为什么要在太空中做燃烧实验？

太空中不受重力约束的火焰不仅美丽，研究它们还能帮助我们有效地控制地面上的燃烧。

燃烧是一个复杂的过程

人类对火的迷恋几乎与我们的历史一样久远。我们的祖先在100万年前就学会用火烹饪了。到现在，我们已经知道，燃烧是一种化学反应，在反应中，燃料和氧气转变为二氧化碳和水。但是，这说起来简单，其实非常复杂。燃料的燃烧，通常不是一步就到最终产物，而是通过大量的中间化合物来完成的，其中许多化合物是非常不稳定的。

以木材的燃烧为例。木材在受热之后即产生裂解反应，生成小分子产物。随着燃烧的持续，温度升高，在200℃左右，主要生成二氧化碳、水蒸气、甲酸、乙酸以及各种易燃气体;在200℃～280℃产生少量水汽及一氧化碳;在280℃～500℃，产生可燃蒸气及颗粒;到500℃以上，主要产物才是二氧化碳和水蒸气。所以，燃烧的过程相当复杂，很多情况我们至今都不完全了解。

宇航员在太空舱的仪器前观察燃烧实验

为什么现在科学这么发达，却连燃烧中发生的事情都没法详细掌握呢?

原因是，燃烧的过程涉及到对流：较热的、密度较小的空气向上流动，较冷的、密度较大的空气下沉。火焰本身既驱动对流，反过来又受对流的影响。这个因果循环，就好比一条首尾相衔的蛇，让量它的身长变得棘手。

解决这个问题又非常迫切。因为尽管我们今天在利用可再生能源方面取得了长足的进步，但是全球范围内大约85%的能源仍然来自于化石燃料的燃烧。更好地了解这些燃料是如何燃烧的，可以帮助我们更有效地提取热量，减少污染。

在太空中研究燃烧的魅力在于，那里几乎没有重力，空气不会因密度的差异而升沉。这意味着没有对流。这就把关于燃烧的因果循环链拆开了，使更深入地了解燃烧中发生的事情成为可能。

可持续的低温燃烧

当然，有一种方法可以让我们不离开地球，就能观察失重条件下发生的事情：把点燃的火从高处扔下去。美国宇航局格伦研究中心有两个落塔，基本上是长长的管道，实验品可以在其中自由下落几秒钟。研究人员让燃烧的液滴从管子中落下，并使用相机和其他仪器记录结果。

但几秒钟毕竟太短了，我们能从中获得的知识非常有限。从1990年代起，美国宇航局开始在国际空间站进行燃烧实验。

这些实验表明，在微重力条件下，火焰看起来非常奇怪。它是半球形的，而不是我们熟悉的水滴形;它的光不是明亮的黄色，而是黯淡的蓝色。颜色上的差异是因为无法通过对流将新鲜的氧气携带进火焰所致。因此，氧气只能通过扩散(气体从浓度较高的区域缓慢移动到浓度较低的区域)进入火焰。这使得温度保持在较低水平，并且产生较少的烟尘——正是烟尘颗粒的炽热产生了地球上某些火焰的黄色。

微小的、飘浮的烟尘颗粒使得火焰具有橘黄的颜色

2009年，美国宇航局开始了一项称为火焰熄灭的实验(FLEX)。这个实验是在国际空间站点燃甲醇和庚烷等液体的小液滴。实验是在地球上准备的，在一个相当于洗衣机滚筒大小的装置中进行。装置被运送到空间站，科学家从地面远程操作。这些实验表明，在太空，燃烧的液滴大小必须保持在一定的尺寸范围内才能保持燃烧。液滴太小，直径低于一毫米左右，由于液滴与空气的接触面太小，氧气就不能足够快地扩散到火焰中。但液滴太大，又会向外辐射太多的热量，使得火焰无法保持足够高的温度。

这一点是预料之中的。但是几年后，实验发现了一些明显出乎意料的事情：太空中的火可以“熄灭”两次!

