太空“縱火記”

沈羨云

你是否聽說過有人到太空去放火，而且這個“縱火犯”不是別人，正是那些為維護(hù)空間站嘔心瀝血的科學(xué)家？他們在國際空間站和貨運飛船上曾進(jìn)行過數(shù)次“縱火”實驗，他們的目的不是真正地要燒毀航天器，只是想通過“縱火實驗”來達(dá)到不同的目的。

為什么要到太空去 “縱火”

如果在太空的航天器上發(fā)生火災(zāi)，結(jié)果會如何？在探索太空前沿過程中，火災(zāi)將是人類面臨的重要威脅。航天器增壓艙有氧環(huán)境下一旦內(nèi)部著火，后果不堪設(shè)想，但現(xiàn)在人們對航天器防火缺乏完善的規(guī)范，目前只能借鑒地面和航空的防火規(guī)范。在載人飛船和空間站獨特的微重力環(huán)境下，火焰燃燒和正常重力環(huán)境下的表現(xiàn)肯定有巨大的差異，所以這種借鑒只是權(quán)宜之計。

太空火災(zāi)一直是美國國家航空航天局（NASA）十分關(guān)注的安全問題，對于那些生活在充滿氧氣的封閉太空船和空間站的航天員而言，這也是關(guān)系到性命攸關(guān)的重要問題。這并不是駭人聽聞的事，在1997年2月，俄羅斯“和平”號空間站上的氧氣罐曾噴出灼熱火焰，導(dǎo)致通往緊急逃生艙的通道受阻。航天員利用泡沫滅火器和水滅火，最終它自己熄滅，留下厚厚的煙塵殘骸。1970年4月11日，阿波羅13號在進(jìn)入月球軌道時，氧氣槽爆炸，登月任務(wù)無法完成。航天員們歷盡艱險，死里逃生返回地球。

所以，了解火焰在微重力環(huán)境下如何燃燒，對于生活和工作在太空中的航天員的安全至關(guān)重要。盡管NASA已從事太空飛行幾十年，但對火情在太空微重力環(huán)境下的擴(kuò)散情況了解不多。NASA此前曾在國際空間站和航天飛機(jī)上進(jìn)行過相關(guān)研究，但出于乘員安全考慮，這些實驗規(guī)模和范圍都有限制，只能稱之為“燃燒實驗”，而不是“火災(zāi)實驗”。為了對太空中大規(guī)?；鹧嫒紵懈钊肓私猓仨毜教杖ァ翱v火”。

如何進(jìn)行此實驗？既要達(dá)到實驗?zāi)康模忠煌{到乘員的安全。NASA有關(guān)的科學(xué)家們經(jīng)過認(rèn)真的比較，認(rèn)為在“天鵝座”貨運飛船上進(jìn)行此實驗更合適。為了不對航天員和國際空間站帶來額外風(fēng)險，實驗將在“天鵝座”飛船脫離空間站再入大氣層前進(jìn)行，如果實驗一切順利，自然皆大歡喜，即使實驗失敗，火焰在增壓貨艙蔓延開來，甚至燒毀飛船也無關(guān)緊要，不會威脅到空間站乘員的安全。這是因為“天鵝座”飛船是一次性不載人的產(chǎn)品，它的任務(wù)是上行運貨和下行銷毀廢棄物，本來就會在再入大氣層的過程中徹底燒毀。

NASA的“飛船火災(zāi)實驗”

飛船火災(zāi)實驗包括以下3個實驗：

飛船火災(zāi)實驗1 2016年6月14日，“天鵝座”5號貨運飛船在太空停留將近3個月后脫離國際空間站。當(dāng)飛船離空間站足夠遠(yuǎn)后，地面人員通過遙控在飛船上“縱火”，以了解太空微重力環(huán)境對火情的影響。

NASA曾在空間站微重力環(huán)境中做過一些小型燃燒實驗，但此次“飛船火災(zāi)實驗”燃燒的材料尺寸相對較大。實驗是在飛船上一個長0.9米、寬0.9米、高1.5米的模塊中進(jìn)行的，燃燒物是一塊長1米、寬0.4米的棉花與玻璃纖維混合物。此前空間站上實驗燃燒的材料長與寬都不超過10厘米，因此這是太空中人類制造的“最大規(guī)模”火焰。實驗通過熱絲引燃樣本，管道內(nèi)流通的空氣維持火焰燃燒，燃燒實驗共維持了8分鐘。模塊內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備記錄下火焰沿著布料擴(kuò)散的特點及燃料與氧氣消耗情況。在接下來的4～6天中，數(shù)據(jù)和照片被陸續(xù)傳給地球控制團(tuán)隊。

