國際空間站微重力燃燒項(xiàng)目規(guī)劃及進(jìn)展

薛 源，徐國鑫，胡松林，高郁晨，何新星

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094)

1 引言

在微重力條件下，由于浮力作用被抑制，燃燒現(xiàn)象中的基本過程及效應(yīng)更加凸顯，可有助于提取燃燒過程的基本數(shù)據(jù)，深化對于燃燒的認(rèn)識[1]。 因此，微重力燃燒科學(xué)研究一直是國際微重力科學(xué)研究的重點(diǎn)和前沿領(lǐng)域之一，也是NASA 極為關(guān)注的方向之一。

2015 年，NASA 發(fā)布了《國際空間站燃燒科學(xué)研究指南》[2]，與2011 年規(guī)劃[3]相比，研究重點(diǎn)仍集中在基礎(chǔ)燃燒科學(xué)及防火安全研究領(lǐng)域。 基礎(chǔ)燃燒科學(xué)研究方向主要為液滴、氣體及固體燃燒研究。 新規(guī)劃中，增加了對預(yù)混火焰、冷焰的研究導(dǎo)向；明確了氣體、固體燃燒的主要研究平臺(tái)并細(xì)化了研究內(nèi)容。 防火安全方面，規(guī)劃闡述了貨運(yùn)飛船防火安全、材料可燃性篩選的重要性，并計(jì)劃建設(shè)新實(shí)驗(yàn)設(shè)施拓寬研究手段。 此外，也增加了針對未來貨運(yùn)飛船反應(yīng)系統(tǒng)的超臨界水氧化系統(tǒng)等先進(jìn)燃燒技術(shù)的新實(shí)驗(yàn)設(shè)施的研究指引。 后續(xù)NASA 利用國際空間站的相關(guān)燃燒設(shè)備平臺(tái)依次策劃或?qū)嵤┝艘旱稳紵?冷焰、7 個(gè)氣體燃燒、5個(gè)固體燃燒項(xiàng)目；防火安全方面，NASA 應(yīng)用貨運(yùn)飛船平臺(tái)及地基平臺(tái)開展貨運(yùn)飛船防火安全研究，通過國際合作開展材料可燃性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究，策劃了新的封閉燃燒項(xiàng)目，并推進(jìn)高壓燃燒室、微重力風(fēng)洞、低重力落塔等一系列新實(shí)驗(yàn)及設(shè)施的建設(shè)。

本文介紹了近期NASA 在空間站及貨運(yùn)飛船等平臺(tái)開展的微重力燃燒科學(xué)的研究規(guī)劃、動(dòng)態(tài)及進(jìn)展，以期為中國未來空間站的微重力燃燒科學(xué)發(fā)展提供參考依據(jù)。

2 基礎(chǔ)燃燒研究項(xiàng)目

目前，NASA 在ISS(International Space Station)的基礎(chǔ)燃燒研究主要集中在液滴燃燒、氣體燃燒、固體燃燒3 個(gè)方面，對應(yīng)的主要實(shí)驗(yàn)裝置分別為MDCA(Multi-user Droplet Combustion Apparatus)、微重力高級燃燒實(shí)驗(yàn)裝置ACME(Advanced Combustion via Microgravity Experiments)、

固體燃料點(diǎn)火與熄滅裝置SoFIE(Solid Fuel Ignition and Extinction)，3 個(gè)裝置均為燃燒集成架CIR(Combustion Integrated Rack)[4]上的插件設(shè)施，設(shè)備參數(shù)見表1。 CIR 由光學(xué)工作臺(tái)、燃燒室、燃料和氧化劑控制系統(tǒng)、探測分析系統(tǒng)、環(huán)境管理系統(tǒng)、攝像機(jī)等組成，容量100 L，工作壓力0.02～3 atm。 除自身可進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)外，還可為MDCA 等插件設(shè)備提供電力、燃料、氣體環(huán)境及檢測支持。 此外，空間站的微重力手套箱MSG(Microgravity Science Glovebox)也具備燃燒實(shí)驗(yàn)功能，可支持部分實(shí)驗(yàn)。

按照NASA 計(jì)劃依次按照MDCA、ACME、SoFIE 的順序分別開展液滴、氣體和固體燃燒研究(圖1)，3 個(gè)項(xiàng)目預(yù)計(jì)2023 年完成[5]。

