微重力燃燒科學研究在微重力條件下火焰怎樣點燃、擴展和熄滅。在空間沒有重力的條件下，進行更多的控制下的實驗，可檢驗複雜的燃燒過程，改進對重力影響的基本燃燒現象的了解，並利用這些成果促進地球上燃燒科學和技術的發展，確保在空間的安全。
基本介紹
- 中文名：微重力燃燒
- 外文名：Microgravity combustion
- 研究方向：液滴燃燒、固體表面的火焰傳播等
特點,分類,液滴燃燒,固體可燃物表面的火焰傳播,蠟燭火焰研究,微重力條件的獲取,實驗方法,地面微重力實驗設施,航空飛行器,航天飛行器,地面模擬微重力環境,發展歷史,國際發展歷史,我國發展歷史,
特點
微重力條件下的燃燒具有以下特點：自然對流幾乎消除，可以研究靜止和低速流動的燃燒；被浮力及其誘導效應掩蓋的次級力和現象如靜電力、熱泳力、熱毛細力和擴散等，可以表現出來；重力沉降幾乎消除，可以研究穩定的自由懸浮液滴、顆粒、液霧和粉塵的燃燒；浮力的消除，可使燃燒的時間和長度增大，這方便了實驗觀察。利用這些特點，可以擴展實驗參數範圍，簡化對燃燒過程的研究，準確驗證已經被接受但尚未得到證實的理論，並通過模型化研究為發展地面燃燒中存在的基本現象提供新的認識。從中獲得的研究成果，可以套用於常重力條件下改進燃燒設施、預防火災和爆炸事故；也可以套用於微重力條件下的載人航天技術中，降低火災風險、提高不同加速度水平下的燃燒效率。實際上，加深對地面燃燒過程的認識和增強對載人太空飛行器火災安全問題的理解一直是推動微重力燃燒研究的兩個目標。可以說，微重力條件為認識燃燒的內在機理提供了新的機會，而載人太空飛行器的安全、高效運行也對燃燒的研究提出了新的挑戰。
分類
液滴燃燒
液滴燃燒廣泛存在於內燃機、燃氣輪機、鍋爐、噴氣技術等領域．由於癸烷在燃燒中生成炭黑，會影響液滴直徑的測量，因此燃燒中生成炭黑較少的正庚烷一直是液滴燃燒的主要研究對象．日本東京大學Kumagai和Isoda對懸掛正庚烷液滴燃燒的自由落體實驗是最早的微重力燃燒研究．Kumagai實驗的最初目標是檢驗D平方定律以及測量蒸發參數．經典的擴散火焰模型是建立在大量簡化假設基礎上的，主要是忽略強迫或對流過程，由此得出著名的“D平方定律”，它假設燃燒時液滴直徑D的平方是時間的線性函式。
Kumagai的實驗是在燃燒室內進行的，該燃燒室放在以自由落體下降的容器里．系統能實現0.5s和10-4g的微重力環境，藉助16ram照相機進行測量，但僅限於確定液滴的幾何形狀和火焰的幾何形狀隨時間的變化．該方法可以檢驗對流可忽略的情況下液滴燃燒過程的球對稱性，並測量液滴直徑D和火焰直徑的變化規律。
Kumagai總結出如下規律：
(1)對於大多數燃料，在大氣壓強下燃燒時，蒸發常數K的值是1mm量級。
(2)某些實驗結果，特別是火焰直徑Df隨時間的變化，用經典的擴散火焰模型不能解釋。
當然，Kumagai的實驗也有其局限性，即液滴直徑大於0.7mm並且在大氣壓強下進行。儘管如此，直到現在，該實驗仍是驗證經典擴散火焰模型的唯一方法，也為以後的微重力液滴燃燒研究奠定了基礎。
固體可燃物表面的火焰傳播
