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Thèse Année : 2022

Flame and smoke characterization in reduced gravity for enhanced spacecraft safety

Caractérisation des flammes et des fumées en gravité réduite pour le renforcement de la sécurité des modules spatiaux

Yutao Li
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1224484
  • IdRef : 267509898

Résumé

This PhD thesis is dedicated to the study of non-premixed flame spread with a specific attention paid to detection and mitigation in a reduced gravity environment. These works intend to contribute to an enhanced fire safety of spacecraft. To this end, an existing rig that enables experiments in parabolic flights has been further equipped at Inst. d'Alembert. With this setup, cylindrical samples can be ignited and the subsequent flame spread documented in a reduced gravity environment. Within the spread, the surrounding laminar oxidizer flow is finely controlled, the inlet oxygen content, pressure, and flow velocity being especially adjustable. Fire detection is one of the priorities of spacecraft fire safety. It especially relies on the identification of soot particles. As a result, the lack of understanding of the soot morphology in microgravity affects the accuracy of fire detection. In this context, a novel soot sampling technique using electric fields is developed and successfully applied for the first time in microgravity to a flame spreading over cylindrical electric wire. The sampled soot particles are analyzed under Transmission Electron Microscope (TEM). With the developed TEM image analysis tools, soot particle projected area, radius of gyration, fractal dimension, and primary particle size are extracted. Then, the influence of gravity is investigated and evidenced on the evolution of these morphological properties within the flame. The lack of data on flame spread in partial gravity is also an imminent challenge to fire safety for upcoming deep space exploration. Experiments on flame spread over cylindrical samples are performed for the first time at Lunar and Martian gravity. The characteristics of flame spread are analyzed under different oxidizer flow conditions and different configurations of samples. Varying gravity and oxygen content, the extinction limits of the different sample configurations are identified and the flame spread rates are extracted. At high gravity (Mars gravity and normal gravity), droplet leakage affects the extinction limit of wire samples with lower thermal conductivity metallic cores. At the same time, it also impacts the flame spread mechanism. In particular, at Martian gravity, a cyclic flame spread is unveiled and its original mechanism is analyzed. Fire prevention has always been the key concern of spacecraft firefighting strategies, where the flammability of materials largely limits the choice of materials. Drawing on the experience of ground-based fire prevention, the enhancement of materials' performances with flame retardants may overcome the limitations imposed by material flammability. Cylindrical samples loaded with flame retardants are investigated in microgravity. Two flame retardants with different expansion mechanisms are considered, i.e., Expanded Graphite (EG) and Ammonium polyphosphate/Pentaerythritol (AP). The observed results are then reported and compared with those obtained with different flame retardant loads under normal gravity, for a given ambient pressure and flow rate, with variations in oxygen content. In microgravity, increasing the retardant load does not detectably improve the extinction limit while the reduction in flame spread rate is not as obvious as at normal gravity for the range of flame retardant loads studied. In addition, the increase in flame retardant loads under microgravity resulted in smoke emissions. This observation was more pronounced for EG loaded samples. These conflicting effects of adding AP and EG on fire safety in microgravity are not evident in normal gravity, requiring careful integration of flame retardants within the context of space exploration. The results obtained in this study provide useful information and new insights for fire detection and prevention in microgravity, while the experimental data in partial gravity might serve as a database for future fire safety design in space exploration.
Les travaux présentés dans le présent mémoire de thèse sont dédiés à l'étude de la propagation de flamme non-prémélangée dans un environnement à gravité réduite, une attention particulière étant prêtée à la détection et la mitigation. Ces travaux entendent contribuer à l'amélioration de la sécurité-incendie des habitacles spatiaux. A cette fin, un dispositif existant qui permet les expérimentations en vols paraboliques a été équipé de nouveaux diagnotics à l'Inst. d'Alembert. Ainsi, des échantillons cylindriques peuvent être enflammés et la propagation de flamme qui s'ensuit étudiée dans un environnement à gravité réduite. L'écoulement laminaire oxydant alimentant la flamme non-prémlénagée est contrôlé en termes de teneur en oxygène, de pression ambiante et de vitesse d'écoulement. La détection d'incendie repose tout particulièrement sur l'identification des particules de suie. Le manque évident de connaissances sur la morphologie des particules de suie formées en microgravité affecte la précision de la détection des incendies. Dans ce contexte, une technique originale de prélèvement des particules de suie utilisant un champ électrique est développée et réalisée avec succès pour la première fois en microgravité au cours d'une propagation de flamme établie sur un échantillon cylindrique. Les particules de suie prélevées sont analysées au microscope électronique à transmission (TEM). Grâce aux outils d'analyse d'images TEM développés, la surface projetée des particules de suie, la distribution de rayon de giration, les dimensions fractales et les tailles des particules primaires sont extraites. L'effet de la gravité peut alors être étudié et illustré avec l'évolution de ces propriétés morphologiques dans la flamme. Dans le cadre de l'exploration de l'espace lointain, des expériences sur la propagation de flamme sur fil électrique ont également pu être réalisées pour la première fois à gravité lunaire et martienne. Les caractéristiques de la propagation de la flamme sont analysées sous différentes conditions d’écoulement oxydant et différentes configurations de fils électriques. En variant le niveau gravitationnel et la teneur en oxygène, les limites d'extinction des différentes configurations d'échantillons sont identifiées et les vitesses de propagation de la flamme extraites. À gravité élevée (ici gravité martienne et gravité normale), le suintement de gouttelettes en amont de la flamme affecte la limite d'extinction, ce tout particulièrement pour des échantillons à cœur métallique de faible conductivité thermique. Dans le même temps, ce suintement a également un impact sur le mécanisme de propagation de la flamme. En particulier, à gravité martienne, une propagation cyclique de la flamme est découverte et les mécanismes qui la pilote analysée. Dans l'optique d'une prévention accrue des incendies dans les modules spatiaux, des échantillons cylindriques chargés de retardateurs de flamme sont étudiés en microgravité et à gravité normale, ce pour une teneur en oxygène variable. Deux types de retardateurs de flamme présentant des mécanismes d'expansion différents sont considérés, à savoir le graphite expansé (EG) et le polyphosphate d'ammonium/pentaérythritol (AP). En micropesanteur, l’augmentation de la charge de retardateur n’améliore pas de façon détectable la limite d'extinction tandis que la réduction de la vitesse de propagation de la flamme n’est pas aussi évidente qu'à gravité normale pour la gamme de charges de retardateur de flamme étudiée. En outre, l'augmentation des charges de retardateur de flamme en micropesanteur a provoqué des émissions de fumée. Ces effets contrariants de l'ajout de retardateur de flamme sur la sécurité-incendie en micropesanteur ne sont pas évidents à gravité normale. Les résultats obtenus dans cette étude fournissent des informations utiles et de nouvelles perspectives pour la détection et la prévention des incendies en gravité réduite.
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LI_Yutao_these_2022.pdf (21.21 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03977010 , version 1 (07-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03977010 , version 1

Citer

Yutao Li. Flame and smoke characterization in reduced gravity for enhanced spacecraft safety. Reactive fluid environment. Sorbonne Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022SORUS333⟩. ⟨tel-03977010⟩
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