圖1 CIR 空間燃燒研究時(shí)間表(2017 年公布）[5]Fig.1 NASA CIR space combustion research schedule(released in 2017）[5]

2.1 液滴燃燒研究

NASA 利用MDCA 已進(jìn)行了火焰熄滅FLEX(Flame Extinguishment Experiment)系列實(shí)驗(yàn)，研究液體燃料的燃燒過程和可燃極限等方面。FLEX 系列研究特色是對微重力低溫化學(xué)反應(yīng)冷焰(Cool Flame)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與研究。 地面冷焰研究主要集中在燃料混合物多級點(diǎn)火的預(yù)混系統(tǒng)方面[6]，而在ISS 的FLEX 系列實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了單一大顆粒的正構(gòu)烷液滴擴(kuò)散火焰也可出現(xiàn)冷焰現(xiàn)象[7]，超出研究人員預(yù)期。 由于冷焰在新燃料的開發(fā)、選擇和先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用，對噴霧燃燒和消防安全都具有重要意義，因此NASA 利用MDCA 裝置開展了獨(dú)立于FLEX 的微重力冷焰研究項(xiàng)目CFI(Cool Flame Investigation)，在FLEX 系列實(shí)驗(yàn)結(jié)束后開展，研究周期為2016～2018 年。

表1 ISS 小型燃燒試驗(yàn)裝置硬件信息[2]Table 1 Hardware information of ISS combustion insert device

CFI 項(xiàng)目主要目的包括：①通過在微重力液滴燃燒實(shí)驗(yàn)研究烷烴的低溫燃燒特性，建立新的燃燒計(jì)算模型，用于計(jì)算地面實(shí)際應(yīng)用燃燒的性能和效率；②研究多種燃料液滴的低溫燃燒行為，確定低溫火焰燃燒特性與燃料的辛烷值/十六烷值之間的關(guān)系；③研究燃料添加劑對低溫化學(xué)反應(yīng)的影響，進(jìn)一步探索烷烴的低溫化學(xué)性質(zhì)[8]。

在進(jìn)行CFI 實(shí)驗(yàn)時(shí)，由CIR 的燃料氧化劑管理系統(tǒng)對燃燒室進(jìn)行環(huán)境氣體充氣，將預(yù)定大小的液滴部署在MDCA 裝置內(nèi)，然后用2 個(gè)對稱的熱線點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火后開始實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)診斷系統(tǒng)記錄各種燃燒數(shù)據(jù)及化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象[8]。 研究結(jié)果顯示，只有大顆粒的正烷烴液滴顆粒才會(huì)出現(xiàn)低溫燃燒現(xiàn)象，在一定條件下其燃燒行為可歷經(jīng)2～3 個(gè)階段，如在高壓以及特定的氦代氮取代率下(20%＜XHe＜60%)，大顆粒球形對稱正烷烴出現(xiàn)三級燃燒行為：即經(jīng)典的熱焰(～1500 K)、輻射衰減后中等溫度的溫焰(～970 K)，最終過渡為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)冷焰。 3 種燃燒狀態(tài)下火焰反應(yīng)區(qū)及近場區(qū)域的中間反應(yīng)產(chǎn)物及生成速率均具有顯著差異，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的“冷焰”只出現(xiàn)在負(fù)溫度系數(shù)化學(xué)作用區(qū)域，而低溫燃燒的產(chǎn)物主要為H2O、CO、H2O2、CH2O 及C2H4等不完全反應(yīng)產(chǎn)物[9-10]；在大多數(shù)情況下，冷焰的熄滅會(huì)伴隨蒸汽云出現(xiàn)，其主要成因?yàn)榈蜏厝紵^程中的燃料泄流。 在冷焰燃燒中，環(huán)境氧濃度是十分重要的影響因素，可影響冷焰的燃燒速率、火焰偏距比例以及負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域的溫度等常量，而CO2的稀釋對這些常量幾乎沒有影響[11-12]。 CFI 的研究對火焰燃燒過程的動(dòng)力機(jī)制有了更深入的闡釋，對高效燃燒的控制與技術(shù)開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制和燃料及助劑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 氣體燃燒研究項(xiàng)目

