太空“纵火记”
你是否听说过有人到太空去放火，而且这个“纵火犯”不是别人，正是那些为维护空间站呕心沥血的科学家？他们在国际空间站和货运飞船上曾进行过数次“纵火”实验，他们的目的不是真正地要烧毁航天器，只是想通过“纵火实验”来达到不同的目的。
为什么要到太空去 “纵火”
如果在太空的航天器上发生火灾，结果会如何？在探索太空前沿过程中，火灾将是人类面临的重要威胁。航天器增压舱有氧环境下一旦内部着火，后果不堪设想，但现在人们对航天器防火缺乏完善的规范，目前只能借鉴地面和航空的防火规范。在载人飞船和空间站独特的微重力环境下，火焰燃烧和正常重力环境下的表现肯定有巨大的差异，所以这种借鉴只是权宜之计。
太空火灾一直是美国国家航空航天局(NASA)十分关注的安全问题，对于那些生活在充满氧气的封闭太空船和空间站的航天员而言，这也是关系到性命攸关的重要问题。這并不是骇人听闻的事，在1997年2月，俄罗斯“和平”号空间站上的氧气罐曾喷出灼热火焰，导致通往紧急逃生舱的通道受阻。航天员利用泡沫灭火器和水灭火，最终它自己熄灭，留下厚厚的烟尘残骸。1970年4月11日，阿波罗13号在进入月球轨道时，氧气槽爆炸，登月任务无法完成。航天员们历尽艰险，死里逃生返回地球。
所以，了解火焰在微重力环境下如何燃烧，对于生活和工作在太空中的航天员的安全至关重要。尽管NASA已从事太空飞行几十年，但对火情在太空微重力环境下的扩散情况了解不多。NASA此前曾在国际空间站和航天飞机上进行过相关研究，但出于乘员安全考虑，这些实验规模和范围都有限制，只能称之为“燃烧实验”，而不是“火灾实验”。为了对太空中大规模火焰燃烧有更深入了解，必须到太空去“纵火”。
如何进行此实验？既要达到实验目的，又要不威胁到乘员的安全。NASA有关的科学家们经过认真的比较，认为在“天鹅座”货运飞船上进行此实验更合适。为了不对航天员和国际空间站带来额外风险，实验将在“天鹅座”飞船脱离空间站再入大气层前进行，如果实验一切顺利，自然皆大欢喜，即使实验失败，火焰在增压货舱蔓延开来，甚至烧毁飞船也无关紧要，不会威胁到空间站乘员的安全。这是因为“天鹅座”飞船是一次性不载人的产品，它的任务是上行运货和下行销毁废弃物，本来就会在再入大气层的过程中彻底烧毁。
图1.与国际空间站对接的“天鹅座”货运飞船
NASA的“飞船火灾实验”
飞船火灾实验包括以下3个实验：
飞船火灾实验1 2016年6月14日，“天鹅座”5号货运飞船在太空停留将近3个月后脱离国际空间站。当飞船离空间站足够远后，地面人员通过遥控在飞船上“纵火”，以了解太空微重力环境对火情的影响。
NASA曾在空间站微重力环境中做过一些小型燃烧实验，但此次“飞船火灾实验”燃烧的材料尺寸相对较大。实验是在飞船上一个长0.9米、宽0.9米、高1.5米的模块中进行的，燃烧物是一块长1米、宽0.4米的棉花与玻璃纤维混合物。此前空间站上实验燃烧的材料长与宽都不超过10厘米，因此这是太空中人类制造的“最大规模”火焰。实验通过热丝引燃样本，管道内流通的空气维持火焰燃烧，燃烧实验共维持了8分钟。模块内的监控设备记录下火焰沿着布料扩散的特点及燃料与氧气消耗情况。在接下来的4～6天中，数据和照片被陆续传给地球控制团队。
飞船火灾实验2 此实验是在2016年11月21日“天鹅座”6号货运飞船脱离国际空间站后进行的。飞船火灾实验2是点燃9种不同的材料，它们都是在空间站常常用到的材料，包括航天服使用的阻燃布料、空间站窗户与储藏容器使用的树脂玻璃等。飞船火灾实验2所使用的样本相对较小，每个样本大约为5厘米×30厘米。实验目的是检查不同材料的易燃性。
飞船火灾实验3 2017年
6月4日，在“天鹅座”7号货运飞船离开国际空间站后进行此实验。实验目的是更好地理解火焰在微重力中的传播方式，并增加对太空中意外火灾行为的了解。实验持续约两个半小时，其中20分钟是实际燃烧。火焰沿着长1米、宽1.4米的面板燃烧。在本次测试时，飞船舱内的氧气水平最大程度地模拟国际空间站的水平。实验结束后，“天鹅座”7号货运飞船在轨道上停留 7 天，将数据传回全球各地的地面站点。在地面团队获取数据之后，“天鹅座”7号货运飞船进入大气层，并在太平洋上空焚毁。
我国的“纵火”实验
