为保障载人航天器的防火安全,应探索微重力下火灾发生的早期演变机理。但地面微重力实验时间短,同时空间搭载实验费用昂贵,所以非常需要在地面开展微重力实验模拟研究。基于弱浮力环境模拟微重力效应的思路,本文开展了弱浮力下载人航天器中典型非金属材料导线绝缘层着火早期演变特性的研究。基于各种微重力燃烧的地面实验模拟方法,系统研究了弱浮力下过载电流时导线绝缘层的着火早期演变特性,具体包括温升特性、烟气输运特性以及产物烟黑的分布特性,并相应地预测了微重力下导线绝缘层着火早期的演变机理。全文主要研究内容如下：首先,在第2章系统总结了微重力燃烧的地面实验模拟方法,详细介绍了低压法和窄通道法的模拟原理、有效性及其不足；并提出改进,尤其在窄通道法基础上提出了低压窄通道法,给出其具体原理,并指出了该方法在研究热厚材料着火早期演变特性方面的优势。此后,分三章逐步介绍过载电流下绝缘层的着火早期演变特性。第3章,首先建立了绝缘层着火早期温升特性的简化物理模型,并基于模型得到绝缘层温升曲线的理论解,进而分析了弱浮力对其影响机理。此后,利用低压法研究了压力、氧气浓度、环境组分、电流大小、绝缘层种类和厚度等因素对绝缘层着火早期温升特性的影响。结果表明,随着压力的降低,绝缘层的温升率、平衡温度逐步增大,达到平衡温度的时间逐步减小,从而证明低压法有效地抑制了浮力对流,使得自然对流散热被明显削弱。接着利用窄通道法研究了通道高度、壁面种类等因素对绝缘层着火早期温升特性的影响。结果表明,随着通道高度的降低,绝缘层的温升率、平衡温度逐步增大,达到平衡温度的时间逐步减小,从而证明窄通道法也可有效地抑制浮力对流,使得自然对流散热被明显削弱。另外,结果表明,应选择壁面蓄热能力弱、壁面导热系数小的材料来减少窄通道的壁面热损失；并且水平放置的窄通道抑制浮力对流的效果要优于垂直放置的。最后,验证了低压窄通道法模拟微重力下绝缘层着火早期温升特性的有效性,并指出其适用范围。第4章,首先建立了绝缘层烟气微团析出的简化物理模型,并基于模型揭示了烟气微团运动轨迹和烟气喷射角的变化规律,指出压力对烟气微团输运特性的影响机理,并预测了微重力下的结果。然后,利用低压法研究了压力、环境组分、氧气浓度、电流大小、绝缘层种类和厚度等因素对绝缘层着火早期烟气输运特性的影响。结果表明,在纯氮气环境下,压力越低,绝缘层破损模式依次为热膨胀模式、烟气喷射模式、鼓泡模式,其热降解程度越来越剧烈,绝缘层相应的析出烟气时间或起泡时间减小,烟气喷射角增大,表明压力有效削弱了浮力对流作用。而在空气组分和纯氧气环境下,随着压力的降低,由于氧气含量的减少,绝缘层氧化分解程度降低,绝缘层析出烟气的时间增大,此外烟气喷射角随着压力降低逐步增大,这再次表明压力有效削弱了浮力对流作用。此外,降低氮气稀释剂含量可以增加绝缘层的氧化分解速度,表明只降低氮气含量的低压环境可以克服低压法抑制化学反应速率的不足。随着过载电流的增加,绝缘层析出烟气的时间缩短,烟气量明显增加,所以为了预防火灾需要有效监视用电设备的工作电流大小。最后,研究表明绝缘层种类对于绝缘层的烟气输运特性影响大,应优先选用热稳定性良好的材料作为绝缘层。接着利用窄通道法研究了通道高度、通道放置方式对绝缘层着火早期烟气输运特性的影响。结果表明,随着窄通道高度的降低,通道内部绝缘层烟气的输运特性明显不同,依次呈现：发散型、聚散型和聚附型；且当窄通道通道高度在10mm-15mm时,烟气的自然对流流动过程被有效地抑制,与微重力下绝缘层烟气输运过程相似。进一步,相比垂直放置方式,水平放置的窄通道可更有效地抑制浮力对流,得到类似微重力下的烟气输运特性。最后,采用低压窄通道法研究了绝缘层的烟气输运特性。结果表明,低压窄通道法在10mm-21.4mm通道高度内,能够获得近似微重力下的烟气输运特性。第5章,首先阐述激光衰减法测量烟黑浓度的原理,并阐述了烟黑浓度数据反演算法和降噪原理,并基于此编写了一套烟黑浓度Matlab计算程序。此后,搭建了全场烟黑浓度测量的实验系统,并验证了该实验系统和数据处理方法的有效性。接着,研究了环境组分、压力、氮气稀释剂对绝缘层着火早期烟黑分布特性的影响。结果表明,在空气组分下,随着压力降低,绝缘层着火早期的烟黑浓度先降低,此后又逐渐增大。而在相同压力时,纯氧环境工况,绝缘层着火早期生成的烟黑最多,说明氧气含量增加会促进绝缘层的分解,释放出更多烟黑,这表明可用低压富氧环境来预测微重力下的结果。另外,若在氧气含量一定时,随着氮气稀释剂含量的降低,绝缘层析出的烟黑浓度逐步增加,因此只降低稀释剂含量建立的弱浮力环境,可更好地预测微重力下的结果。此外,无论何种环境组分,随着压力降低,由于浮力对流被逐步抑制,使得水平方向上绝缘层的烟黑扩散更远,而垂直方向上绝缘层的烟黑分布更加均匀,逐步接近微重力下的烟黑分布状况。最后,利用场发射扫描电镜分析了典型工况下绝缘层生成的烟黑颗粒形态和粒径。结果表明,随着压力的降低,绝缘层的烟黑颗粒等效直径逐渐增大,该趋势与微重力下的结果一致。总之,通过本文的研究,获得了弱浮力环境下过载电流时导线绝缘层着火早期的演变特性,预测了微重力下的变化趋势,并基于着火早期演变特性的结果对微重力模拟方法提出了有效改进。本文工作将为今后微重力下材料防火性能的检验和着火早期的监测,提供了坚实的理论依据和大量的基础数据。