[科普中国]-微重力燃烧

特点

微重力条件下的燃烧具有以下特点：自然对流几乎消除，可以研究静止和低速流动的燃烧；被浮力及其诱导效应掩盖的次级力和现象如静电力、热泳力、热毛细力和扩散等，可以表现出来；重力沉降几乎消除，可以研究稳定的自由悬浮液滴、颗粒、液雾和粉尘的燃烧；浮力的消除，可使燃烧的时间和长度增大，这方便了实验观察。利用这些特点，可以扩展实验参数范围，简化对燃烧过程的研究，准确验证已经被接受但尚未得到证实的理论，并通过模型化研究为发展地面燃烧中存在的基本现象提供新的认识。从中获得的研究成果，可以应用于常重力条件下改进燃烧设施、预防火灾和爆炸事故；也可以应用于微重力条件下的载人航天技术中，降低火灾风险、提高不同加速度水平下的燃烧效率。实际上，加深对地面燃烧过程的认识和增强对载人航天器火灾安全问题的理解一直是推动微重力燃烧研究的两个目标。可以说，微重力条件为认识燃烧的内在机理提供了新的机会，而载人航天器的安全、高效运行也对燃烧的研究提出了新的挑战。2

分类微重力燃烧领域里的研究方向包括液滴燃烧、固体表面的火焰传播、蜡烛火焰、炭黑生成特性、气体扩散燃烧等。

液滴燃烧液滴燃烧广泛存在于内燃机、燃气轮机、锅炉、喷气技术等领域．由于癸烷在燃烧中生成炭黑，会影响液滴直径的测量，因此燃烧中生成炭黑较少的正庚烷一直是液滴燃烧的主要研究对象．日本东京大学Kumagai和Isoda对悬挂正庚烷液滴燃烧的自由落体实验是最早的微重力燃烧研究．Kumagai实验的最初目标是检验D平方定律以及测量蒸发参数．经典的扩散火焰模型是建立在大量简化假设基础上的，主要是忽略强迫或对流过程，由此得出著名的“D平方定律”，它假设燃烧时液滴直径D的平方是时间的线性函数。

Kumagai的实验是在燃烧室内进行的，该燃烧室放在以自由落体下降的容器里．系统能实现0.5s和10-4g的微重力环境，借助16ram照相机进行测量，但仅限于确定液滴的几何形状和火焰的几何形状随时间的变化．该方法可以检验对流可忽略的情况下液滴燃烧过程的球对称性，并测量液滴直径D和火焰直径的变化规律。

Kumagai总结出如下规律：

(1)对于大多数燃料，在大气压强下燃烧时，蒸发常数K的值是1mm量级。

(2)某些实验结果，特别是火焰直径Df随时间的变化，用经典的扩散火焰模型不能解释。

当然，Kumagai的实验也有其局限性，即液滴直径大于0.7mm并且在大气压强下进行。尽管如此，直到现在，该实验仍是验证经典扩散火焰模型的唯一方法，也为以后的微重力液滴燃烧研究奠定了基础。

固体可燃物表面的火焰传播与液滴燃烧相似，沿燃料表面传播的火焰需要加热燃料使其在热解或蒸发后与空气混合燃烧，因此也是一种扩散火焰．但因其具有传播性又与静止的气体火焰不同．其物理机制为：相界面处固相的热解和气化产生的动量连同气体分子的扩散作用一起维持火焰的传播，把这种对微重力火蔓延起主导作用的相界面物理化学过程称为“表面燃料喷射”效应．在火蔓延过程中，固体可燃物在某个位置点燃后，固相热解，可燃气体与氧化剂反应，形成气相火焰．气相火焰又加热了邻近的固体可燃物使其不断热解，从而维持了火蔓延过程的进行。

微重力条件下的燃烧同正常重力条件相比，具有以下特征：在没有通风气流时，正常重力条件下燃烧时由于自然对流的影响，低密度的燃烧产物在浮力抽吸作用下向上运动，而在微重力条件下燃烧则无此现象，燃烧产物主要依靠热膨胀向四周膨胀；微重力条件下新鲜氧气进入燃烧区只能缓慢地扩散转移；由于缺乏对流，微重力条件下燃烧时火焰温度和火焰形态有所不同，即燃烧过程物理化学反应机理不同；微重力条件下火焰主要以扩散方式呈辐射状向外传播，火焰基本呈球状，在与重力方向垂直的固相可燃物表面的蔓延比正常重力条件下容易得多；有通风气流时，火焰在气流流动方向的传播加快。

数值分析方面，Bhattacharjee等提出了热薄燃料在微重力下的火焰传播模型．将坐标系固定在火焰面上，构造稳态方程，因而火焰存在一个外界强迫对流，其大小与火焰的传播速度相等．模型由稳态气相二维椭圆型方程组成，化学反应为单步总包反应，服从二阶Arrhenius定律，燃料热解过程服从Arrhenius热分解模式，但模型中没有包括辐射的影响．气相方程采用SIMPLER算法。

