微重力强迫对流条件下火灾与非火灾颗粒群光散射规律与反演识别方法

火灾探测是载人航天器火灾防治的重要环节，感烟探测是载人航天器火灾探测的主要方式，其关键问题在于微重力环境强迫对流条件下火灾烟与非火灾干扰物颗粒群的监测与识别问题。.项目利用落塔与飞艇实验平台，建立微重力环境强迫对流条件下颗粒群采样与光散射集成实验系统。分析微重力环境强迫对流条件下非金属固体材料阴燃烟颗粒群与典型干扰物颗粒群的形貌、粒径分布特征，建立微重力环境下阴燃烟与干扰物颗粒群的形状模型、谱分布模型，在此基础上，建立微重力环境下火灾烟与干扰物颗粒群的光散射模型；采用前向与后向不同波长多角度光散射的实验方法，研究基于Stokes向量的火灾烟与干扰物颗粒群光散射的Muller矩阵特性，验证发展微重力环境下颗粒群的光散射模型；研究微重力环境下火灾烟颗粒群光散射的入射波长、散射角等关键参数的优化组合方法，结合光散射模型，建立并验证微重力强迫对流条件下阴燃烟与干扰物颗粒群的光散射反演识别算法。

项目建立了微重力强迫对流导线阴燃与气体射流火实验及光散射平台，在实验现象发现、规律分析与理论模型方面：（1）发现微重力强迫对流高温导线短路产烟热解、表面膨胀破裂、热解气体喷出点燃三个阶段特征，研究表明微重力与强迫对流两者均对烟颗粒的初始粒径、回转半径、分形维数等形谱特征有着重要影响，在烟颗粒形貌特征参数分析基础上，结合分形、气溶胶动力学等相关理论，建立了不同重力、强迫对流条件下的烟颗粒凝并模型，阐明了微重力与强迫对流环境对烟颗粒形谱的影响机制；（2）对于甲烷、乙烯两种燃料火焰，在微重力环境下，由于碳黑停留时间增大，乙烯火焰产生碳黑增多，辐射损失升高，导致火焰顶端产生淬熄，乙烯火焰出现了Open Tip现象；微重力环境下火焰热辐射高于常重力环境，且随着空气流速增大，微重力环境下火焰热辐射降低，而常重力环境下火焰的热辐射基本不变；推导了微重、常重、静止、有风等条件下碳黑停留时间公式，建立了火焰热辐射分数的理论模型，定量分析了碳黑对火焰热辐射损失的影响；（3）测量了烟雾颗粒与超声雾化水滴颗粒的532nm光散射矩阵元素随散射角的分布，对比分析了烟雾各光散射矩阵元素随散射角的分布特征，利用模拟退火算法同时拟合多个散射矩阵元的方法，反演识别得到了阴燃烟雾颗粒的折射率、粒径分布参数等参数，为微重力火灾探测提供了理论与实验支撑。. 研究成果在国外高水平期刊与会议上发表SCI检索论文3篇（其中2区高影响因子论文2篇），EI检索论文1篇（与SCI论文不重复计算），EI刊源论文（3篇）；培养博士生4名、硕士生1名，其中1名博士生获中国科学技术大学与安徽省“校优”、“省优”毕业生称号；项目负责人2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2013年获“王宽诚育才奖”二等奖。