基于ACME 裝置的系列研究專注于先進(jìn)的燃燒技術(shù)，主要目標(biāo)是提高地面燃燒效率、減少污染物排放以及航天器的防火安全。 目前，ACME已公布確立5 個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和1 個(gè)合作項(xiàng)目，主要研究層流、氣體和非預(yù)混火焰。 項(xiàng)目前期實(shí)驗(yàn)及論證主要通過地面落塔、失重飛機(jī)、空間站實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。 NASA 獨(dú)立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為：同流層擴(kuò)散火焰研究CLD Flame 項(xiàng)目(Coflow Laminar Diffusion Flame)、電場層擴(kuò)散火焰E-FIELD Flames 項(xiàng)目( Electric-Field Effects on Laminar Dffusion Flames)、燃燒速率模擬BRE 項(xiàng)目(Burning Rate Emulator)、火焰設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(Flame Design)、球形擴(kuò)散火焰的結(jié)構(gòu)與響應(yīng)S-Flame 項(xiàng)目(Structure and Response of Spherical Diffusion Flames)[13]。

研究對象為不同狀態(tài)下的氣體燃料燃燒，研究內(nèi)容包涵火焰模型建立與驗(yàn)證、火焰控制、微重力下燃料的可燃性極限、燃燒煙灰產(chǎn)生和控制等內(nèi)容。從研究定位來看，ACME 項(xiàng)目主要偏重于燃燒在能源環(huán)境方面應(yīng)用的研究。 目前，ACME 項(xiàng)目中的CLD Flame 項(xiàng)目與E-FIELD 項(xiàng)目已完成，其關(guān)于微重力對電場火焰及高稀釋有煙同流火焰的影響初期研究結(jié)果在第11 屆美國國家燃燒會(huì)議上發(fā)布[14-15]，目前進(jìn)行的項(xiàng)目為BRE、Flame Design、S-Flame 實(shí)驗(yàn)。

此外，NASA 和國家科學(xué)基金會(huì)于2017 年批準(zhǔn)了新的氣體冷焰研究合作項(xiàng)目-球形冷擴(kuò)散火焰項(xiàng)目(Spherical Cool Diffusion Flames Burning Gaseous Fuels)，實(shí)驗(yàn)載荷計(jì)劃于2020 年2 月搭乘龍飛船(CRS-20)入駐ISS 開展實(shí)驗(yàn)，預(yù)計(jì)2021年完成[16]。 ACME 項(xiàng)目概況見表2 所示。

在已進(jìn)行的E-FIELD Flames 電極網(wǎng)對層流擴(kuò)散火焰影響實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電場具有控制火焰成煙灰的能力。 研究發(fā)現(xiàn)30%的C2H2(N2稀釋)在高電場下不會(huì)形成煙灰，主要原因?yàn)殡妶鲈鰪?qiáng)了燃料在火焰內(nèi)部燃燒，反應(yīng)更劇烈充分，從而減少了火焰表面的燃料之間相互反應(yīng)產(chǎn)生的煙灰[23]。

在已進(jìn)行的CLD Flame 前期實(shí)驗(yàn)中，觀察到同流火焰初始火焰較小較亮，隨著燃料流與同流空氣流量的增加，火焰逐漸從燃燒器分離并抬升的行為，其主要原因?yàn)榱鲃?dòng)條件對火焰反應(yīng)區(qū)域的影響。 在后續(xù)不同燃料混合濃度的同流燃燒實(shí)驗(yàn)，研究表明隨著燃料所占比例以及同流流速的增加，同流火焰及其抬升火焰的尺寸均有所增加[23]。

表2 ACME 項(xiàng)目概況Table 2 Overview of ACME project

BRE 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了最大燃料流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中火焰最先膨脹到有足夠氧氣支撐的程度，此時(shí)火焰被CO2與水蒸氣覆蓋。 由于氧氣輸送能力下降，火焰逐漸減弱，熱損失導(dǎo)致火焰頂部發(fā)生局部淬滅，火焰頂部“打開”，而淬滅后的火焰頂部的燃料得以接觸氧氣，使得火焰又迅速恢復(fù)形成火焰閉合，形成了一個(gè)周期性的“洞”。 該條件下的火焰呈現(xiàn)不對稱性，最終大部分火焰熄滅，其余火焰呈現(xiàn)螺旋向上延伸的環(huán)狀。 實(shí)驗(yàn)中也出現(xiàn)了長時(shí)間的火焰底部與燃燒器分離現(xiàn)象。 而在低流量的燃燒實(shí)驗(yàn)中，火焰則處于穩(wěn)定的狀態(tài)[23]。