而后，Bhattacharjee和Altenkirch利用前述模型相同的算法和方程，只是在固相能量方程中添加了辐射热损失项，研究辐射热损失对微重力环境静中火焰沿热薄燃料表面传播的影响，结果表明，表面辐射热损失总是使火焰传播速度减小；当氧气浓度较小时，表面辐射热损失导致火焰熄灭．但显然，单纯研究燃料表面辐射热损失对火焰传播的影响是不完全的。

蜡烛火焰研究蜡烛火焰研究是微重力火焰实验的又一个重点，电学大师Michael Faraday曾经说过，引导人们通向科学奥秘的最佳途径就是仔细研究蜡烛的燃烧现象．蜡烛火焰是一种典型的不传播的简单的静止火焰，因而可以利用蜡烛火焰机理来解释许多微重力环境下的特有现象．美国从2001年开始研究蜡烛的原料——石蜡作为火箭的燃料．石蜡的燃烧产物只有水蒸气和二氧化碳，不像现用的固体燃料，燃烧后会产生酸性氢氯化合物和其他有害物质．并且考虑到火箭起飞后将经历渐渐失重的外部环境，因此，很有必要对蜡烛进行微重燃烧研究以了解其作为潜在的固体火箭燃料在特殊条件下的燃烧情况。

最早对蜡烛火焰进行广泛研究的就是Faraday,在他之后的140多年里，蜡烛火焰一直是人们研究的微重力课题之一．蜡烛火焰常被作为对流一扩散火焰的典型例子，用于研究火焰的闪烁现象、火焰熄灭前的脉动、电场效应和强化重力效应等。

1992年以前，几乎所有的蜡烛火焰都在落塔装置中进行．研究中发现一些与正常重力条件下不同的现象，如蜡烛在微重力环境中火焰初始呈黄色球状，亮度逐渐减弱；而且蜡烛火焰直到最终熄灭，火球的颜色、大小、外形一直在变化，很难达到稳定状态。

尽管如此，落塔实验由于受到微重力持续时间以及环境因素的制约，不能得到深入的研究结果．但随着太空技术的发展，航天飞机和空间站等设施为蜡烛燃烧实验的进一步开展提供了良好的微重力平台。

迄今为止，用于蜡烛燃烧实验研究的地面和空间设备包括：抛物线飞行的飞机，NASA格林研究中心2.2秒落塔和5.18秒落井，日本北海道的10秒落井，NASA的航天飞机以及俄罗斯的“和平”号空间站．这些都极大地促进了该领域的发展和完善。3

微重力条件的获取获得微重力的手段主要有落塔或落井(1～10s的微重力时间，10-4～10-6g的微重力水平)，抛物线飞行的飞机(20s左右的微重力时间，10-2 g左右的微重力水平)，探空火箭(5～10min的微重力时间，10-4g的微重力水平)，以及各种空间飞行器(数天-数年的微重力时间，10-4g的微重力水平)。经常进行燃烧实验的落塔主要有美国NASA GRC的2.2s落塔和5.18s落井，德国ZARM的4.74s落塔，日本JAMIC的10s落井和MGLAB的4.5s落塔，中国科学院工程热物理所的2s落塔，中国科学院力学研究所国家微重力实验室的3.5s落塔；实验飞机主要有美国的KC-35，法国的A-300，日本的MU-300等；探空火箭主要有美国的Black Brant，德国的TEXUS，日本的TR-IA等；空间飞行器主要有美国的航天飞机和空间实验室，俄罗斯已坠毁的和平号空间站(Mir)和正在建设的国际空间站。至于具体选用哪种类型的设施，则需要综合考虑实验费用、周期，以及实验对微重力时间、水平和减速载荷等的要求。2

实验方法微重力燃烧研究的实验手段主要包括地面微重力实验设施(落塔、落井)、航空飞行器(飞机、气球、探空火箭)、航天飞行器(卫星、宇宙飞船、空间站)和地面模拟微重力四大类。

地面微重力实验设施落井和落塔的工作模式为自由落体式和上抛-下落式两种，而目前多采用前者，这其中包括中国科学院国家微重力实验室微重力水平为10-5g，有效时间为3.5秒的落塔；美国航空航天局格林研究中心(NASA Glenn Research Center)2.2秒落塔和5.2秒落井，微重力水平分别为10-5g和10-6g；日本JAMIC的10秒落井和MGLAB的4.5秒落塔等。

上抛工作模式是利用自由落体运动的逆过程，整个实验过程由上升和自由下落两个阶段组成．这样的落塔目前只有中国科学院工程热物理研究所建成的2.8秒落塔，微重力水平达到10-4g。

地面微重力设施的主要优点是实验费用相对低廉，易于多次重复实验且微重力水平高．但它所能提供的微重力时间短，且由于实验舱回收过程中要承受几十个g的冲击载荷，因而对实验舱尺寸、质量、内部压强以及舱内的实验仪器有严格限制。