不仅美国在太空中“纵火”，我国在“实践”十号返回式卫星上也放了一把火。“实践”十号是我国首颗微重力科学实验卫星和单次开展科学实验项目最多的卫星。它在太空中完成19项实验，其中两项与火灾有关。
图2.实验1的燃烧材料
第一项为“典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究”，是通过卫星空间实验，为航天器设计中材料防火性能的评价、材料筛选以及火灾安全措施的建立和完善提供科学依据。在此实验中首次采用了多通道实验段设计，有效避免了实验样品之间的干扰，实现实验样品、氧气浓度、气流速度、点火方式等实验参数的灵活组合，保证了空间实验机会的充分利用和科学目标的实现。
第二项实验的名称是“微重力下导线绝缘层着火实验”。导线、线缆是微重力条件下的典型电子元件，在电流过载的情况下，容易发生火灾。研究其在微重力时的特征，只能通过空间微重力实验。科学家可以通过微重力下的实验设计，把导线着火的先期状况研究清楚，并对温度的普遍特性、绝缘层烟的析出和烟气在有限密闭空间的规律都进行研究。在这次空间燃烧实验中，科学家选择了日常生活中的绝缘体材料，包括聚乙烯、聚录乙烯和四氟乙烯。科学家首先对比了它们在地面实验时导线的温度变化。在地面实验的视频中，我们可以看到温度的升高幅度较小，没有发生突变的特性。而在相同的条件下，微重力时温度升高的幅度大，并有突变，失火的可能性大。然后，科学家对比一下烟气析出的变化规律。在地面视频中，常压下，烟气沿着导线方向聚集析出，在重力的作用下，烟气向上运动，随后向空间蔓延。而在微重力情况下，烟气在绝缘端的两端析出，形成相对均匀的人形分布，随后析出，然后，两侧对称的烟气向中间汇合。这是由于在微重力环境下，浮力和自然对流基本消失，因为燃烧需要的氧化剂和热量产物的排出主要是靠扩散效应，所以热量丧失的速率大大减慢。在微重力状态下，绝缘体层散热状况与地面条件相比更加恶劣，太空失火的概率也增大。
图3.科学家在地面为实验做准备
图4.烟气析出空间实验视频
这个实验与国外实验相比，有很大的创新性。国外的实验一般是通过外界点火来研究火焰的传播特性。而我国是通过导线电流的自身过载内热源的情况下，来研究导线的先期着火症状，从而为高新技术服务。这两项实验的意义是为我国载人航天和空间站的重大需求提供支持。 (沈羡云)
为什么要到太空去 “纵火”
如果在太空的航天器上发生火灾，结果会如何？在探索太空前沿过程中，火灾将是人类面临的重要威胁。航天器增压舱有氧环境下一旦内部着火，后果不堪设想，但现在人们对航天器防火缺乏完善的规范，目前只能借鉴地面和航空的防火规范。在载人飞船和空间站独特的微重力环境下，火焰燃烧和正常重力环境下的表现肯定有巨大的差异，所以这种借鉴只是权宜之计。
太空火灾一直是美国国家航空航天局(NASA)十分关注的安全问题，对于那些生活在充满氧气的封闭太空船和空间站的航天员而言，这也是关系到性命攸关的重要问题。這并不是骇人听闻的事，在1997年2月，俄罗斯“和平”号空间站上的氧气罐曾喷出灼热火焰，导致通往紧急逃生舱的通道受阻。航天员利用泡沫灭火器和水灭火，最终它自己熄灭，留下厚厚的烟尘残骸。1970年4月11日，阿波罗13号在进入月球轨道时，氧气槽爆炸，登月任务无法完成。航天员们历尽艰险，死里逃生返回地球。
所以，了解火焰在微重力环境下如何燃烧，对于生活和工作在太空中的航天员的安全至关重要。尽管NASA已从事太空飞行几十年，但对火情在太空微重力环境下的扩散情况了解不多。NASA此前曾在国际空间站和航天飞机上进行过相关研究，但出于乘员安全考虑，这些实验规模和范围都有限制，只能称之为“燃烧实验”，而不是“火灾实验”。为了对太空中大规模火焰燃烧有更深入了解，必须到太空去“纵火”。
如何进行此实验？既要达到实验目的，又要不威胁到乘员的安全。NASA有关的科学家们经过认真的比较，认为在“天鹅座”货运飞船上进行此实验更合适。为了不对航天员和国际空间站带来额外风险，实验将在“天鹅座”飞船脱离空间站再入大气层前进行，如果实验一切顺利，自然皆大欢喜，即使实验失败，火焰在增压货舱蔓延开来，甚至烧毁飞船也无关紧要，不会威胁到空间站乘员的安全。这是因为“天鹅座”飞船是一次性不载人的产品，它的任务是上行运货和下行销毁废弃物，本来就会在再入大气层的过程中彻底烧毁。
