太空“縱火記”

沈羨云

你是否聽說過有人到太空去放火，而且這個“縱火犯”不是別人，正是那些為維護空間站嘔心瀝血的科學家？他們在國際空間站和貨運飛船上曾進行過數次“縱火”實驗，他們的目的不是真正地要燒毀航天器，只是想通過“縱火實驗”來達到不同的目的。

為什么要到太空去 “縱火”

如果在太空的航天器上發生火災，結果會如何？在探索太空前沿過程中，火災將是人類面臨的重要威脅。航天器增壓艙有氧環境下一旦內部著火，后果不堪設想，但現在人們對航天器防火缺乏完善的規范，目前只能借鑒地面和航空的防火規范。在載人飛船和空間站獨特的微重力環境下，火焰燃燒和正常重力環境下的表現肯定有巨大的差異，所以這種借鑒只是權宜之計。

太空火災一直是美國國家航空航天局（NASA）十分關注的安全問題，對于那些生活在充滿氧氣的封閉太空船和空間站的航天員而言，這也是關系到性命攸關的重要問題。這并不是駭人聽聞的事，在1997年2月，俄羅斯“和平”號空間站上的氧氣罐曾噴出灼熱火焰，導致通往緊急逃生艙的通道受阻。航天員利用泡沫滅火器和水滅火，最終它自己熄滅，留下厚厚的煙塵殘骸。1970年4月11日，阿波羅13號在進入月球軌道時，氧氣槽爆炸，登月任務無法完成。航天員們歷盡艱險，死里逃生返回地球。

所以，了解火焰在微重力環境下如何燃燒，對于生活和工作在太空中的航天員的安全至關重要。盡管NASA已從事太空飛行幾十年，但對火情在太空微重力環境下的擴散情況了解不多。NASA此前曾在國際空間站和航天飛機上進行過相關研究，但出于乘員安全考慮，這些實驗規模和范圍都有限制，只能稱之為“燃燒實驗”，而不是“火災實驗”。為了對太空中大規模火焰燃燒有更深入了解，必須到太空去“縱火”。

如何進行此實驗？既要達到實驗目的，又要不威脅到乘員的安全。NASA有關的科學家們經過認真的比較，認為在“天鵝座”貨運飛船上進行此實驗更合適。為了不對航天員和國際空間站帶來額外風險，實驗將在“天鵝座”飛船脫離空間站再入大氣層前進行，如果實驗一切順利，自然皆大歡喜，即使實驗失敗，火焰在增壓貨艙蔓延開來，甚至燒毀飛船也無關緊要，不會威脅到空間站乘員的安全。這是因為“天鵝座”飛船是一次性不載人的產品，它的任務是上行運貨和下行銷毀廢棄物，本來就會在再入大氣層的過程中徹底燒毀。

NASA的“飛船火災實驗”

飛船火災實驗包括以下3個實驗：

飛船火災實驗1 2016年6月14日，“天鵝座”5號貨運飛船在太空停留將近3個月后脫離國際空間站。當飛船離空間站足夠遠后，地面人員通過遙控在飛船上“縱火”，以了解太空微重力環境對火情的影響。

NASA曾在空間站微重力環境中做過一些小型燃燒實驗，但此次“飛船火災實驗”燃燒的材料尺寸相對較大。實驗是在飛船上一個長0.9米、寬0.9米、高1.5米的模塊中進行的，燃燒物是一塊長1米、寬0.4米的棉花與玻璃纖維混合物。此前空間站上實驗燃燒的材料長與寬都不超過10厘米，因此這是太空中人類制造的“最大規模”火焰。實驗通過熱絲引燃樣本，管道內流通的空氣維持火焰燃燒，燃燒實驗共維持了8分鐘。模塊內的監控設備記錄下火焰沿著布料擴散的特點及燃料與氧氣消耗情況。在接下來的4～6天中，數據和照片被陸續傳給地球控制團隊。

飛船火災實驗2 此實驗是在2016年11月21日“天鵝座”6號貨運飛船脫離國際空間站后進行的。飛船火災實驗2是點燃9種不同的材料，它們都是在空間站常常用到的材料，包括航天服使用的阻燃布料、空間站窗戶與儲藏容器使用的樹脂玻璃等。飛船火災實驗2所使用的樣本相對較小，每個樣本大約為5厘米×30厘米。實驗目的是檢查不同材料的易燃性。

飛船火災實驗3 2017年

6月4日，在“天鵝座”7號貨運飛船離開國際空間站后進行此實驗。實驗目的是更好地理解火焰在微重力中的傳播方式，并增加對太空中意外火災行為的了解。實驗持續約兩個半小時，其中20分鐘是實際燃燒。火焰沿著長1米、寬1.4米的面板燃燒。在本次測試時，飛船艙內的氧氣水平最大程度地模擬國際空間站的水平。實驗結束后，“天鵝座”7號貨運飛船在軌道上停留 7 天，將數據傳回全球各地的地面站點。在地面團隊獲取數據之后，“天鵝座”7號貨運飛船進入大氣層，并在太平洋上空焚毀。

我國的“縱火”實驗

不僅美國在太空中“縱火”，我國在“實踐”十號返回式衛星上也放了一把火。“實踐”十號是我國首顆微重力科學實驗衛星和單次開展科學實驗項目最多的衛星。它在太空中完成19項實驗，其中兩項與火災有關。

第一項為“典型非金屬材料在微重力環境中的著火及燃燒特性研究”，是通過衛星空間實驗，為航天器設計中材料防火性能的評價、材料篩選以及火災安全措施的建立和完善提供科學依據。在此實驗中首次采用了多通道實驗段設計，有效避免了實驗樣品之間的干擾，實現實驗樣品、氧氣濃度、氣流速度、點火方式等實驗參數的靈活組合，保證了空間實驗機會的充分利用和科學目標的實現。

第二項實驗的名稱是“微重力下導線絕緣層著火實驗”。導線、線纜是微重力條件下的典型電子元件，在電流過載的情況下，容易發生火災。研究其在微重力時的特征，只能通過空間微重力實驗。科學家可以通過微重力下的實驗設計，把導線著火的先期狀況研究清楚，并對溫度的普遍特性、絕緣層煙的析出和煙氣在有限密閉空間的規律都進行研究。在這次空間燃燒實驗中，科學家選擇了日常生活中的絕緣體材料，包括聚乙烯、聚錄乙烯和四氟乙烯。科學家首先對比了它們在地面實驗時導線的溫度變化。在地面實驗的視頻中，我們可以看到溫度的升高幅度較小，沒有發生突變的特性。而在相同的條件下，微重力時溫度升高的幅度大，并有突變，失火的可能性大。然后，科學家對比一下煙氣析出的變化規律。在地面視頻中，常壓下，煙氣沿著導線方向聚集析出，在重力的作用下，煙氣向上運動，隨后向空間蔓延。而在微重力情況下，煙氣在絕緣端的兩端析出，形成相對均勻的人形分布，隨后析出，然后，兩側對稱的煙氣向中間匯合。這是由于在微重力環境下，浮力和自然對流基本消失，因為燃燒需要的氧化劑和熱量產物的排出主要是靠擴散效應，所以熱量喪失的速率大大減慢。在微重力狀態下，絕緣體層散熱狀況與地面條件相比更加惡劣，太空失火的概率也增大。

這個實驗與國外實驗相比，有很大的創新性。國外的實驗一般是通過外界點火來研究火焰的傳播特性。而我國是通過導線電流的自身過載內熱源的情況下，來研究導線的先期著火癥狀，從而為高新技術服務。這兩項實驗的意義是為我國載人航天和空間站的重大需求提供支持。