研究微重力下的火焰有助于使地球上的燃烧更清洁，太空更安全

来源：NASA爱好者

这种火焰是作为燃烧集成机柜（Combustion Integrated Rack, CIR）内部火焰设计实验（Flame Design investigation）的一部分，用于研究在不同条件下产生的碳烟量而点燃的许多火焰之一。黄色的点是在热的时候会发出黄色光的碳烟团。这些聚集的黄点在微重力下生长的比在地球上更大，因为碳烟在火焰中停留的时间更长

版权：美国国家航空航天局（NASA）

了解火灾在太空中的蔓延和行为对未来宇航员的安全以及了解并控制地球上的火灾至关重要。

微重力对燃烧研究人员测试该领域的一些核心原理也至关重要。NASA格伦研究中心（NASA’s Glenn Research Center）的科学家丹尼尔•迪特里希（Daniel Dietrich）表示：“如果你看任何一本关于燃烧的教科书，几乎所有的理论都忽略了重力的影响。”

微重力燃烧实验的主要研究内容要么与太空火灾安全有关，要么与更好地理解地球和太空中的实际燃烧有关。在低重力环境下产生的火焰与地球上看到的火焰非常不同：由于国际空间站上几乎没有重力，火焰往往是球形的。在地球上，火焰产生的热气上升，而重力则将相对较冷、密度更大的空气拉往火焰底部方向。由此产生了火焰的形状，以及闪烁效果。在微重力下，这种流动不会发生，从而减少了燃烧实验中的变量，使实验更简单，并产生稳定的球形火焰。

NASA宇航员，第59远征队（Expedition 59）飞行工程师克里斯蒂娜•科赫（Christina Koch）在美国“命运号”（Destiny）实验舱的燃烧集成机柜内工作。她正在为一系列实验更换硬件，这些实验被统称为“微重力先进燃烧实验 ”（Advanced Combustion via Microgravity Experiments, ACME）

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NASA第18远征队（Expedition 18）指挥官，宇航员迈克尔•芬克（Michael Fincke）正在国际空间站的和谐号（Harmony）节点舱里研究多用户液滴燃烧装置（Multi-User Droplet Combustion Apparatus, MDCA）燃烧室镶块组件（Chamber Insert Assembly, CIA）。

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学习制造更清洁或更高效的火焰能够对我们生活中的诸多方面产生影响。格伦项目的科学家丹尼斯•斯托克（Dennis Stocker）表示：“美国的大部分电力都是通过燃烧产生的。关于电力运输，若没有燃烧，我们将何去何从？因此燃烧是我们现代生活的重要组成部分。”

与其他空间站研究一样，燃烧实验是在不危及航天器或机组人员的情况下安全进行的。这就是为什么燃烧集成机柜（Combustion Integrated Rack, CIR）被创建并于2008年发射到国际空间站。CIR连同微重力科学手套箱（Microgravity Science Glovebox）等设备，为研究燃烧创造了一个安全可靠的环境，不会让宇航员们身处险境。CIR为支持广泛的燃烧实验提供了通用硬件。研究人员还提供了进行各种火焰实验所需的额外硬件。

Dietrich表示：“不光是在微重力项目中，甚至可能在过去二三十年间的燃烧研究中最重大的发现之一，产生于在空间站上进行的火焰熄灭实验（FLame Extinguishment Experiment, FLEX）期间。”FLEX是通过研究CIR中燃料液滴来分析阻燃剂的有效性，研究人员意外地发现了与冷焰有关的惊喜发现，或者说是在一定条件下，火焰熄灭后明显继续“燃烧”。

Dietrich表示：“这不仅从理论燃烧的角度而言很重要，同时从实践的角度而言也很重要。我们可以在空间站等设施上研究的低温化学反应在发动机等实际燃烧系统中非常重要。”

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然而，CIR并不是使用空间站进行燃烧实验的唯一方法。一组值得注意的例外是在天鹅座号（Cygnus）货运飞船离开国际空间站后在飞船上进行的航天器火灾实验（Saffire）。由于这些实验是在远离空间站的地方进行的，研究人员可以对比如在微重力下火焰的蔓延和更大火焰中氧气的消耗等课题进行研究。

目前，科学家们正在轨道实验室进行名为“微重力先进燃烧实验 ”（ACME）的一系列实验。这些测试由于在空间站上使用的模块化硬件相同而被组合在一起进行。这些数据结合起来将有助于提高燃料效率，减少在地球上实际燃烧时产生的污染物。

ACME的一项名为火焰设计实验（Flame Design）重点研究碳烟。碳烟是有机物（或其他含碳物质）在未完全燃烧时剩余的碳残留物。碳烟会引起环境和健康问题，但也可以在一些方面有所帮助：例如，提高辐射热。辐射热正是为什么你觉得站在阳光直射下比站在阴凉处更暖和的原因。

通常，地球上的大多数火焰在空气中燃烧。在地球上燃烧时，惰性气体与氧气同时介入。相反地，这项研究中是在燃料中介入惰性气体，而非氧气。首席研究员理查德•阿克塞尔鲍姆（Richard Axelbaum）表示：“事实证明，惰性气体对火焰有很大的影响，在这种情况下，即使不管你将惰性气体和氧化剂或是燃料一起介入，火焰的温度尽管可能是相同的，但对碳烟形成或火焰强度的影响在本质上是不同的。”

火焰设计实验是研究不同火焰条件下产生的碳烟量。每次测试都会制造火焰，也可能产生在热的时候会发出黄色光芒的碳烟团。随着在火焰中停留的时间越长，这些碳烟团在微重力下生长的比在地球上越大。

这组实验的结果可以根据具体应用的需求，设计出更富有碳烟或无碳烟的火焰。Axelbaum表示：“当你彻底结束燃烧过程，一般而言，会希望所有的碳烟都完全燃尽。尤其在发电时，这是千真万确的。在目标旨在以碳烟的形式生产碳黑的其他一些情况下，则另当别论。不过，在很大程度上，这些结果可能有助于创造更高效、污染更少的燃烧器设计。

从轨道实验室的燃烧实验中获得的知识有助于我们更好地了解地球上的火灾，但在为未来近地轨道以外的任务做准备时，这也将是至关重要的。Stocker表示：“未来的一部分工作是研究部分重力。了解这一点对月球或火星等其他星球的火灾安全非常重要。”

来源：

https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/combustion-research-microgravity-clean-burning-fuel-space-station