ACME 的Flame Design 項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)通過改變火焰燃燒時(shí)的燃料-O2-N2分配混合形式可以有效降低煙灰的形成，將N2從空氣中分離出來與燃料混合在O2中燃燒，相比之前正常的燃料-空氣混合燃燒，在各成分比例不變的情況下，火焰結(jié)構(gòu)有巨大改變，燃燒更強(qiáng)烈，火焰穩(wěn)定性更強(qiáng)，該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了燃料稀釋對于燃燒具有重要影響[24]。目前，NASA 在前幾次實(shí)驗(yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了無煙灰燃燒，后續(xù)將從流場和火焰結(jié)構(gòu)2 個(gè)方面去探索該現(xiàn)象的機(jī)制[23]。

此外，NASA 計(jì)劃在ISS 上再次進(jìn)行預(yù)混氣體燃燒實(shí)驗(yàn)(Premixed-Gas Combustion)，實(shí)驗(yàn)裝置沿用航天飛機(jī)任務(wù)時(shí)期進(jìn)行的預(yù)混氣燃燒實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)主要包括燃燒管、霧化器、分離器、點(diǎn)火裝置等。 NASA 計(jì)劃通過改造后適配于CIR 再次開展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ǎ孩贉?zhǔn)確測定層流火焰的速度特性；②準(zhǔn)確測定貧燃料混合物的燃燒極限。該項(xiàng)目研究結(jié)果可服務(wù)于發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域，如在高功率條件下減少氮氧化物排放，并在低功率條件下降低CO 未燃燒的碳?xì)浠衔铩?目前該項(xiàng)目仍在準(zhǔn)備階段，預(yù)計(jì)2021 年開展[25]。

2.3 固體燃燒研究項(xiàng)目

固體燃料點(diǎn)火與熄滅實(shí)驗(yàn)(SoFIE)于2009年項(xiàng)目確立，其前置實(shí)驗(yàn)為固體燃燒和熄滅BASS(Burning and Suppression of Solids)系列實(shí)驗(yàn)，由5個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目組成，主要研究在不同壓力和氧氣環(huán)境下固體表面燃燒及可燃性，旨在深入了解固體在微重力條件下的燃燒行為，提高未來航天應(yīng)用材料的防火安全。 相比之前的研究，SoFIE 項(xiàng)目將測試條件擴(kuò)展到富氧和多種壓力環(huán)境，并改進(jìn)火焰的速度控制及診斷能力。 按照NASA 公布的計(jì)劃[5]，SoFIE 項(xiàng)目將在ACME 項(xiàng)目后進(jìn)行。

SoFIE 項(xiàng)目的5 個(gè)子項(xiàng)目為保留時(shí)間驅(qū)動(dòng)的火焰擴(kuò)散項(xiàng)目RTDFS(Residence Time Driven Flame Spread)、窄通道設(shè)施研究項(xiàng)目NCA(Narrow Channel Apparatus)、增長與熄滅極限項(xiàng)目GEL(Growth and Extinction Limit)、材料著火和抑制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目MIST(Material Ignition and Suppression Test)、航天器材料微重力易燃性研究SMμRF(Spacecraft Materials Microgravity Research on Flammability)[26-27]。 從研究定位來看，SoFIE 項(xiàng)目著重于未來航天飛行防火安全的研究，并致力于改進(jìn)和發(fā)展新的防火安全研究手段。SoFIE 項(xiàng)目概況見表3。