與液滴燃燒相似，沿燃料表面傳播的火焰需要加熱燃料使其在熱解或蒸發後與空氣混合燃燒，因此也是一種擴散火焰．但因其具有傳播性又與靜止的氣體火焰不同．其物理機制為：相界面處固相的熱解和氣化產生的動量連同氣體分子的擴散作用一起維持火焰的傳播，把這種對微重力火蔓延起主導作用的相界面物理化學過程稱為“表面燃料噴射”效應．在火蔓延過程中，固體可燃物在某個位置點燃後，固相熱解，可燃氣體與氧化劑反應，形成氣相火焰．氣相火焰又加熱了鄰近的固體可燃物使其不斷熱解，從而維持了火蔓延過程的進行。
微重力條件下的燃燒同正常重力條件相比，具有以下特徵：在沒有通風氣流時，正常重力條件下燃燒時由於自然對流的影響，低密度的燃燒產物在浮力抽吸作用下向上運動，而在微重力條件下燃燒則無此現象，燃燒產物主要依靠熱膨脹向四周膨脹；微重力條件下新鮮氧氣進入燃燒區只能緩慢地擴散轉移；由於缺乏對流，微重力條件下燃燒時火焰溫度和火焰形態有所不同，即燃燒過程物理化學反應機理不同；微重力條件下火焰主要以擴散方式呈輻射狀向外傳播，火焰基本呈球狀，在與重力方向垂直的固相可燃物表面的蔓延比正常重力條件下容易得多；有通風氣流時，火焰在氣流流動方向的傳播加快。
數值分析方面，Bhattacharjee等提出了熱薄燃料在微重力下的火焰傳播模型．將坐標系固定在火焰面上，構造穩態方程，因而火焰存在一個外界強迫對流，其大小與火焰的傳播速度相等．模型由穩態氣相二維橢圓型方程組成，化學反應為單步總包反應，服從二階Arrhenius定律，燃料熱解過程服從Arrhenius熱分解模式，但模型中沒有包括輻射的影響．氣相方程採用SIMPLER算法。
而後，Bhattacharjee和Altenkirch利用前述模型相同的算法和方程，只是在固相能量方程中添加了輻射熱損失項，研究輻射熱損失對微重力環境靜中火焰沿熱薄燃料表面傳播的影響，結果表明，表面輻射熱損失總是使火焰傳播速度減小；當氧氣濃度較小時，表面輻射熱損失導致火焰熄滅．但顯然，單純研究燃料表面輻射熱損失對火焰傳播的影響是不完全的。
蠟燭火焰研究
蠟燭火焰研究是微重力火焰實驗的又一個重點，電學大師Michael Faraday曾經說過，引導人們通向科學奧秘的最佳途徑就是仔細研究蠟燭的燃燒現象．蠟燭火焰是一種典型的不傳播的簡單的靜止火焰，因而可以利用蠟燭火焰機理來解釋許多微重力環境下的特有現象．美國從2001年開始研究蠟燭的原料——石蠟作為火箭的燃料．石蠟的燃燒產物只有水蒸氣和二氧化碳，不像現用的固體燃料，燃燒後會產生酸性氫氯化合物和其他有害物質．並且考慮到火箭起飛後將經歷漸漸失重的外部環境，因此，很有必要對蠟燭進行微重燃燒研究以了解其作為潛在的固體火箭燃料在特殊條件下的燃燒情況。
最早對蠟燭火焰進行廣泛研究的就是Faraday,在他之後的140多年裡，蠟燭火焰一直是人們研究的微重力課題之一．蠟燭火焰常被作為對流一擴散火焰的典型例子，用於研究火焰的閃爍現象、火焰熄滅前的脈動、電場效應和強化重力效應等。
1992年以前，幾乎所有的蠟燭火焰都在落塔裝置中進行．研究中發現一些與正常重力條件下不同的現象，如蠟燭在微重力環境中火焰初始呈黃色球狀，亮度逐漸減弱；而且蠟燭火焰直到最終熄滅，火球的顏色、大小、外形一直在變化，很難達到穩定狀態。
儘管如此，落塔實驗由於受到微重力持續時間以及環境因素的制約，不能得到深入的研究結果．但隨著太空技術的發展，太空梭和空間站等設施為蠟燭燃燒實驗的進一步開展提供了良好的微重力平台。
迄今為止，用於蠟燭燃燒實驗研究的地面和空間設備包括：拋物線飛行的飛機，NASA格林研究中心2.2秒落塔和5.18秒落井，日本北海道的10秒落井，NASA的太空梭以及俄羅斯的“和平”號空間站．這些都極大地促進了該領域的發展和完善。
