无重力火焰：火在太空里怎么燃烧？

lqymisszl

在美国加州大学圣地亚哥分校实验室里燃烧着的燃料滴。

国外媒体报道，你在国际空间站将如何扑灭火？如果你向位于地球的一名消防员问这个问题，他可能告诉你寻找火焰的底部。但是如果根本没有底部呢？如果火焰是密集的大火球呢？这个问题以及一些其它相关问题是美国加州大学圣地亚哥分校工程学院微重力实验室的本科生学生们试图探索的。科学家想要了解的也是火的本质，尤其在没有重力的条件下。
由工程学本科生山姆·艾弗里（Sam Avery）带领的研究旨在探索如何更好地定义易燃液体，尤其是生物燃料，是如何在太空燃烧的。山姆也是这项实验的项目负责人。
“我询问了一名正在进行微重力燃烧研究的教授，是否可以基于他的研究进入美国宇航局微重力大学项目，” 艾弗里这样说道。这个项目为本科学生提供在进行抛物线轨迹飞行的飞机上进行微重力实验的机会，抛物线飞行会创造短暂的失重期。
这名教授，福尔曼·威廉姆斯（Forman Williams），同意了艾弗里的提议并建议他们在实验中使用生物燃料，因为美国宇航局在很多项目中都强调对这种燃料的使用。他们于2012年10月递交了他们的提案，并最终被美国宇航局接受了。

美国加州大学圣地亚哥分校微重力火焰实验的电脑渲染图。

在实验过程中，艾弗里解释道，意外的发生了尖叫——在他背后产生了浓烟。当时他的工程系本科生同学西门·法拉（Seeman Farah）试图给一块电路板通电以点燃火焰，他在检测完熔化的残余物后意识到自己使用了太大功率且电线太薄。“我认为我们需要更厚一点的电线，”他苦笑的说道。
这项实验使用了两种商用的医疗注射器，用来将燃烧燃料的液滴注射进入交叉悬浮着的小的电线里。交叉的电线能够保证水滴维持在靠近点火器的位置。“我们尝试了一系列不同的方法来点燃这个流体，但最终选用了商用的烤肉点火器元素，”法拉说道。
一旦火焰被点燃，研究人员想要观察火焰在微重力环境下是如何发展的。“我们将利用两台照相机记录视觉数据：一台用于记录水滴的直径，而另一台则记录火焰的直径，” 艾弗里说道。“你可以对比这两个直径来了解燃料的燃烧率。”
注射设备还没有占据到凌乱的大学实验室内桌面一码的范围。环绕着艾弗里和他的研究小组的是很多年来积累的其他实验的残余物，包括火箭零件和各种小型飞机模型。
“大多数东西都不是我们的，”研究小组成员杰克·古德温（Jack Goodwin）这样说道，他还曾移动了一家破损的飞机，以清理出一定的空间方便他们进行测试。
另一名学生，安德鲁·比勒（Andrew Beeler）则站在不远处与古德温激烈的辩论重力和对流的影响。之后，他总结了他们的发现：“我们认为对流对于火焰在G重力（地球重力）环境下呈现的泪滴形状起着重要的作用，” 安德鲁说道，并补充道，在火焰附近产生了热空气，因为冷空气在重力作用下会收缩，因此火焰将呈不均匀的形状——这在微重力环境下是不会发生的。“它在零重力环境下应该是完美的球形，” 安德鲁补充说道。
在附近的走廊，另外三名队友正在研究一个更令人印象深刻的结构。另外三名项目小组成员，亨利·陆（Henry Lu），达尼萨·凯尼恩（Daneesha Kenyon）和约书亚·休（Joshua Siu）已经不辞辛苦的研究这个复杂的盒子长达数月。
“美国宇航局坚持要这个三重密封，所以我们建造了三个单独的盒子——一个位于另一个里面，”陆这样说道。每一个聚碳酸酯盒子都有自己单独的盖子并通过十几个蝶形螺帽固定，然后整个结构通过强力的铝框固定。

美国加州大学圣地亚哥分校微重力火焰实验小组，从左到右依次为约书亚·休、山姆·艾弗里、亨利·陆和西门·法拉。

“我们对它进行的测试表明它能够承受900磅的压碎力，同时也了解了它的耐火特性，” 凯尼恩说道。“它一切性能都很良好，应该能够预防任何灾难性的后果，倘若燃料源意外的忽然一次全部燃烧。”
由于这项实验是受到美国宇航局的批准，因此学生们能够使用美国宇航局零重力训练飞机，也就是正式所谓的"呕吐彗星(Vomit Comet)"。经过在美国休斯顿约翰逊空间中心进行的实验地面准备后，研究小组将忍受长达25次在飞机上的无重力状态阶段。
“我们将进行两次单独的飞行——一次包括我们研究小组的两名成员，另一次将包括剩余的三名成员，” 艾弗里说道。“幸运的话，这个机制将在每一次飞行过程中都保持功能正常。”
艾弗里的实验目标不止在于提高空间站用火安全，还可以用于增加地球上燃烧生物燃料的汽车和卡车引擎的效率。“从过去的经验里总能获得一些普遍的经验，” 艾弗里说道。“它还包括很多其他有趣的应用，例如在喷气式飞机里生物燃料的使用。”