飛船火災(zāi)實驗2 此實驗是在2016年11月21日“天鵝座”6號貨運飛船脫離國際空間站后進(jìn)行的。飛船火災(zāi)實驗2是點燃9種不同的材料，它們都是在空間站常常用到的材料，包括航天服使用的阻燃布料、空間站窗戶與儲藏容器使用的樹脂玻璃等。飛船火災(zāi)實驗2所使用的樣本相對較小，每個樣本大約為5厘米×30厘米。實驗?zāi)康氖菣z查不同材料的易燃性。

飛船火災(zāi)實驗3 2017年

6月4日，在“天鵝座”7號貨運飛船離開國際空間站后進(jìn)行此實驗。實驗?zāi)康氖歉玫乩斫饣鹧嬖谖⒅亓χ械膫鞑シ绞?，并增加對太空中意外火?zāi)行為的了解。實驗持續(xù)約兩個半小時，其中20分鐘是實際燃燒?；鹧嫜刂L1米、寬1.4米的面板燃燒。在本次測試時，飛船艙內(nèi)的氧氣水平最大程度地模擬國際空間站的水平。實驗結(jié)束后，“天鵝座”7號貨運飛船在軌道上停留 7 天，將數(shù)據(jù)傳回全球各地的地面站點。在地面團(tuán)隊獲取數(shù)據(jù)之后，“天鵝座”7號貨運飛船進(jìn)入大氣層，并在太平洋上空焚毀。

我國的“縱火”實驗

不僅美國在太空中“縱火”，我國在“實踐”十號返回式衛(wèi)星上也放了一把火?！皩嵺`”十號是我國首顆微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星和單次開展科學(xué)實驗項目最多的衛(wèi)星。它在太空中完成19項實驗，其中兩項與火災(zāi)有關(guān)。

第一項為“典型非金屬材料在微重力環(huán)境中的著火及燃燒特性研究”，是通過衛(wèi)星空間實驗，為航天器設(shè)計中材料防火性能的評價、材料篩選以及火災(zāi)安全措施的建立和完善提供科學(xué)依據(jù)。在此實驗中首次采用了多通道實驗段設(shè)計，有效避免了實驗樣品之間的干擾，實現(xiàn)實驗樣品、氧氣濃度、氣流速度、點火方式等實驗參數(shù)的靈活組合，保證了空間實驗機(jī)會的充分利用和科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

第二項實驗的名稱是“微重力下導(dǎo)線絕緣層著火實驗”。導(dǎo)線、線纜是微重力條件下的典型電子元件，在電流過載的情況下，容易發(fā)生火災(zāi)。研究其在微重力時的特征，只能通過空間微重力實驗?？茖W(xué)家可以通過微重力下的實驗設(shè)計，把導(dǎo)線著火的先期狀況研究清楚，并對溫度的普遍特性、絕緣層煙的析出和煙氣在有限密閉空間的規(guī)律都進(jìn)行研究。在這次空間燃燒實驗中，科學(xué)家選擇了日常生活中的絕緣體材料，包括聚乙烯、聚錄乙烯和四氟乙烯?？茖W(xué)家首先對比了它們在地面實驗時導(dǎo)線的溫度變化。在地面實驗的視頻中，我們可以看到溫度的升高幅度較小，沒有發(fā)生突變的特性。而在相同的條件下，微重力時溫度升高的幅度大，并有突變，失火的可能性大。然后，科學(xué)家對比一下煙氣析出的變化規(guī)律。在地面視頻中，常壓下，煙氣沿著導(dǎo)線方向聚集析出，在重力的作用下，煙氣向上運動，隨后向空間蔓延。而在微重力情況下，煙氣在絕緣端的兩端析出，形成相對均勻的人形分布，隨后析出，然后，兩側(cè)對稱的煙氣向中間匯合。這是由于在微重力環(huán)境下，浮力和自然對流基本消失，因為燃燒需要的氧化劑和熱量產(chǎn)物的排出主要是靠擴(kuò)散效應(yīng)，所以熱量喪失的速率大大減慢。在微重力狀態(tài)下，絕緣體層散熱狀況與地面條件相比更加惡劣，太空失火的概率也增大。

這個實驗與國外實驗相比，有很大的創(chuàng)新性。國外的實驗一般是通過外界點火來研究火焰的傳播特性。而我國是通過導(dǎo)線電流的自身過載內(nèi)熱源的情況下，來研究導(dǎo)線的先期著火癥狀，從而為高新技術(shù)服務(wù)。這兩項實驗的意義是為我國載人航天和空間站的重大需求提供支持。