为何揽月须防火？ -- 再说航天的消防

从俄国空间站火灾说起

1996年，俄国空间站（MIR）和平号发生制氧气机器发生火灾。2月23日，和平号上的两台基本电解生氧装置连续出现故障，站上的3名航天员改为使用高氯酸锂装置来生产氧。航天员拉佐特金在量子1号舱内制氧时，制氧设备突然破裂，引起火灾明火燃烧了90秒，烟雾弥漫到整个空间站航天员们都带上了防毒面具浓烟持续了5-7分钟。幸好站上的空气过滤系统性能良好，没有给航天员造成更大危害。

图1. 带上呼吸面罩在和平号空间站工作的美国宇航员JerryLinenger （1997年）

根据当时同在和平号空间站的美国宇航员（Linenger）的观察“愤怒的火焰喷出高强度的火花– 就像一盒烟花同时点燃– 火星延伸一尺左右，超越火焰的最远边缘。除了火花，我看到火灾对面的舱壁上出现熔蜡飞溅。但它不是融蜡。而熔融金属。火场温度太高，以至于融化了金属。”

和平号空间站火灾事故，是著名的微重力火灾，对太空火灾安全提供了警钟，让人们注意到，没有重力的环境发生火灾，有可能比我们熟悉的环境中的火灾更危险，为此我们需要关注微重力火灾。

为何微重力（空间发生的）火灾更危险？

说起外太空飞行的微重力火灾，这是一个非常冷门而已投入巨大资金的领域，至少有一本微重力燃烧的专著产生，背后的科研经费可以是数以亿计的。为什么要关注微重力火灾？因为硬件投资大，谁也不希望在遥远的太空来一场悲剧（到目前为止，太空尚无重大灾情，但发生过被扑灭的火灾，比如上述的和平号空间站火灾），所以从硬件成本和投入保险来考量，有科研的必要。

微重力火灾的关键是，没有重力场，所以没有明显的羽流。平常我们的报警器都是放置在天花板，因为天花板收集羽流，所以不管哪里的火灾，都会往天花板输送烟气，于是报警位置毋庸置疑，报警方法毫无争议。太空站的微重力环境就不同了，没有羽流，烟气不往上跑。对于那些看不见，摸不着的火灾产物，是最可怕的，往往感受到时，已经很迟了。对此的报警手段，可以通过分析气流样本来实现，人工抽气，制造气流汇集装置，时刻分析空气中的气体和粒子浓度，是火检的常见选择。

微重力火灾的另一大困境是，经常是纯氧的环境，火焰温度高。平常我们的燃烧都是在空气中进行，氮气不参与放热反应，却吸热，有很大的惰性贡献，所以燃烧速度还是被惰性化并降低的结果。如果没有氮气，纯氧的环境中，火焰的温度极高，燃烧反应快，问题就来了。1969 年阿波罗一号在起飞前的常规测试中，发生火灾，仅17秒钟，大火就瘫痪了指令舱，造成三名宇航员丧生。

那么，在微重力下发生火灾的主要麻烦是什么？

由于微重力环境中几乎不存在自然对流，物体向周围大气的热量传递大大降低。因此，受到热应力的部件的温度有可能继续上升，容易导致过热和点火。

所以微重力环境下大大降低了典型的密度驱动的流动。即不会出现预期的颗粒向下沉降或气体向上上升，导致液体溢出的特殊危险。这些泄漏的混合物像“云”一样停留在大气中，消散非常缓慢。在正常重力下，这些液体会向下滴水和冷却下来，但在微重力中，他们向外推动，并可能成为热点火的来源。

微重力下最显著的区别是气体生成，由于氧气的扩散能力有限（缺乏浮力的帮助），微重力环境中的火灾会产生100～4000ppm的一氧化碳。

在真正静止的环境中，火焰传播速度是相应正常重力条件下的15％左右。

外在的流动，即使速度很低，也会对微重力火灾产生很大的影响。

图2.蜡烛火焰在常规重力下和微重力下的不同表现。

如何测试零重力下火焰蔓延？

那么，如何研究微重力条件下的火灾蔓延特征呢？最好的环境当然是太空站或者航天飞船上，退而求其次，在地面上，我们可以制造出段时间的微重力环境，对于某些燃烧场合，即使是几秒钟的时间也是非常宝贵的。比如，NASA位于克里夫兰的研究中心，主要靠下降塔，实验对象在包裹中自由落体下降，提供10秒钟的微重力实验时间。

如果大型飞机按照抛物线轨道飞行，也也可以在下降的短时间内提供长达25秒的低重力（10^-2海平面引力），如下图所示。

图3. 按照抛物线轨道飞行的飞机，在下降的短时间内产生微重力的环境。

图4. 2007年，著名物理学家霍金在微重力飞机中漂浮。

当然，成本最高的选择是探空火箭，不需要达到地球脱离速度，只要发射到亚轨道（抛物线）上并回收，也可以提供10分钟或更长时间的微重力。

图5. NASA拍摄的和平号空间站全景

深入了解，观看英国的讲座《Fires in Space, BRE in Microgravity》@ http://www.youtube.com/watch?v=wSMdW4z1P78