图1.与国际空间站对接的“天鹅座”货运飞船
NASA的“飞船火灾实验”
飞船火灾实验包括以下3个实验：
飞船火灾实验1 2016年6月14日，“天鹅座”5号货运飞船在太空停留将近3个月后脱离国际空间站。当飞船离空间站足够远后，地面人员通过遥控在飞船上“纵火”，以了解太空微重力环境对火情的影响。
NASA曾在空间站微重力环境中做过一些小型燃烧实验，但此次“飞船火灾实验”燃烧的材料尺寸相对较大。实验是在飞船上一个长0.9米、宽0.9米、高1.5米的模块中进行的，燃烧物是一块长1米、宽0.4米的棉花与玻璃纤维混合物。此前空间站上实验燃烧的材料长与宽都不超过10厘米，因此这是太空中人类制造的“最大规模”火焰。实验通过热丝引燃样本，管道内流通的空气维持火焰燃烧，燃烧实验共维持了8分钟。模块内的监控设备记录下火焰沿着布料扩散的特点及燃料与氧气消耗情况。在接下来的4～6天中，数据和照片被陆续传给地球控制团队。
飞船火灾实验2 此实验是在2016年11月21日“天鹅座”6号货运飞船脱离国际空间站后进行的。飞船火灾实验2是点燃9种不同的材料，它们都是在空间站常常用到的材料，包括航天服使用的阻燃布料、空间站窗户与储藏容器使用的树脂玻璃等。飞船火灾实验2所使用的样本相对较小，每个样本大约为5厘米×30厘米。实验目的是检查不同材料的易燃性。
飞船火灾实验3 2017年
6月4日，在“天鹅座”7号货运飞船离开国际空间站后进行此实验。实验目的是更好地理解火焰在微重力中的传播方式，并增加对太空中意外火灾行为的了解。实验持续约两个半小时，其中20分钟是实际燃烧。火焰沿着长1米、宽1.4米的面板燃烧。在本次测试时，飞船舱内的氧气水平最大程度地模拟国际空间站的水平。实验结束后，“天鹅座”7号货运飞船在轨道上停留 7 天，将数据传回全球各地的地面站点。在地面团队获取数据之后，“天鹅座”7号货运飞船进入大气层，并在太平洋上空焚毁。
我国的“纵火”实验
不仅美国在太空中“纵火”，我国在“实践”十号返回式卫星上也放了一把火。“实践”十号是我国首颗微重力科学实验卫星和单次开展科学实验项目最多的卫星。它在太空中完成19项实验，其中两项与火灾有关。
图2.实验1的燃烧材料
第一项为“典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究”，是通过卫星空间实验，为航天器设计中材料防火性能的评价、材料筛选以及火灾安全措施的建立和完善提供科学依据。在此实验中首次采用了多通道实验段设计，有效避免了实验样品之间的干扰，实现实验样品、氧气浓度、气流速度、点火方式等实验参数的灵活组合，保证了空间实验机会的充分利用和科学目标的实现。
第二项实验的名称是“微重力下导线绝缘层着火实验”。导线、线缆是微重力条件下的典型电子元件，在电流过载的情况下，容易发生火灾。研究其在微重力时的特征，只能通过空间微重力实验。科学家可以通过微重力下的实验设计，把导线着火的先期状况研究清楚，并对温度的普遍特性、绝缘层烟的析出和烟气在有限密闭空间的规律都进行研究。在这次空间燃烧实验中，科学家选择了日常生活中的绝缘体材料，包括聚乙烯、聚录乙烯和四氟乙烯。科学家首先对比了它们在地面实验时导线的温度变化。在地面实验的视频中，我们可以看到温度的升高幅度较小，没有发生突变的特性。而在相同的条件下，微重力时温度升高的幅度大，并有突变，失火的可能性大。然后，科学家对比一下烟气析出的变化规律。在地面视频中，常压下，烟气沿着导线方向聚集析出，在重力的作用下，烟气向上运动，随后向空间蔓延。而在微重力情况下，烟气在绝缘端的两端析出，形成相对均匀的人形分布，随后析出，然后，两侧对称的烟气向中间汇合。这是由于在微重力环境下，浮力和自然对流基本消失，因为燃烧需要的氧化剂和热量产物的排出主要是靠扩散效应，所以热量丧失的速率大大减慢。在微重力状态下，绝缘体层散热状况与地面条件相比更加恶劣，太空失火的概率也增大。
图3.科学家在地面为实验做准备
图4.烟气析出空间实验视频
这个实验与国外实验相比，有很大的创新性。国外的实验一般是通过外界点火来研究火焰的传播特性。而我国是通过导线电流的自身过载内热源的情况下，来研究导线的先期着火症状，从而为高新技术服务。这两项实验的意义是为我国载人航天和空间站的重大需求提供支持。 (沈羡云)