伴夢成長系列 太空「玩火」

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國際空間站上的燃燒實驗產生了一些意想不到的結果，燃燒實驗在第一階段產生了我們常見的熱火焰，而第二階段被稱作冷火焰化學放熱的過程所代替，科研人員在純燃料穩定燃燒中觀察到低溫、無煙塵產生的火焰。

冷火焰是指燃燒在600攝氏度左右的火焰。為了有效理解冷火焰這一概念，我們以常規的蠟燭燃燒時的火焰作比較，蠟燭的火焰溫度一般為1400攝氏度左右，比冷火焰溫度高出一倍多。更讓科研人員驚訝的是，他們在上面第一次觀察到在一定條件下庚烷在燃燒熄滅後仍有明顯的燃燒，但是對此他們目前還無法解釋。不過，這項實驗發現或許會大有用武之地，比如，若未來將此發現用於內燃引擎，它可以使汽車更省油且減少污染；太空中，空間站的消防安全也將可能得益於這個新的發現——火焰燃燒在可見火焰熄滅後仍然生熱，所以滅火時也需要考慮這種可能性。

國際空間站上庚烷燃燒實驗

而實際上，國際空間站內各種科學儀器設備繁多，散熱渠道也比較有限，一旦發生火災，再加上火焰在微重力環境中的燃燒特性也不明確，因此火勢若蔓延其後果將不堪設想。所以，像上述關於研究火的實驗一直以來在空間站上都有一些，這些實驗或許能有效指導航天員安全用火和正確滅火，以保障空間站消防安全；也將為燃料提高燃燒效率提供新的思路，以至在太空技術民用化的過程中，有望有效減少地面上的燃料消耗和廢氣排放，為地球能源危機提供緩減之路。

第30長期考察組的飛行工程師唐·佩蒂特位於國際空間站上美國實驗室中的微重力科學手套式密封箱旁邊做燃燒結構和剝離實驗研究項目實驗

空間站「火」實驗

在太空開展對火的研究實驗並不容易，無論是以懸在半空中的方式，還是通過塑料球燃燒的方式，天上地下的科研人員已經觀測研究了很多年。不過，在這幾十年的火焰研究中，已經得出了很好的理論模型和數值模擬。NASA曾批准在國際空間站上開展兩個項目研究：燃燒結構和剝離實驗研究項目和固體燃燒與抑制研究項目。未來通過對國際空間站上兩大燃燒實驗對象——固體和氣體，來進一步完善我們對火焰結構和性能的理解。燃燒結構和剝離實驗研究項目主要考察協流的、薄片狀的、擴散的火焰——其中燃料和氧化劑並沒有預先混合。這項研究重點是研究從燃燒物上剝離並浮於半空中的火焰。固體燃燒與抑制研究項目著眼於各種燃燒材料在微重力條件下具有不同形狀的火焰。通過這個項目研究人員可以對氮氣在微重力環境下抑制火焰的有效性進行評估。

國際空間站上燃燒結構和剝離實驗研究項目中的氮氣混合20%乙烯的燃燒實驗圖

這兩個實驗項目都是為理解火焰的基本結構。通過這兩個實驗結果，研究人員可以改進火焰的計算模型，並將此模型在地球和空間進行實際使用。

「工程師們希望坐在計算機前設計汽車發動機、飛機引擎或者鍋爐儘可能高效，產生儘可能少的污染物，」燃燒結構和剝離實驗研究項目首席科學家、耶魯大學教授馬歇爾·朗說，「我們正在試圖做實驗來提供更好的計算模型，以此可以預測燃燒條件和範圍，也能夠幫助我們更好地理解火焰的原理。」為了得到更好的物理模型，科學家們需要可靠的數據，並且要求實驗環境不受外來的影響。在地球上研究火焰因受重力影響而不穩定，地面上的浮力使熱空氣上升，從而導致火焰閃爍。如果研究者能使浮力降低至接近為零，那麼就可以獲得以前被地球上條件限制的更廣泛的火焰不同特性。微重力環境下的火焰是否產生煙塵取決於氣流狀況，而地球上火焰產生的煙塵量往往受氣流狀況影響較小。