SoFIE 項(xiàng)目雖未正式開展，但NASA 在前期的BASS 系列及其他研究中發(fā)現(xiàn)[31-32]，固體可燃物在低速氧化劑流中受到外部熱輻射的點(diǎn)火時(shí)間比在正常重力條件下的點(diǎn)火時(shí)間短，同時(shí)，在氧濃度低于17%時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀臁?較低的燃燒所需極限氧濃度也意味著在一定條件下，航天器中的可燃材料比在地球上的易燃，同時(shí)也可能需要更多的滅火劑進(jìn)行滅火等。 這些研究結(jié)果對NASA 現(xiàn)有的微重力防火安全認(rèn)知提出了挑戰(zhàn)。 因此，SoFIE的立項(xiàng)內(nèi)容是對前期研究結(jié)果進(jìn)行了延續(xù)與傳承，如RTDFS 對研究材料的外形進(jìn)行了擴(kuò)展，GEL 的研究覆蓋整個(gè)長期燃燒過程，NCA 與SMμRF 項(xiàng)目則將對現(xiàn)有材料的防火選拔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)，MIST 項(xiàng)目應(yīng)用外加熱流道，擴(kuò)展了微重力下的燃燒實(shí)驗(yàn)手段[28]，可更好探索大氣環(huán)境因素對材料燃燒的影響。 值得注意的是，在NCA 項(xiàng)目前期研究中，證實(shí)了在1 atm 壓力下，地面常重窄通道能夠成功模擬微纖維、PMMA 薄片的燃燒，進(jìn)一步支持窄通道技術(shù)可作為NASA 材料易燃性測試的可行性選擇，未來將對厚材料進(jìn)行測試，以進(jìn)一步研究可行性。 通過NCA 研究，NASA 期望在地面常重狀態(tài)下獲得對材料微重力熱行為的評估能力，從而大大提升飛行器的防火設(shè)計(jì)效率。

綜上所述，通過SoFIE 項(xiàng)目的系列研究，NASA 將進(jìn)一步豐富材料燃燒基礎(chǔ)認(rèn)識及提高未來飛行器的防火安全性能。

2.4 高壓超臨界燃燒研究

在2015 年規(guī)劃中，NASA 也提出了針對未來航天器反應(yīng)系統(tǒng)的研究導(dǎo)向—高壓超臨界燃燒系列研究。 與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)不同，該項(xiàng)目主要研究微重力下的超臨界及亞臨界水熱化學(xué)反應(yīng)，其中的超臨界水氧化技術(shù)SCWO(Supercriti-cal Water Oxidation)是一種可實(shí)現(xiàn)對多種有機(jī)廢物進(jìn)行深度氧化處理的技術(shù)，反應(yīng)產(chǎn)物主要為H2O、CO、N2及無機(jī)鹽等，特別適用于高毒性、高濃度、難生化降解有機(jī)廢水的無害化處理。NASA 計(jì)劃發(fā)展其用于未來航天器乃至太空駐地的閉環(huán)生命支持系統(tǒng)，以滿足廢物管理和資源回收的需求。

表3 SoFIE 項(xiàng)目概況Table 3 Overview of SoFIE project

為此，NASA 計(jì)劃設(shè)計(jì)開發(fā)新的高壓燃燒實(shí)驗(yàn)設(shè)備(High Pressure Combustion Chamber)，實(shí)驗(yàn)可能以CIR 插件或獨(dú)立飛行實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括高壓(超臨界或亞臨界)液滴燃燒、超臨界水氧化反應(yīng)等，詳見表4。 目前，NASA的SCWO 技術(shù)仍需要解決由鹽沉淀和反應(yīng)堆內(nèi)部表面的腐蝕造成的污垢和流動(dòng)堵塞問題，NASA認(rèn)為如果將水熱火焰控制在反應(yīng)堆內(nèi)部亞臨界水的共流區(qū)域，可有效解決該問題。 因此，未來高壓燃燒領(lǐng)域的研究將圍繞該內(nèi)容展開[33]。

3 防火安全項(xiàng)目

防火安全項(xiàng)目主要包括飛船防火安全研究與低重力可燃性極限FLARE(Flammability Limits at Reduced-g Experiment)項(xiàng)目以及依據(jù)飛船防火安全研究一期結(jié)果而新設(shè)立的密閉燃燒項(xiàng)目。

