空間燃燒實(shí)驗(yàn)：尋最佳滅火和燃燒技術(shù)

今年2月，中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜成功實(shí)施首次在軌點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。這次實(shí)驗(yàn)使用甲烷做燃料，兩次點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)共持續(xù)約30秒，驗(yàn)證了空間站燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能的完備性以及整體實(shí)驗(yàn)流程的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，為后續(xù)空間科學(xué)燃燒實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目打下良好基礎(chǔ)。那么，太空微重力燃燒有哪些特點(diǎn)？在太空微重力環(huán)境下進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)的目的又是什么？

(相關(guān)資料圖)

空間站燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜甲烷燃燒圖像（左）與地面同種工況甲烷燃燒圖像（右）。圖/中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 清華大學(xué)燃燒能源中心

微重力燃燒實(shí)驗(yàn)已有半世紀(jì)

最早進(jìn)行微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的是日本東京大學(xué)，他們使用落塔等自由落體設(shè)施進(jìn)行液滴燃燒實(shí)驗(yàn)。隨后，美國(guó)也利用落塔和飛機(jī)失重進(jìn)行了多次微重力燃燒實(shí)驗(yàn)。

1967年，阿波羅1號(hào)飛船發(fā)生火災(zāi)，3名航天員不幸身亡，這讓航天界高度重視航天器的防火工作，微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的安全工作得到了越來(lái)越多的重視。

1974年，美國(guó)在天空實(shí)驗(yàn)室空間站上進(jìn)行了人類(lèi)首次太空微重力燃燒實(shí)驗(yàn)。航天飛機(jī)時(shí)代的美國(guó)繼續(xù)開(kāi)展微重力燃燒實(shí)驗(yàn)，目的是研究火焰在太空的點(diǎn)燃、自燃、傳播和熄滅等過(guò)程。

隨著國(guó)際空間站的建造和完成，美國(guó)、歐空局和日本利用空間站的燃燒集成機(jī)柜等設(shè)備進(jìn)行微重力燃燒實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了諸如空氣凈化燃燒實(shí)驗(yàn)、固體燃燒熄滅實(shí)驗(yàn)、火焰熄滅實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)2、火焰結(jié)構(gòu)和火焰抬升實(shí)驗(yàn)、煙霧測(cè)量實(shí)驗(yàn)和燃燒速率、火焰擴(kuò)散、球形冷焰等一系列實(shí)驗(yàn)，這些研究增進(jìn)了人類(lèi)對(duì)火焰基本燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)和理解，并取得了豐碩的研究成果。

2006年，我國(guó)發(fā)射的實(shí)踐八號(hào)空間試驗(yàn)衛(wèi)星成功完成了兩項(xiàng)燃燒實(shí)驗(yàn)，成為我國(guó)第一批微重力空間燃燒實(shí)驗(yàn)。2016年，我國(guó)發(fā)射的實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，也安排了微重力燃燒實(shí)驗(yàn)，包括微重力下煤燃燒及污染物生成特性研究和非金屬材料在微重力環(huán)境下的著火及燃燒特性研究。

中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射后，獨(dú)立的燃燒實(shí)驗(yàn)機(jī)柜更為我國(guó)開(kāi)展太空微重力燃燒實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

燃燒實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)鮮明

火焰代表的燃燒反應(yīng)是現(xiàn)代文明的基石，更深入地認(rèn)識(shí)和了解燃燒過(guò)程，對(duì)減少燃料消耗和污染排放都有重要意義。

火焰看上去很簡(jiǎn)單，實(shí)則燃燒非常復(fù)雜，是涉及到化學(xué)和流體力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程。人們很早就認(rèn)識(shí)到重力對(duì)燃燒過(guò)程有很大影響，如果能消除重力對(duì)燃燒過(guò)程的影響，就能更好地認(rèn)識(shí)和分析燃燒過(guò)程，完善燃燒反應(yīng)的模型和理論研究。

微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)是自由落體狀態(tài)下基本消除了地球重力的影響，在失重或微重力環(huán)境下，火焰燃燒呈現(xiàn)出很多截然不同的現(xiàn)象。

微重力燃燒后形成的產(chǎn)物也有所不同。例如，庚烷在地面燃燒生成煙塵、二氧化碳和水，而在微重力環(huán)境下會(huì)有獨(dú)特的冷焰燃燒狀態(tài)，雖然此時(shí)沒(méi)有了明火，但低溫火焰燃燒會(huì)產(chǎn)生一氧化碳和甲醛。