航空飞行器飞机抛物线飞行，发射探空火箭和探空气球等实验方法能提供更长时间的微重力时间．其中，飞机抛物飞行能得到持续时间20s以及10-2g的微重力环境，且可连续作30次以上的飞行，极大地方便了微重力燃烧实验的观察和测试。

利用探空火箭和探空气球能得到更长的微重力时间．目前国外已研制出飞行高度为30—120km的系列探空火箭，可获得持续5-15min、10-2g的微重力环境；国防科技大学和第四研究院等单位研制了“和平”2、“和平”6、“织女”3和“天鹰”3等探空火箭的固体火箭发动机，其中，“天鹰”3的有效载荷为50kg，最大飞行高度220km，可提供360s、10—49的微重力环境。

航空飞行器的优点是微重力持续时间较长，缺点是微重力水平较低，且费用昂贵。

航天飞行器航天飞行器是目前最理想的微重力实验环境，具有微重力持续时间长，微重力水平高和微重力环境稳定的特点．主要的空间飞行器有美国的航天飞机和空间实验室，俄罗斯已坠毁的和平号空间站以及多国联合参与建成的国际空间站．我国也利用返回式卫星进行了大量的微重力实验。

地面模拟微重力环境为克服地面、航空和航天微重力实验手段费用高昂、实验次数有限、实验设备要求苛刻等缺点，提出功能模拟的概念，目的是在地面模拟微重力环境．目前，主要是通过减小浮力的影响来模拟微重力．方法是限制燃烧实验物理尺寸或减小密度差，从而减小格拉晓夫数(Gr)。

此外，为模拟微重力下强制对流环境中的燃烧，俄罗斯提出窄通道的实现方法，它能够很好地限制自然对流，而且窄通道内获得的极限气流速度和火焰传播速度等参数与和平号空间站上的测试结果吻合得很好。3

发展历史国际发展历史微重力燃烧的研究，可以追溯到1956年日本东京大学的Kumagai等用1s微重力时间的简易自由落体设施，对液滴燃烧进行的研究。此后，美国利用KC-135飞机研究了蜡烛火焰和固体材料的可燃性。20世纪60年代中期，美国NASALeRC的2.2s和5.18s落塔投入使用，为微重力燃烧的研究提供了实验条件。1967年阿波罗1号飞船地面试验起火和1970年阿波罗13号飞船液氧储箱爆炸起火后，飞船的火灾安全问题受到重视，气体扩散火焰、沿薄燃料表面的火焰传播和绝缘电线的燃烧等研究相继开展。与此同时，苏联也开展了这方面的研究。1973年，NASA组织科学家全面评估了在空间进行燃烧实验的物理基础和科学价值。次年美国第1次把燃烧实验搬上了太空，在太空实验室中研究了微重力条件下材料的可燃性及灭火问题。此后，由于航天领域的激烈竞争和迅速发展，人们过分估计了空间实验的前景，地面研究没有受到应有的重视。20世纪70年代末，NASA组织科学家对液滴燃烧、标准管内的可燃性极限、粉尘燃烧、多孔燃料燃烧和液池燃烧5个专题进行了深入的空问实验背景调查、可行性论证和概念设计，以便未来条件允许时安排空间实验，这些研究成果形成了微重力燃烧领域的第一部专著。

1986年，美国挑战者号航天飞机失事，人们开始进行反思，并重新把目光投向地面研究，新的落塔相继建成，欧洲也开始了有组织的微重力燃烧研究。1989年起，国际微重力燃烧讨论会开始定期举办；1990年起，国际燃烧会议也增加了微重力燃烧专题。随着地面微重力燃烧研究的不断积累，固体表面燃烧实验于1990年成为太空实验室后的第一个空间燃烧实验。此后，应用地面和空间设施的研究成果之间的互动，推动了微重力燃烧研究的发展，研究成果几乎呈指数增长。2001年，一部系统总结微重力燃烧领域实验、理论和数值模拟等方面研究成果的专著出版(Microgravity combustion：fire in free fall)。为了包含对未来空间探索中非燃烧化学反应问题的研究，国际微重力燃烧讨论会也更名为国际微重力燃烧与化学反应系统讨论会。2

我国发展历史我国微重力科学及相关学科的研究开展较早，但微重力燃烧的研究直到20世纪90年代才开始起步，由于缺乏必要的实验设施，首先开展的是火灾的数值模拟。中国科学院工程热物理研究所2s落塔投入使用后，逐步开展了实验工作。此后建成的中国科学院力学研究所国家微重力实验室及其110m落塔，进一步促进了微重力燃烧与载人航天器火灾安全的研究。我国成功发射并安全返回了神舟五号载人飞船，这一方面对载人航天器火灾安全的研究提出了全新的挑战，另一方面也将与地面设施一起为微重力燃烧的研究提供良好的机遇。2