航天飞机似乎是进行火灾实验的最后一个地方。但在去年七月的两周时间里，哥伦比亚号航天飞机上的宇航员观察了密封、充气的腔室中微小的漂浮火焰球是如何燃烧的。这不是一个深奥的练习。如此小的火焰驱动着所有的内燃发动机，如果工程师们能更深入地了解这些火焰是如何形成和燃烧的，他们或许就能改进现有设计。
当火花塞点燃发动机内的空气和燃料混合物时，产生的微小火球会加热周围的空气，空气膨胀并推动活塞，从而提供驱动车辆的动力。但如此小的火焰在地球上很难研究。热的、轻的气体向上涌动，带走了能量；火焰很快熄灭，无法仔细研究。然而，在航天飞机上，重力只有地球上的约百万分之一。浮力气体几乎不起作用，即使是最弱的火焰也能稳定燃烧。
南加州大学的燃烧研究员保罗·罗尼（Paul Ronney）表示，汽车工程师们很早就知道，如果能在发动机中燃烧更稀薄的燃油混合物，就能获得更高的燃油效率，并减少污染物排放。由于燃烧涉及的化学反应速率对温度非常敏感，如果温度提高10%，反应速率就会增加一倍多——而某些污染物形成的速率会增加十三倍，特别是使天空变黄的氮氧化物。
但如果燃油混合物太稀，燃烧就会缓慢，导致发动机失火。“如果你的发动机里的燃油燃烧不够快，它就会在排气阀打开之前来不及烧完，”罗尼说。“你只会排放未燃烧的燃油。”在航天飞机实验中，罗尼和其他研究人员希望能仔细研究少量燃油是如何点燃和燃烧的。
航天飞机宇航员在密封的腔室中混合并点燃了约六加仑的各种气体：氢气、氧气，以及氮气、二氧化碳或称为六氟化硫的重气。这些混合物被用于航天飞机的发动机，美国宇航局尤其希望更好地理解它们。
航天飞机上的火焰带来了一些惊喜。“在几乎所有可燃混合物中，如果你在中心点燃火花，你会得到一个不断膨胀的火焰球，直到它接触到燃烧室的壁。然后它就会熄灭，因为没有燃料了，”罗尼说。“但是航天飞机上的火焰球并非如此。火焰球没有变成不断膨胀的火焰球，而是迅速分裂成几个小球，它们会逐渐远离彼此，”他说。“它几乎看起来像一个正在生长和分裂的细胞生物。”
为什么火焰会这样表现？没有重力，它们没有浮力，无法冲出去消耗新的燃料和氧气，因此它们在消耗中心燃料时会分裂。火焰球在耗尽燃料时会缩小，然后熄灭，这可能需要八分钟以上。“这是火焰中没有对流的唯一例子，”罗尼说。“取而代之的是燃料和氧气扩散到火焰球中，热量和燃烧产物扩散出来。”
由于火焰球是最简单的火的类型，因此它们是研究人员试图微调燃烧模型理想的研究对象。虽然存在几种关于弱火焰的模型，但目前还没有一个能够准确预测罗尼火焰球的行为。如果这些模型能够被修改以成功复制航天飞机实验，那么这些模型就可以用来复制各种发动机中燃料的行为。“我们的想法是确定这些模型中的哪一个（如果有的）能为弱火焰提供良好的预测，”罗尼说，“然后将这些模型应用于航天飞机实验中火焰球的发生情况。然后就由汽车设计师将其融入到他们的稀薄燃烧发动机设计中。”
