“以火救火”的空间燃烧实验——为何在空间站点火如此令人兴奋？

今年2月，中国空间站梦天实验舱燃烧科学实验柜成功实施首次在轨点火实验。这次实验使用甲烷做燃料，两次点火实验共持续约30秒，验证了空间站燃烧科学实验系统功能的完备性以及整体实验流程的准确性和科学性，为后续空间科学燃烧实验项目打下良好基础。那么，太空微重力燃烧有哪些特点？在太空微重力环境下进行燃烧实验的目的又是什么？

空间站燃烧科学实验柜甲烷燃烧图像（左）与地面同种工况甲烷燃烧图像（右）。图/中国科学院工程热物理研究所 清华大学燃烧能源中心

微重力燃烧实验已有半世纪

最早进行微重力燃烧实验的是日本东京大学，他们使用落塔等自由落体设施进行液滴燃烧实验。随后，美国也利用落塔和飞机失重进行了多次微重力燃烧实验。

1967年，阿波罗1号飞船发生火灾，3名航天员不幸身亡，这让航天界高度重视航天器的防火工作，微重力燃烧实验的安全工作得到了越来越多的重视。

1974年，美国在天空实验室空间站上进行了人类首次太空微重力燃烧实验。航天飞机时代的美国继续开展微重力燃烧实验，目的是研究火焰在太空的点燃、自燃、传播和熄灭等过程。

随着国际空间站的建造和完成，美国、欧空局和日本利用空间站的燃烧集成机柜等设备进行微重力燃烧实验，开展了诸如空气净化燃烧实验、固体燃烧熄灭实验、火焰熄灭实验和实验2、火焰结构和火焰抬升实验、烟雾测量实验和燃烧速率、火焰扩散、球形冷焰等一系列实验，这些研究增进了人类对火焰基本燃烧过程的认识和理解，并取得了丰硕的研究成果。

2006年，我国发射的实践八号空间试验卫星成功完成了两项燃烧实验，成为我国第一批微重力空间燃烧实验。2016年，我国发射的实践十号返回式科学实验卫星，也安排了微重力燃烧实验，包括微重力下煤燃烧及污染物生成特性研究和非金属材料在微重力环境下的着火及燃烧特性研究。

中国空间站梦天实验舱发射后，独立的燃烧实验机柜更为我国开展太空微重力燃烧实验打下了坚实基础。

燃烧实验特点鲜明

火焰代表的燃烧反应是现代文明的基石，更深入地认识和了解燃烧过程，对减少燃料消耗和污染排放都有重要意义。

火焰看上去很简单，实则燃烧非常复杂，是涉及到化学和流体力学的复杂过程。人们很早就认识到重力对燃烧过程有很大影响，如果能消除重力对燃烧过程的影响，就能更好地认识和分析燃烧过程，完善燃烧反应的模型和理论研究。

微重力燃烧实验的最大特点是自由落体状态下基本消除了地球重力的影响，在失重或微重力环境下，火焰燃烧呈现出很多截然不同的现象。

微重力燃烧后形成的产物也有所不同。例如，庚烷在地面燃烧生成烟尘、二氧化碳和水，而在微重力环境下会有独特的冷焰燃烧状态，虽然此时没有了明火，但低温火焰燃烧会产生一氧化碳和甲醛。

众所周知，重力是火焰燃烧中产生浮力对流的关键，直接影响到火焰的结构，燃烧的稳定、火焰的传播和熄灭等燃烧现象，常规重力下对火焰燃烧本质的研究如同雾里看花，很难获得更深入的了解。

另外，火焰在重力作用下有重心，会呈现液滴状，而微重力环境下的燃烧大相径庭，其火焰更短更圆，表现为半球形或球形，因为重力的消失导致对流现象严重削弱或消失，微重力环境也抑制了液滴和颗粒的沉降。同时，火焰在地面燃烧时被强烈对流掩盖的一些燃烧现象，例如，火焰燃烧的热辐射、扩散现象、毛细效应和静电力等微弱的基本效应，在太空也能很明显地表现出来，这就为深入研究火焰基本燃烧过程提供了更好的环境。

此外，微重力环境下悬浮的液滴和颗粒也能燃烧，火焰呈现圆球状，这都是火焰在地面无法呈现的奇景，扩展了人们对火焰燃烧过程的认识。

得益于独特的微重力环境，微重力燃烧实验为验证火焰燃烧基本过程和理论，以及研究燃烧过程的物理化学机制提供了更有效的途径。

燃烧实验未来用途大

为满足燃烧科学研究，能源和环保等需求，世界很多国家都开展了微重力燃烧科学试验。

人类进入航天时代，尤其是进入载人航天时代后，事关人命，容不得半点马虎。阿波罗1号飞船的火灾发生在地面，航天员都没能逃生，如果飞船在太空发生火灾，防火和灭火的成败更直接关系到航天员的生命安全。

载人航天的发展对航天器的防火提出了很高要求，科研人员开展微重力燃烧实验的一个主要目的就是深入了解和认识火焰在太空微重力环境下的燃烧过程，为开发防火、灭火技术做好理论研究。

国际空间站上的航天员在火焰熄灭实验中就发现庚烷和其他液体燃料的液滴在可见的明火熄灭后仍在持续低温燃烧，即冷焰，直到冷焰熄灭才停止液滴的快速汽化，这意味着微重力下明火的熄灭并非燃烧过程的终结。所以，空间站上的灭火装置必须考虑火焰二级燃烧问题。

微重力燃烧实验的这些新发现，有助于开发出更完善的航天器防火检测技术和更安全的空间灭火技术；微重力燃烧实验中对火焰燃烧过程的了解，还有利于提高地面内燃机的燃烧效率，以及降低燃烧尾气的污染排放，因此在节能减排方面具有重要价值。

我国实践十号科学卫星进行的微重力下煤燃烧和污染物研究实验，目的就是通过微重力环境燃烧的对比，以更好地发现煤炭燃烧和污染物生成的规律，以发展更好的煤燃烧理论和技术，让人们能更高效地利用煤炭资源。

另外，以国际空间站上的FLEX-2实验为代表，对火焰在微重力环境下燃烧过程的深入研究，还有助于提高行星际探测任务中火箭发动机的燃烧效率，研制出比冲和效率更高的火箭发动机，降低发射质量和任务成本。

所以，火焰微重力燃烧实验对科技的发展和资源的利用都有着比较重要的意义。（作者：张雪松）