地球上的重力影響火焰的結構，包括其熱度、分子分布、大小和形狀等。空間環境導致火焰熱度和分子運動方式發生改變，儘管它基本的化學反應是不變的。「微重力是很有趣的，因為它會使事物的特性不一樣。如果沒有重力，熱空氣不再上升，」馬歇爾·朗說，「這就是為什麼國際空間站是做這些實驗的理想場所的原因。」雖然地面上短期的微重力環境可以通過下落轉置實現，但是實驗和結果受時間（每次轉置實現大約只能保持5秒鐘）和儀器晃動影響；而在太空中，研究人員就有充裕的實驗時間，且不受晃動干擾。「當你在微重力環境下做實驗，可以自主開發模型，而無需複雜浮力的影響，」固體燃燒與抑制研究項目首席科學家、NASA格倫研究中心的保羅·法庫爾說，「從建模的角度來看，重力是一個非常複雜的因素。」

使用空間站作為實驗室，燃燒結構和剝離實驗研究項目的研究人員看重非預混火焰，這意味著最初的燃料和氧氣劑是分開的。這種類型的燃燒在地面上發生在柴油發動機、燃氣輪機和鍋爐等上。這個研究項目採用的是甲烷和乙烯，有時燃料會用氮氣稀釋，當流量條件是正確的，火焰會脫離其來源而向下游移動，從而可以建立更加精確的燃燒器模型。「當火焰向下游移動，有時候它只是熄滅，像吹了蛋糕上的蠟燭一樣，」燃燒結構和剝離實驗研究項目的項目科學家、NASA格倫研究中心合作研究員丹尼斯·斯托克說，「但是在其他情況下，你可以建立一個穩定的升起火焰。」

固體燃燒與抑制研究項目研究人員則將通過觀察一系列固體燃料在微重力環境下的燃燒和熄滅特徵來進一步探索火焰。並將測試給定與地球上相似的通風條件、相同氣壓和氧氣濃度、溫度等條件，觀測微重力條件下的燃燒是否好於常規重力下的燃燒。

這些實驗得出的研究結果將能夠構建立燃燒計算模型，用於設計太空或地面上的火災探測和滅火系統。

探索火焰的新奧秘

我們知道，在地球上最好滅火方式是用滅火器朝火源根部噴射乾粉；在微重力環境下，若採取這種方式只會導致情況更糟，因為這反而更有利於火源燃燒。

固體燃燒與抑制研究項目的研究人員在微重力科學手套箱中將不同性質的各種物質在不同氣流流量條件下進行燃燒。所研究燃料的幾何形狀為球形或者扁平形狀。球形燃料用0.75英寸（約1.9cm）直徑的塑料球,扁平燃料是薄細如紙，約4英寸（約10.2cm）長的一條膠帶，或2X10厘米大小的片材。

國際空間站上固體燃燒與抑制研究項目中的一個塑料球燃燒實驗，這項研究著眼於各種燃燒材料在微重力條件下具有不同形狀的火焰

法庫爾說：「我們正試圖建立一個資料庫，存儲在零重力狀態下不同條件和不同性質的各種固體材料的燃燒特性。」燃料的來源之一是聚甲基丙烯酸甲酯，更好的品牌如丙烯酸樹脂和有機玻璃。固體燃燒與抑制研究項目的實驗也採用了另外兩種塑料、棉類和定製的玻璃纖維，這些材料專門是用於火焰蔓延研究的，而該項目是採用氮氣作為滅火劑。

這些在微重力環境下的燃燒實驗，讓我們得以窺見火焰的新奧秘，也啟發著我們的日常生活，正如斯托克所說：「如果你算上煤炭、石油、天然氣等，美國每年在燃料燃燒方面的開銷，就要花上一萬億美元。儘管燃燒結構和剝離實驗研究項目並非適用於所有類型的燃燒，但給定燃燒的燃油量，在燃油燃燒效率方面的小改進，可能會帶來數十億美元的燃料節省，並有效減少地球上廢氣排放量。」加深對火焰的了解，或許將能幫助我們更好地改造世界！

作者：錢航 中國科學院國家空間科學中心博士 現運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師

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