微重力條件的獲取
獲得微重力的手段主要有落塔或落井(1～10s的微重力時間，10-4～10-6g的微重力水平)，拋物線飛行的飛機(20s左右的微重力時間，10-2 g左右的微重力水平)，探空火箭(5～10min的微重力時間，10-4g的微重力水平)，以及各種空間飛行器(數天-數年的微重力時間，10-4g的微重力水平)。經常進行燃燒實驗的落塔主要有美國NASA GRC的2.2s落塔和5.18s落井，德國ZARM的4.74s落塔，日本JAMIC的10s落井和MGLAB的4.5s落塔，中國科學院工程熱物理所的2s落塔，中國科學院力學研究所國家微重力實驗室的3.5s落塔；實驗飛機主要有美國的KC-35，法國的A-300，日本的MU-300等；探空火箭主要有美國的Black Brant，德國的TEXUS，日本的TR-IA等；空間飛行器主要有美國的太空梭和空間實驗室，俄羅斯已墜毀的和平號空間站(Mir)和正在建設的國際空間站。至於具體選用哪種類型的設施，則需要綜合考慮實驗費用、周期，以及實驗對微重力時間、水平和減速載荷等的要求。
實驗方法
微重力燃燒研究的實驗手段主要包括地面微重力實驗設施(落塔、落井)、航空飛行器(飛機、氣球、探空火箭)、航天飛行器(衛星、宇宙飛船、空間站)和地面模擬微重力四大類。
地面微重力實驗設施
落井和落塔的工作模式為自由落體式和上拋-下落式兩種，而目前多採用前者，這其中包括中國科學院國家微重力實驗室微重力水平為10-5g，有效時間為3.5秒的落塔；美國航空航天局格林研究中心(NASA Glenn Research Center)2.2秒落塔和5.2秒落井，微重力水平分別為10-5g和10-6g；日本JAMIC的10秒落井和MGLAB的4.5秒落塔等。
上拋工作模式是利用自由落體運動的逆過程，整個實驗過程由上升和自由下落兩個階段組成．這樣的落塔目前只有中國科學院工程熱物理研究所建成的2.8秒落塔，微重力水平達到10-4g。
地面微重力設施的主要優點是實驗費用相對低廉，易於多次重複實驗且微重力水平高．但它所能提供的微重力時間短，且由於實驗艙回收過程中要承受幾十個g的衝擊載荷，因而對實驗艙尺寸、質量、內部壓強以及艙內的實驗儀器有嚴格限制。
航空飛行器
飛機拋物線飛行，發射探空火箭和探空氣球等實驗方法能提供更長時間的微重力時間．其中，飛機拋物飛行能得到持續時間20s以及10-2g的微重力環境，且可連續作30次以上的飛行，極大地方便了微重力燃燒實驗的觀察和測試。
利用探空火箭和探空氣球能得到更長的微重力時間．目前國外已研製出飛行高度為30—120km的系列探空火箭，可獲得持續5-15min、10-2g的微重力環境；國防科技大學和第四研究院等單位研製了“和平”2、“和平”6、“織女”3和“天鷹”3等探空火箭的固體火箭發動機，其中，“天鷹”3的有效載荷為50kg，最大飛行高度220km，可提供360s、10—49的微重力環境。
航空飛行器的優點是微重力持續時間較長，缺點是微重力水平較低，且費用昂貴。
航天飛行器
航天飛行器是目前最理想的微重力實驗環境，具有微重力持續時間長，微重力水平高和微重力環境穩定的特點．主要的空間飛行器有美國的太空梭和空間實驗室，俄羅斯已墜毀的和平號空間站以及多國聯合參與建成的國際空間站．我國也利用返回式衛星進行了大量的微重力實驗。