3.1 飛船防火安全研究

研究包括飛船防火演示Saffire(Spacecraft Fire Safety Demonstration)及其配套項(xiàng)目，研究方向?yàn)椋翰牧先紵?、火?zāi)監(jiān)測、空氣監(jiān)測、災(zāi)后清潔、滅火技術(shù)等技術(shù)，并將研究成果在Saffire 項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證。 Saffire 由NASA 高級探索系統(tǒng)項(xiàng)目資助，目的是開發(fā)防火安全技術(shù)。 NASA 認(rèn)為常重與微重力狀態(tài)下的火災(zāi)行為存在巨大差異[34]，而目前對于微重力火災(zāi)，尤其是航天器尺寸級別的火災(zāi)仍缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致建立在地面防火標(biāo)準(zhǔn)上的飛船設(shè)計(jì)可能存在不確定的風(fēng)險(xiǎn)。 為了解決這一問題，NASA 提出了利用一次性航天器(如Cygnus、Dragon)[35]，在不對航天員或載人航天器構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行大尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)的方法，Saffire 試驗(yàn)裝置主要由大尺度燃燒試驗(yàn)樣品卡片、攝像機(jī)、點(diǎn)火裝置、氣體直流裝置等組成，實(shí)驗(yàn)配置見表5。

Saffire 項(xiàng)目可分為2 個(gè)階段：第一階段為Saffire-I-III，主要研究大尺寸火災(zāi)的燃燒行為；第二階段為Saffire-IV-VI，屆時(shí)實(shí)驗(yàn)將搭載配套的微重力風(fēng)洞、火災(zāi)探測器、空氣監(jiān)測器等Saffire 防火安全配套項(xiàng)目開發(fā)的新型設(shè)備，進(jìn)行技術(shù)演示與驗(yàn)證[35]，項(xiàng)目預(yù)計(jì)2020 年完成，研究概況見表6。

表4 高壓燃燒項(xiàng)目概況Table 4 Overview of high pressure combustion project

表5 Saffire 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)配置[36]Table 5 Configuration information of Saffire project

表6 Saffire 及配套防火安全項(xiàng)目概況[36]Table 6 Overview of Saffire and its supporting fire safety project

Saffire 項(xiàng)目公布了I-III 的部分研究成果[37]，發(fā)現(xiàn)在微重力作用下，強(qiáng)制對流下的火焰可達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，傳播速度較常重慢；需注意的是，部分材料在微重力反向氣流下表現(xiàn)出比常重高的可燃性；微重力下材料局部的燃燒速率沿?zé)峤鈪^(qū)變化較大，且在靠近焰底處達(dá)到峰值。 通過對厚PMMA 試樣燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微重力火焰可在焰底達(dá)到極限長度，該發(fā)現(xiàn)支持了厚樣本材料可產(chǎn)生非生長火焰的觀點(diǎn)。 此外，同材料的窄樣本比寬樣本具有更強(qiáng)的燃燒行為，在微重力條件下，火焰蔓延和材料可燃性受氣道高度、氧濃度、輻射、壓力、邊界層交互作用等多因素的影響，這對未來航天器的防火安全設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。 根據(jù)微重力研究結(jié)果，NASA 還發(fā)現(xiàn)常重低壓30 kPa 下的受試材料燃燒行為與微重力條件下相似，這也為未來在地面采用降低環(huán)境壓力的方法來模擬航天器微重力燃燒行為提供了科研與數(shù)據(jù)支持[38-39]。

設(shè)施建設(shè)方面，NASA 規(guī)劃了低重力落塔升級項(xiàng)目正在建設(shè)中，并計(jì)劃在2021 年投入使用[40-41]，以開展不同重力下的材料燃燒科學(xué)研究(表7)。 低重力落塔的建成，將使NASA 有效優(yōu)化飛行研究，同時(shí)加強(qiáng)地基燃燒科學(xué)研究能力，有效降低實(shí)驗(yàn)成本，提高實(shí)驗(yàn)效率，提供更多的研究機(jī)會(huì)。 改造后的設(shè)備可用以支持流體物理學(xué)、材料學(xué)、原地資源利用科學(xué)等方向的研究。

NASA 開發(fā)了新的微重力風(fēng)洞研究平臺(tái)應(yīng)用于Saffire、SoFIE 等項(xiàng)目，支持大尺寸樣品在1 atm內(nèi)的燃燒試驗(yàn)，后續(xù)也將為冷焰、高壓燃燒氣體射流擴(kuò)散火焰及其他學(xué)科研究提供支持[36]。