点火之后，液滴先是燃烧，产生可见的热焰，此时其温度在1200℃~1700℃之间，燃烧生成二氧化碳和水;随着燃烧的进行，液滴逐渐变小，到某个时间点上，可见的火焰消失了。但事实上，此时火焰并没有熄灭，燃烧仍在继续，只是它变成了不可见的冷焰。冷焰的温度只达到200℃~500℃，而且燃烧是不完全的，产生一氧化碳和甲醛以及其他分子。

冷焰的发现完全是一个惊喜，它们不可能出现在落塔实验中，因为它们需要的时间较长，大约一分钟才能形成。

这一来自太空的发现可能有助于改善内燃机。我们已经知道，在汽车发动机中，燃料的低温燃烧是汽车熄火的主要原因。经过长期的研究，人们已经掌握了低温燃烧的特点。但在这之前，研究人员总是以为低温燃烧只是通向高温燃烧的一个中间步骤，而不知道它们本身也是可以独立持续的。这加深了我们对燃烧的认识，所以这项发现在研发新一代柴油发动机中也许有用。

寻找最佳的燃料混合比

为了发电，我们不仅燃烧液体，也燃烧气体。当今，燃气发电站提供了世界上大约25%的电力。美国宇航局希望通过研究气体在微重力条件下的燃烧，来改善这些发电站的效率。

2017年，美国宇航局的微重力实验——先进燃烧(ACME)项目开始了。该项目的一部分目标是设计更有效燃烧的火焰。在气体燃料的火焰中，在没有足够的氧气让燃料正常燃烧的区域，往往会形成烟尘颗粒。ACME的研究能帮助我们找出气体燃料和氧气的最佳混合比，以最大限度地减少烟尘，而这是我们在地球上一直无法获得的知识。因为在正常重力下，燃烧产生的对流影响了燃烧过程，改变气体燃料和氧气的混合比之后，所有的火焰看起来还是都差不多。而在微重力条件下，由于没有对流，不同混合比的燃烧过程就会明显地区别开来。

地面的烛焰（左）和太空中的烛焰（右）

ACME项目还尝试使用电场来塑造火焰的形状。燃烧过程中产生的一些分子，会在燃烧的高温中，被电离成离子，因此它们可以受电场引导，使火焰改变形状。这可以让我们控制烟尘的形成，并设计出最佳燃烧的火焰形状。这些经验最终可能会在燃气发电站和其他大型炉子中派上用场。

美国宇航局将继续研究固体燃料在微重力下如何燃烧。在这里，重点将不在于了解燃烧的过程，而在于了解实际的危险性。因为航天器的大部分部件都是易燃固体，人们想知道它们是如何燃烧的，以便减轻发生意外火灾的风险。

拓展阅读：太空中研究火灾

在国际空间站，或者在未来星际航行的飞船上，万一发生火灾，却找不到任何救援，一想就很可怕。

首先，需要说明的是：在太空中，因为没有重力，空气不会像在地球上那样对流。没有对流，得不到新鲜空气的补充，火灾就不会蔓延那么快。所以，与地球上的火灾相比，它们的规模较小，蔓延的速度也较慢。

然而，危险仍然是巨大的。一场严重的火灾将提高航天器内部的温度和压强，并耗尽宝贵的氧气。而且由于有大量的电子设备，你还不能使用水灭火器，只能用二氧化碳灭火器来扑灭;但你又不能用得太多，以免舱内二氧化碳浓度过高让人窒息。

更糟的是，我们并不真正知道航天器上的火灾会如何发展。为了提高警惕，美国航天局开展了一个名为Saffire的项目。该项目涉及在航天器内故意燃起事故性的大火。在国际空间站上做这样的实验太危险了，所以科学家用向国际空间站运送物资的“天鹅座”载货太空舱代替。反正这些太空舱在正常情况下都是一次性的，装满从国际空间站收集的废物之后，要让它们在地球大气中自行坠毁。

2020年5月，Saffire团队进行了雄心勃勃的实验，在太空舱中装入几块50厘米宽的燃烧材料，包括模仿宇航服的棉纤维玻璃材料，以及用于制造国际空间站窗户的塑料，还测试了一个烟雾过滤器，这样的实验将有助于科学家们更深刻地认识太空中火的机制。