探索太空火灾
——NASA的“飞船火焰实验”

周欣然/ 编辑

火灾不只会发生在地面,也可能发生在太空。“太空火灾”是人类步入太空之后所必须面对的风险,也是太空探索当中最令人担心的意外因素之一。国际空间站的飞行工程师里德就曾在社交网站上写道:“在只有一个美式橄榄球场大小的国际空间站上,即使是迅速扑灭一团小火,也是生和死的问题。”虽然自1961 年人类第一位宇航员加加林上天已经过去了半个多世纪,但人类对火灾在太空微重力环境下燃烧扩散情况的了解却非常有限。为了进一步了解“太空火灾”,6 月,美国宇航局(NASA)在一艘即将废弃的“天鹅座”太空货运船上遥控“放火”,用精密的仪器对燃烧过程进行监控,并在这之后对外公布了实验的现场图片和影像资料。

“微重力”状态下的火

“火焰”是我们司空见惯的事物。但其实,我们通常见到的都是正常重力下的火,而在太空微重力环境下,火焰则会变成一副非常陌生的模样。通常,重力会使得低密度的热空气向上运动、高密度的冷空气在下面补充,这种浮力对流会让火焰不断得到氧气补充并使之形成一个细长的锥形。所不同的是,微重力条件下的热空气不会上升,浮力对流不复存在,微重力下的蜡烛火焰就会变成温度更低的颜色偏蓝的小圆球形状。此时一种完全不同的,被称作“分子扩散”的机制控制着整个燃烧过程。美国宇航局格林研究中心FLEX项目科学家丹• 德雷蒂奇表示:“在太空中,分子扩散控制着对燃烧供氧的机制,在这一过程中燃烧产物离开火焰的效率要比地面环境下相应的过程低100 倍。”在太空中,火焰还可以在比地球环境下氧气含量低得多,温度也低得多的情况下燃烧。因此用于在太空环境下灭火的材料必须更加浓缩。
2014 年7 月,美国宇航局就曾在国际空间站做过微重力环境下的小型燃烧实验,火焰在失去重力“支撑”后产生了奇异的现象,形成的燃烧产物也不同于地面。宇航员在微重力环境下点燃高度易燃的点滴状庚烷类物质,研究人员发现,液态物质在被点燃后,周围的氧气就会与液滴在一个球形表面的狭窄区域内燃烧,温度可达1500K 至2000K 之间,液滴会逐渐收缩,直到火焰熄灭或燃料耗尽。如果这一情况发生在地球上,那么点燃的物质会尽可能多地“吸”来周围的氧气,并保持火焰的持续燃烧。然而在微重力环境下,它不是如饥似渴地吸来周围的氧气,并且燃烧只会在一定的区域内进行。
当正在燃烧的庚烷类物质被扑灭时,其小部分液滴仍然在燃烧,并且似乎没有可见的火焰。加州大学圣迭戈分校物理学教授福尔曼•A. 威廉姆斯认为这个现象极为不可思议,起初研究人员认为这个实验可能出错,但事实证明微重力环境下的燃烧确实如此。这种冷火焰的燃烧温度较低,大约为500K至800K 左右,而且化学反应也完全不同,正常的燃烧产物为烟尘、二氧化碳和水,冷火焰的燃烧产物为一氧化碳和甲醛。

“最大规模”人造太空火焰

此次“太空火灾”实验是在一艘名为“天鹅座”的货运飞船上进行的。而在此前的货运任务中,“天鹅座”作为一次性飞船,在完成为国际空间站补给物资的任务后,都是直接在太平洋上空的大气层中焚毁。但此次,美国航天局“榨尽”了飞船的最后一点用途,让它在6 月14 日脱离空间站后,继续绕地球飞行了8 天,并在此期间在其上进行了一系列实验,其中最重要的就是“飞船火焰实验”。
“飞船火焰实验”项目负责人之一加里• 拉夫在今年3月的一份声明中称:“‘飞船火焰实验’将是迄今在太空进行的最大的一次人造火灾。”他表示,多年来,许多实验都致力于理解太空中的火,但在以往的测试中,火都太小了,根本不足以让我们明白在真正的“太空火灾”紧急事故中能做些什么。
燃烧是在一个长0.9 米、宽0.9 米、高1.5 米的密封模块中进行的。6 月14 日,在“天鹅座”脱离空间站约5 个小时后,地面人员遥控点燃了飞船模块内的一块长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宽都不超过10 厘米。模块内的监控设备记录下燃料与氧气消耗情况。据介绍燃烧实验共持续了8 分钟。
6 月18 日,美国宇航局对“飞船火焰实验”的部分实验影像资料进行了公布。美国宇航局表示,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宇航员的安全至关重要。拉夫说,更好地了解火情在太空环境下的扩散情况,将有助于研制更好的防火材料与技术,从而帮助提高太空旅行的安全性。22 日,“天鹅座”按计划在地球大气层中焚毁,飞船的空间站货运任务由此画上圆满句号。此后,美国宇航局还计划在接下来的“天鹅座”货运任务中再开展两次“飞船火焰实验”。

