удалять запахи, токсические вещества и уничтожать бактерии.

Кислород в сочетании с другими элементами существует во многих химических соединениях. Однако лишь некоторые из них можно попользовать для получения О2. При работе на борту летательного аппарата химические соединения должны отвечать специфическим требованиям: 1) быть устойчивыми при хранении, безопасными и надежными в работе; 2) легко высвобождать кислород, причем с минимальным содержанием примесей; 3) количество высвобождаемого кислорода при одновременном поглощении С02 и Н20 должно быть достаточно большим, чтобы свести к минимуму вес системы с запасом веществ.

На космических летательных аппаратах целесообразно применять запасы кислорода в следующих химических соединениях: надперекисях щелочных металлов, перекиси водорода, хлоратах щелочных металлов.

Наиболее отработанным веществом выделения кислорода является надперекись калия.

Патроны с надперекисью пригодны для длительного хранения. Реакцией выделения кислорода из надперекиси калия можно легко управлять. Очень важно, что надперекиси выделяют кислород при поглощении углекислоты и воды. Можно обеспечить такое протекание реакции, при которой отношение объема поглощенной углекислоты к объему выделенного кислорода будет равно дыхательному коэффициенту человека.

Для осуществления реакции газовый поток, подлежащий обогащению кислородом и содержащий углекислый газ и пары

При первой основной реакции 1 кг К02 поглощает 0,127 кг воды и выделяет 236 л газообразного кислорода. При второй основной реакции 1 кг К02 поглощает 175 л углекислого газа и выделяет 236 л газообразного кислорода.

Из-за наличия вторичных реакций отношение объема выделенного в регенераторе кислорода к объему поглощенной углекислоты может изменяться в широких пределах и не соответствовать отношению объема кислорода, потребляемого человеком, к объему выделяемого им углекислого газа.

Протекание реакции того -или иного вида зависит от содержания паров воды и углекислоты газа в газовом потоке. С увеличением содержания паров воды увеличивается количество производимого кислорода. Регулирование производительности кислорода в регенерационном патроне и осуществляют путем изменения содержания паров воды на входе в патрон.

В качестве аварийных средств, предназначенных для быстрого производства кислорода, в случае, например, внезапной: разгерметизации кабины, применяют хлораты щелочных металлов (например, NaC103)t в. виде хлоратных свечей .

Практически возможный выход кислорода в этом случае ~40to/o. Реакция разложения хлоратов идет с поглощением тепла. Тепло, необходимое для протекания реакции, выделяется в результате окисления железного порощка, который добавляется в хлоратные свечи. Зажигание свечей производится фосфорной спичкой или электрозапалом. Хлоратные свечи горят со- скоростью порядка 10 мм/мин.

При использовании систем регенерации газовой среды в» кабине, основанных на запасах газообразного или криогенного- кислорода, требуется производить осушку газовой среды от паров воды, углекислого газа и вредных примесей.

Осушение газовой среды может осуществляться продувкой газа через поглотители воды или через теплообменники, охлаждающие газ ниже точки росы, с последующим отводом сконденсировавшейся влаги.