“以火救火”的空間燃燒實驗——為何在空間站點火如此令人興奮？

今年2月，中國空間站夢天實驗艙燃燒科學實驗柜成功實施首次在軌點火實驗。這次實驗使用甲烷做燃料，兩次點火實驗共持續(xù)約30秒，驗證了空間站燃燒科學實驗系統(tǒng)功能的完備性以及整體實驗流程的準確性和科學性，為后續(xù)空間科學燃燒實驗項目打下良好基礎。那么，太空微重力燃燒有哪些特點？在太空微重力環(huán)境下進行燃燒實驗的目的又是什么？

空間站燃燒科學實驗柜甲烷燃燒圖像（左）與地面同種工況甲烷燃燒圖像（右）。圖/中國科學院工程熱物理研究所 清華大學燃燒能源中心

微重力燃燒實驗已有半世紀

最早進行微重力燃燒實驗的是日本東京大學，他們使用落塔等自由落體設施進行液滴燃燒實驗。隨后，美國也利用落塔和飛機失重進行了多次微重力燃燒實驗。

1967年，阿波羅1號飛船發(fā)生火災，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，微重力燃燒實驗的安全工作得到了越來越多的重視。

1974年，美國在天空實驗室空間站上進行了人類首次太空微重力燃燒實驗。航天飛機時代的美國繼續(xù)開展微重力燃燒實驗，目的是研究火焰在太空的點燃、自燃、傳播和熄滅等過程。

隨著國際空間站的建造和完成，美國、歐空局和日本利用空間站的燃燒集成機柜等設備進行微重力燃燒實驗，開展了諸如空氣凈化燃燒實驗、固體燃燒熄滅實驗、火焰熄滅實驗和實驗2、火焰結構和火焰抬升實驗、煙霧測量實驗和燃燒速率、火焰擴散、球形冷焰等一系列實驗，這些研究增進了人類對火焰基本燃燒過程的認識和理解，并取得了豐碩的研究成果。

2006年，我國發(fā)射的實踐八號空間試驗衛(wèi)星成功完成了兩項燃燒實驗，成為我國第一批微重力空間燃燒實驗。2016年，我國發(fā)射的實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星，也安排了微重力燃燒實驗，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。

中國空間站夢天實驗艙發(fā)射后，獨立的燃燒實驗機柜更為我國開展太空微重力燃燒實驗打下了堅實基礎。

燃燒實驗特點鮮明

火焰代表的燃燒反應是現(xiàn)代文明的基石，更深入地認識和了解燃燒過程，對減少燃料消耗和污染排放都有重要意義。

火焰看上去很簡單，實則燃燒非常復雜，是涉及到化學和流體力學的復雜過程。人們很早就認識到重力對燃燒過程有很大影響，如果能消除重力對燃燒過程的影響，就能更好地認識和分析燃燒過程，完善燃燒反應的模型和理論研究。

微重力燃燒實驗的最大特點是自由落體狀態(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)境下會有獨特的冷焰燃燒狀態(tài)，雖然此時沒有了明火，但低溫火焰燃燒會產(chǎn)生一氧化碳和甲醛。

眾所周知，重力是火焰燃燒中產(chǎn)生浮力對流的關鍵，直接影響到火焰的結構，燃燒的穩(wěn)定、火焰的傳播和熄滅等燃燒現(xiàn)象，常規(guī)重力下對火焰燃燒本質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，因為重力的消失導致對流現(xiàn)象嚴重削弱或消失，微重力環(huán)境也抑制了液滴和顆粒的沉降。同時，火焰在地面燃燒時被強烈對流掩蓋的一些燃燒現(xiàn)象，例如，火焰燃燒的熱輻射、擴散現(xiàn)象、毛細效應和靜電力等微弱的基本效應，在太空也能很明顯地表現(xiàn)出來，這就為深入研究火焰基本燃燒過程提供了更好的環(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法呈現(xiàn)的奇景，擴展了人們對火焰燃燒過程的認識。

得益于獨特的微重力環(huán)境，微重力燃燒實驗為驗證火焰燃燒基本過程和理論，以及研究燃燒過程的物理化學機制提供了更有效的途徑。

燃燒實驗未來用途大

為滿足燃燒科學研究，能源和環(huán)保等需求，世界很多國家都開展了微重力燃燒科學試驗。

人類進入航天時代，尤其是進入載人航天時代后，事關人命，容不得半點馬虎。阿波羅1號飛船的火災發(fā)生在地面，航天員都沒能逃生，如果飛船在太空發(fā)生火災，防火和滅火的成敗更直接關系到航天員的生命安全。

載人航天的發(fā)展對航天器的防火提出了很高要求，科研人員開展微重力燃燒實驗的一個主要目的就是深入了解和認識火焰在太空微重力環(huán)境下的燃燒過程，為開發(fā)防火、滅火技術做好理論研究。

國際空間站上的航天員在火焰熄滅實驗中就發(fā)現(xiàn)庚烷和其他液體燃料的液滴在可見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程的終結。所以，空間站上的滅火裝置必須考慮火焰二級燃燒問題。

微重力燃燒實驗的這些新發(fā)現(xiàn)，有助于開發(fā)出更完善的航天器防火檢測技術和更安全的空間滅火技術；微重力燃燒實驗中對火焰燃燒過程的了解，還有利于提高地面內(nèi)燃機的燃燒效率，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值。

我國實踐十號科學衛(wèi)星進行的微重力下煤燃燒和污染物研究實驗，目的就是通過微重力環(huán)境燃燒的對比，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，讓人們能更高效地利用煤炭資源。

另外，以國際空間站上的FLEX-2實驗為代表，對火焰在微重力環(huán)境下燃燒過程的深入研究，還有助于提高行星際探測任務中火箭發(fā)動機的燃燒效率，研制出比沖和效率更高的火箭發(fā)動機，降低發(fā)射質量和任務成本。

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