太空火灾经典案例——“阿波罗13 号”

1970 年4 月11 日,“阿波罗13号”宇宙飞船发射升空。“阿波罗13号”是阿波罗计划中第三次登月任务的飞船。由于上世纪60 年代肯尼迪总统提出的要将一个美国人送上月球并安全送回来的非凡挑战已经达成,因此公众对于登月逐渐失去了最初的兴奋,甚至电视台也不再进行直播。但就在任务执行到第三天(4 月13 日)的时候,一件意外将全世界的目光重新吸引到了这艘小小的飞船和它上面的三名美国宇航员洛威尔、斯威格特和海斯身上——一次常规的检查程序却导致了飞船氧气罐的爆炸。突然之间,这三名宇航员变得命悬一线。
幸运的是,三名宇航员在与地面人员的密切配合下克服了一个个生死考验,最终死里逃生,安全返航,创造了人类航天史上的奇迹。这一事件后来还被拍成了电影《阿波罗13 号》。
三名宇航员之一的洛威尔执行该任务前,他的妻子玛丽莲心中充满了焦虑,因为“13”在西方是一个不祥的数字。
洛威尔回忆说:“我的妻子对我说:‘为什么偏偏是13 号?’我说:‘这是科学任务,我们都是工程师、技术员和科学家,我们不能迷信。’”
然而,事故偏偏就这样发生了。
4 月13 日深夜,在“阿波罗13 号”飞向月球距地球已有32 万千米之遥时,突然飞船外传来一声巨大的爆炸声。地面控制中心不知道飞船出了什么事,过了好一会儿,他们才听到洛威尔说了太空史上最著名的一句话:“休斯敦,我们遇到了麻烦。”
洛威尔回忆,当巨大的爆炸声在飞船内回荡时,他和斯威格特一开始还以为是海斯在恶作剧。然而爆炸发生后,洛威尔朝窗外瞥了一眼,看到飞船后部竟然正在迅速渗漏氧气!原来“阿波罗13 号”服务舱的2 号液氧箱发生了爆炸。爆炸摧毁了指令舱中的生命支持、导航和电力系统,并炸出了一个洞!指令舱内的氧气已经维持不了多久,三名宇航员生还的唯一希望,就是逃进登月舱。就在指令舱中的氧气只剩5 分钟可用时,登月舱的功能被激活。
此时飞船已经越过地球引力界面,正在月球引力的牵引下向月球飞去。如果要返航,必须有足够大的火箭推力来克服月球的引力。登月舱显然难以胜任。
休斯敦飞控中心的科学家们经过周密计算和模拟,最后得出了一个最省燃料的返回轨道:飞船继续飞行,绕过月球后,再启动登月舱发动机,以进入返回地球的轨道。
为节省电力,宇航员们做出了一个危险的决定,关掉飞船上的计算机、导航系统和其他电力设备。当加热设备被关闭后,登月舱中的温度急剧下降。尽管他们穿上了宇航靴和剩余的内衣裤,但仍然冻得无法入睡。没多久,他们又遇上了另一个致命的危险,登月舱中的小型空气过滤器无法处理三名宇航员排出的大量二氧化碳,他们面临中毒身亡的危险。宇航员在NASA 科学家的指导下,用一些黏性胶带、一块从飞行手册后面撕下的纸板以及从他们太空内衣裤上扯下的一些塑料片,做成了一个帮助空气过滤器更有效工作的粗糙适配器。由于登月舱中的自动导航系统已被关闭,宇航员可说是通过手工导航返回地球的。
当飞船进入环月轨道并绕过月球后,宇航员启动登月舱发动机4.5 分钟,飞船以每小时5400 英里——两倍子弹的速度离开月球飞向地球。登月舱里的氧气、水、电越来越少,宇航员由于疲劳和恐惧变得越来越烦躁不安。飞控中心指挥员一直和他们保持着联系,鼓励他们,并提醒他们吞服镇静剂。
飞船在进入地球大气层前,航天员启动4 个姿态控制火箭,使登月舱推着服务舱向前加速飞行。随后,将服务舱分离。紧接着又启动反推火箭,使登月舱离开服务舱一段距离。然后,登月舱的两名航天员回到指令舱,关闭两舱通道,将登月舱抛掉。最后,三名航天员乘坐指令舱平安降落到太平洋洋面上。
美国总统随硫磺岛号军舰前去欢迎了三名宇航员的归来。
“阿波罗13 号”飞船登月虽然失败了,但人类依靠自己的智慧和毅力,奇迹般地将宇航员营救了回来。所以,航天界称这次飞行是“一次成功的失败”。
正是“阿波罗13 号”上的宇航员们能够在最危急的情况下保持冷静,并在问题出现时及时进行解决,才最终让他们能够从这一极端复杂的险恶环境下脱险。
事后,美国政府成立了事故调查组,查明了事故原因。安在服务舱液氧贮箱中加热系统的两个恒温器开关,由于过载产生电弧放电作用,将其连成通路,使加热管路温度高达500 摄氏度,烤焦了附近的导线,最后引起氧气爆炸。

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