地面模擬微重力環境
為克服地面、航空和航天微重力實驗手段費用高昂、實驗次數有限、實驗設備要求苛刻等缺點，提出功能模擬的概念，目的是在地面模擬微重力環境．目前，主要是通過減小浮力的影響來模擬微重力．方法是限制燃燒實驗物理尺寸或減小密度差，從而減小格拉曉夫數(Gr)。
此外，為模擬微重力下強制對流環境中的燃燒，俄羅斯提出窄通道的實現方法，它能夠很好地限制自然對流，而且窄通道內獲得的極限氣流速度和火焰傳播速度等參數與和平號空間站上的測試結果吻合得很好。
發展歷史
國際發展歷史
微重力燃燒的研究，可以追溯到1956年日本東京大學的Kumagai等用1s微重力時間的簡易自由落體設施，對液滴燃燒進行的研究。此後，美國利用KC-135飛機研究了蠟燭火焰和固體材料的可燃性。20世紀60年代中期，美國NASALeRC的2.2s和5.18s落塔投入使用，為微重力燃燒的研究提供了實驗條件。1967年阿波羅1號飛船地面試驗起火和1970年阿波羅13號飛船液氧儲箱爆炸起火後，飛船的火災安全問題受到重視，氣體擴散火焰、沿薄燃料表面的火焰傳播和絕緣電線的燃燒等研究相繼開展。與此同時，蘇聯也開展了這方面的研究。1973年，NASA組織科學家全面評估了在空間進行燃燒實驗的物理基礎和科學價值。次年美國第1次把燃燒實驗搬上了太空，在太空實驗室中研究了微重力條件下材料的可燃性及滅火問題。此後，由於航天領域的激烈競爭和迅速發展，人們過分估計了空間實驗的前景，地面研究沒有受到應有的重視。20世紀70年代末，NASA組織科學家對液滴燃燒、標準管內的可燃性極限、粉塵燃燒、多孔燃料燃燒和液池燃燒5個專題進行了深入的空問實驗背景調查、可行性論證和概念設計，以便未來條件允許時安排空間實驗，這些研究成果形成了微重力燃燒領域的第一部專著。
1986年，美國挑戰者號太空梭失事，人們開始進行反思，並重新把目光投向地面研究，新的落塔相繼建成，歐洲也開始了有組織的微重力燃燒研究。1989年起，國際微重力燃燒討論會開始定期舉辦；1990年起，國際燃燒會議也增加了微重力燃燒專題。隨著地面微重力燃燒研究的不斷積累，固體表面燃燒實驗於1990年成為太空實驗室後的第一個空間燃燒實驗。此後，套用地面和空間設施的研究成果之間的互動，推動了微重力燃燒研究的發展，研究成果幾乎呈指數增長。2001年，一部系統總結微重力燃燒領域實驗、理論和數值模擬等方面研究成果的專著出版(Microgravity combustion：fire in free fall)。為了包含對未來空間探索中非燃燒化學反應問題的研究，國際微重力燃燒討論會也更名為國際微重力燃燒與化學反應系統討論會。
我國發展歷史
我國微重力科學及相關學科的研究開展較早，但微重力燃燒的研究直到20世紀90年代才開始起步，由於缺乏必要的實驗設施，首先開展的是火災的數值模擬。中國科學院工程熱物理研究所2s落塔投入使用後，逐步開展了實驗工作。此後建成的中國科學院力學研究所國家微重力實驗室及其110m落塔，進一步促進了微重力燃燒與載人太空飛行器火災安全的研究。我國成功發射並安全返回了神舟五號載人飛船，這一方面對載人太空飛行器火災安全的研究提出了全新的挑戰，另一方面也將與地面設施一起為微重力燃燒的研究提供良好的機遇。