眾所周知，重力是火焰燃燒中產(chǎn)生浮力對(duì)流的關(guān)鍵，直接影響到火焰的結(jié)構(gòu)，燃燒的穩(wěn)定、火焰的傳播和熄滅等燃燒現(xiàn)象，常規(guī)重力下對(duì)火焰燃燒本質(zhì)的研究如同霧里看花，很難獲得更深入的了解。

另外，火焰在重力作用下有重心，會(huì)呈現(xiàn)液滴狀，而微重力環(huán)境下的燃燒大相徑庭，其火焰更短更圓，表現(xiàn)為半球形或球形，因?yàn)橹亓Φ南?dǎo)致對(duì)流現(xiàn)象嚴(yán)重削弱或消失，微重力環(huán)境也抑制了液滴和顆粒的沉降。同時(shí)，火焰在地面燃燒時(shí)被強(qiáng)烈對(duì)流掩蓋的一些燃燒現(xiàn)象，例如，火焰燃燒的熱輻射、擴(kuò)散現(xiàn)象、毛細(xì)效應(yīng)和靜電力等微弱的基本效應(yīng)，在太空也能很明顯地表現(xiàn)出來(lái)，這就為深入研究火焰基本燃燒過(guò)程提供了更好的環(huán)境。

此外，微重力環(huán)境下懸浮的液滴和顆粒也能燃燒，火焰呈現(xiàn)圓球狀，這都是火焰在地面無(wú)法呈現(xiàn)的奇景，擴(kuò)展了人們對(duì)火焰燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

得益于獨(dú)特的微重力環(huán)境，微重力燃燒實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證火焰燃燒基本過(guò)程和理論，以及研究燃燒過(guò)程的物理化學(xué)機(jī)制提供了更有效的途徑。

燃燒實(shí)驗(yàn)未來(lái)用途大

為滿(mǎn)足燃燒科學(xué)研究，能源和環(huán)保等需求，世界很多國(guó)家都開(kāi)展了微重力燃燒科學(xué)試驗(yàn)。

人類(lèi)進(jìn)入航天時(shí)代，尤其是進(jìn)入載人航天時(shí)代后，事關(guān)人命，容不得半點(diǎn)馬虎。阿波羅1號(hào)飛船的火災(zāi)發(fā)生在地面，航天員都沒(méi)能逃生，如果飛船在太空發(fā)生火災(zāi)，防火和滅火的成敗更直接關(guān)系到航天員的生命安全。

載人航天的發(fā)展對(duì)航天器的防火提出了很高要求，科研人員開(kāi)展微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要目的就是深入了解和認(rèn)識(shí)火焰在太空微重力環(huán)境下的燃燒過(guò)程，為開(kāi)發(fā)防火、滅火技術(shù)做好理論研究。

國(guó)際空間站上的航天員在火焰熄滅實(shí)驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)庚烷和其他液體燃料的液滴在可見(jiàn)的明火熄滅后仍在持續(xù)低溫燃燒，即冷焰，直到冷焰熄滅才停止液滴的快速汽化，這意味著微重力下明火的熄滅并非燃燒過(guò)程的終結(jié)。所以，空間站上的滅火裝置必須考慮火焰二級(jí)燃燒問(wèn)題。

微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的這些新發(fā)現(xiàn)，有助于開(kāi)發(fā)出更完善的航天器防火檢測(cè)技術(shù)和更安全的空間滅火技術(shù)；微重力燃燒實(shí)驗(yàn)中對(duì)火焰燃燒過(guò)程的了解，還有利于提高地面內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率，以及降低燃燒尾氣的污染排放，因此在節(jié)能減排方面具有重要價(jià)值。

我國(guó)實(shí)踐十號(hào)科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行的微重力下煤燃燒和污染物研究實(shí)驗(yàn)，目的就是通過(guò)微重力環(huán)境燃燒的對(duì)比，以更好地發(fā)現(xiàn)煤炭燃燒和污染物生成的規(guī)律，以發(fā)展更好的煤燃燒理論和技術(shù)，讓人們能更高效地利用煤炭資源。

另外，以國(guó)際空間站上的FLEX-2實(shí)驗(yàn)為代表，對(duì)火焰在微重力環(huán)境下燃燒過(guò)程的深入研究，還有助于提高行星際探測(cè)任務(wù)中火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，研制出比沖和效率更高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，降低發(fā)射質(zhì)量和任務(wù)成本。

所以，火焰微重力燃燒實(shí)驗(yàn)對(duì)科技的發(fā)展和資源的利用都有著比較重要的意義。（作者：張雪松）

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