火球：火焰在太空中的行为方式

鉴于它是人类最古老的工具之一，您可能会认为我们已经对火有了充分的了解。诚然，我们了解很多：当火焰底部附近的热空气上升时，重力会吸入更冷、更密集的空气来取代它。正是这种空气的循环提供了新鲜的氧气，并使火焰呈现出其标志性的水滴形状。

但在微重力环境中，就像宇航员在轨道上经历的那样，一切规则都失效了。在这里，热空气仍然向外膨胀——但它不会向上移动，因为没有“向上”的方向。相反，太空中的火只能靠偶然进入的随机氧分子来维持。

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这个过程称为分子扩散，它产生的球形火焰在多个方面与地球上的火焰不同。它们不仅燃烧得慢得多，持续时间也更长，而且它们消耗的氧气更少，温度不到 900 华氏度——这与大多数地球火焰产生的热量相比微不足道。

然而，科学家们仍然不了解火在微重力下的运作方式。某些材料是否比其他材料更容易燃？扑灭失控火焰的最佳方法是什么？

这些问题对于已经生活和工作在 国际空间站 (ISS) 的宇航员的安全至关重要，并且随着人类为 更长久的太空旅行 做准备，其重要性只会日益增加。幸运的是，NASA 科学家们正在着手解决这个问题。

空间站内的火灾

需要明确的是，这种威胁并非仅仅是假设性的。例如，在 1997 年，一场火灾发生在 俄罗斯和平号空间站 上；火灾源于一个氧气发生器，在持续的几分钟内，空间站的舱室充满了有毒烟雾，并切断了通往逃生载具的通道。

火在太空中如此危险的原因之一是其不可预测性。与地面不同，在地面上，重力会将火焰向上推，而在微重力环境下，火焰可以向任何方向传播。烟雾也是如此，这使得在空间站中（通常在大多数建筑物的顶部）放置烟雾探测器变得更加困难。

尽管和平号宇航员迅速用灭火器扑灭了这场失控的火焰，阻止了其蔓延，但使用气体扑灭火焰的灭火器在太空中的效果不如在地球上。首先，设备可以通过将空气（也就是氧气）导向火焰来加剧火势。

最终，火灾仅在氧气发生器耗尽后才自行熄灭。在接下来的几个小时里，空间站的生命支持系统清除了和平号大气中的所有烟雾，船员们安然无恙地度过了这次事故，自身和空间站结构均未遭受重大损坏。

玩火

好的，那么我们已经确定，弥补我们在火行为知识上的这些空白显然很重要。那么，科学家们究竟是如何做到的呢？

2008 年，NASA 研发了 燃烧集成架 (CIR) 并将其送往国际空间站。它用于在微重力下安全地操控可控燃烧，其硬件包括一个 26 加仑的燃烧室和五种不同的摄像机，在过去 15 年的数千次测试中得到了很好的利用。

其中许多测试是大约一年后开始的 火焰熄灭实验（或称 FLEX）的一部分。正如其名称所示，这些实验侧重于在太空中扑灭火灾，并最终改进未来航天器的消防系统。在 CIR 的帮助下，国际空间站上的研究人员会点燃庚烷或甲醇燃料的微小液滴并记录结果。

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NASA 格伦研究中心的一位科学家 Daniel Dietrich 告诉该机构，“微重力项目乃至过去 20 [至] 30 年燃烧研究中最大的发现之一，是在空间站上的 FLEX 实验期间做出的。”

这里的发现是什么？在某些液态燃料在太空中被扑灭后，它们会自发复燃。在这些情况下，随后的火焰——被称为“冷火焰”——在较低的温度下燃烧，并且肉眼不可见。

科学家们不确定这到底是如何发生的，但从实际角度来看，我们可以假设利用这种低温燃烧来减少地球上柴油发动机的空气污染物排放。尽管离这个现实还很远，但 2021 年 6 月 的研究取得了又一次重大飞跃，当时使用气态燃料而非液态燃料重复了这一现象。

将火焰带回家

然而，研究太空中火焰最棒的部分或许在于，缺乏重力在很多方面……让事情变得更简单。例如，你咖啡桌上的蜡烛可能会因为由浮力驱动的不稳定而闪烁，但在微重力下则不会。

NASA 的另一系列研究，即 微重力燃烧高级实验 (ACME)，利用了这一点来深入研究什么构成了一个好的火焰——一个高效但又不产生大量烟尘等污染物的火焰。ACME 从 2017 年开始，在四年多的时间里，在 CIR 中仔细研究了 超过 1500 次火焰。

NASA 研究的下一步是 SoFIE，即 固体燃料着火与熄灭。这组实验于 2022 年 2 月发射到国际空间站，预计将持续到 2025 年，将帮助该机构选择用于“宇航服、舱室和栖息地”的最佳阻燃材料和设计。

包括有机玻璃和棉基织物在内的多种材料将接受测试。之后，SoFIE 的结果甚至将被应用于数学模型，以预测这些相同材料在微重力以外的条件下——包括在 月球、火星或太阳系其他地方 的燃烧情况。

但我们不会止步于此：如果这些研究能够潜在地改进我们家庭、办公室和飞机使用的防火材料，其影响将一直持续到地球。可以说，这是 NASA 以火制火的另一种形式。