表7 防火安全主要設(shè)施建設(shè)情況Table 7 Construction of major fire safety facilities

3.2 FLARE 項(xiàng)目

NASA、ESA、JAXA 等還合作開展了低重力可燃性極限FLARE 項(xiàng)目(Flammability Limits at Reduced-g Experiment)，與Saffire 項(xiàng)目不同的是FLARE 項(xiàng)目重點(diǎn)在于制定新的空間固體材料可燃性評價(jià)的國際標(biāo)準(zhǔn)。 FLARE 項(xiàng)目分為4 個(gè)子項(xiàng)目：平板材料可燃性實(shí)驗(yàn)、電線和圓柱形材料的易燃性、過載線纜點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)、新標(biāo)準(zhǔn)建議及其與現(xiàn)行方法的一致性探討。 該項(xiàng)目于2012 年進(jìn)行項(xiàng)目準(zhǔn)備，于2019 年開始正式研究[42]，空間實(shí)驗(yàn)在ISS 的日本艙段Kibo 的固體燃燒實(shí)驗(yàn)?zāi)KSCEM[43](Solid Combustion Experiment Module)進(jìn)行，項(xiàng)目計(jì)劃于2020 年完成。

3.3 密閉燃燒項(xiàng)目

密閉燃燒(Confined Combustion)是NASA 于2019 年依據(jù)Saffire 一期結(jié)果新設(shè)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在Saffire 一期結(jié)果中發(fā)現(xiàn)材料燃燒受到氣道高度的影響[37]，表現(xiàn)出在小腔室中燃燒得更快。NASA 推測在材料在周圍墻壁熱反饋和流道加速下可能導(dǎo)致燃燒加速，表現(xiàn)出更高的燃燒性。 因此設(shè)立該研究以調(diào)查不同形狀密閉空間內(nèi)材料火焰?zhèn)鞑ヒ约盎鹧媾c四壁的相互作用，從而提高認(rèn)知并更好地改進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施防火設(shè)計(jì)。

密閉燃燒裝置利用現(xiàn)有的BASS 設(shè)備進(jìn)行了風(fēng)洞改裝，在樣品周圍加裝了2 個(gè)可調(diào)節(jié)擋板，通過改變擋板之間的距離模擬不同的腔室寬度。 裝置將做為MSG 的插件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而外推到其他幾何形狀。 空間載荷于2019 年12 月搭乘SpaceX Dragon 運(yùn)送至ISS，實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)于2020 年完成[44]。

4 結(jié)論

近年來，NASA 在空間站等平臺(tái)對微重力燃燒科學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)開展持續(xù)深化地研究。

1) 從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容來看，主要集中在基礎(chǔ)燃燒科學(xué)與飛行器防火安全等方面。 目前，隨著MDCA 和ACME 項(xiàng)目的進(jìn)行與完成，NASA 在減少燃燒污染物、火焰控制、燃燒模擬、先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)理念等具有重要應(yīng)用價(jià)值的領(lǐng)域都獲得新的知識儲(chǔ)備。 未來隨著SoFIE、Saffire、FLARE 等防火安全項(xiàng)目的開展，NASA 可從材料微重力燃燒行為、大尺度火災(zāi)、新阻燃標(biāo)準(zhǔn)的制定等多方面開展綜合研究，深入認(rèn)識貨運(yùn)飛船火災(zāi)行為并構(gòu)建針對性措施，健全飛船防火安全體系，提高貨運(yùn)飛船的防火安全能力。 低重力落塔、SoFIE 項(xiàng)目的地基窄通道(NCA)等技術(shù)的開發(fā)，也將加強(qiáng)地基研究能力，有助于進(jìn)一步降低研究成本，提高研究效率。

2) NASA 空間燃燒科學(xué)的研究平臺(tái)及手段多樣化。 如利用貨運(yùn)飛船可以安全地開展大尺度火災(zāi)的研究；通過開發(fā)不同的CIR、MSG 小型實(shí)驗(yàn)插件(如著重氣體燃燒研究的ACME、固體燃燒的SoFIE 等)，使得NASA 可以有針對性地設(shè)計(jì)和開展空間燃燒實(shí)驗(yàn)，有效保障多個(gè)燃燒項(xiàng)目的開展。

3) NASA 對微重力燃燒科學(xué)的研究要素進(jìn)行了擴(kuò)展，通過微重力風(fēng)洞、高壓燃燒室等設(shè)備的開發(fā)使得NASA 可以開展更大尺寸、多種大氣環(huán)境及壓力下的燃燒實(shí)驗(yàn)，從而更全面地探索材料的空間燃燒特性。

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