張 璐，劉迎春

（中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心，北京 100094）

空間站微重力燃燒研究現(xiàn)狀與展望

張 璐，劉迎春

（中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心，北京 100094）

報告了近十年國外針對空間微重力燃燒科學的戰(zhàn)略規(guī)劃，綜述了在國際空間站上已經(jīng)進行的微重力燃燒實驗內(nèi)容，分析了實驗的意義和取得的成果，例如冷焰的產(chǎn)生。概述了即將開展的實驗。最后考慮我國國情和研究基礎(chǔ)，提出了我國微重力燃燒科學的關(guān)鍵問題及發(fā)展方向：以解決航天工程的重大需求為目標，兼顧對燃燒基本過程和規(guī)律的科學研究；注重與載人航天器防火安全直接相關(guān)的應用基礎(chǔ)研究，注重與節(jié)能減排相關(guān)的應用研究。

微重力；燃燒；燃料；空間站；防火安全

1 引言

人們很早就認識到重力對燃燒過程有著重要影響，特別是通過浮力對流影響火焰中熱和物質(zhì)的傳輸速率，從而直接影響火焰結(jié)構(gòu)、火焰穩(wěn)定、火焰?zhèn)鞑ズ拖绲纫幌盗腥紵粳F(xiàn)象［1-2］。在地面，在一系列復雜的物化作用下，重力讓火焰有了重心，并使其具有一定的形狀，重力場使得火焰形成“液滴”狀，而在微重力條件下火焰呈圓形。常重力與微重力燃燒的化學反應過程也存在差別，正常的燃燒產(chǎn)物為煙塵、二氧化碳和水，而冷火焰的燃燒產(chǎn)物為一氧化碳和甲醛。

燃燒的復雜過程，使得以數(shù)學公式來解釋的經(jīng)典燃燒理論往往忽略了重力因素。微重力條件下的燃燒相比常重力燃燒具有一些特征［3-6］：燃燒過程的自然對流減弱甚至消除，由流動產(chǎn)生的白紊化和不穩(wěn)定性會減弱，有利于研究靜止或低速流動狀態(tài)的燃燒；熱輻射、靜電力等一系列因為浮力及其誘導效應掩蓋的基本效應和現(xiàn)象能更加突出的表現(xiàn)出來；重力沉降的消除，可形成沒有懸掛的液滴、顆粒、液霧和粉塵燃料群；能有效擴大燃燒的時空尺度。利用微重力燃燒的特點，能進一步細化燃燒研究的參數(shù)，深化對燃燒的認識，完善燃燒的模型，驗證一些在地面上無法論證的燃燒理論。

空間站相比一般的地基微重力設(shè)施能提供長時間穩(wěn)定的微重力實驗時間，使得地基實驗中無法進行的實驗得以實現(xiàn)，對于滿足載人空間防火需求、檢驗和發(fā)展燃燒理論、開發(fā)先進航空航天推進技術(shù)、滿足地面環(huán)境保護和能源安全需要具有重要的理論和實踐意義。

本文將簡要地介紹微重力燃燒科學的發(fā)展歷程，然后綜述美歐日等國最近的空間微重力學科發(fā)展規(guī)劃，并重點介紹近十年來以國際空間站（ISS）為基礎(chǔ)開展的一系列燃燒試驗，最后結(jié)合我國的微重力燃燒研究現(xiàn)狀，對我國未來微重力燃燒，尤其是空間微重力燃燒研究方向提出一些建議。

2 國際空間微重力燃燒研究現(xiàn)狀與規(guī)劃

微重力燃燒研究始于1956年日本東京大學自由落體設(shè)施中進行的液滴燃燒實驗［7］。隨后，美國利用失重飛機和落塔提供的短時微重力條件開展了蠟燭火焰、氣體擴散火焰、固體材料燃燒等實驗［8］。阿波羅飛船多次的火災事故，使得科學家高度重視與航天器防火安全相關(guān)的燃燒研究。1973年，NASA Lewis研究中心組織多國研究團隊對空間微重力條件下燃燒實驗的科學問題和研究方向進行了深入討論，并全面評估了研究工作的科學價值［9］。1974年，美國在Skylab上完成了首次空間燃燒實驗［10］。進入航天飛機時代，微重力燃燒仍然主要以基礎(chǔ)科學問題和防火安全問題為主導，是美國微重力科學中一個活躍的研究領(lǐng)域，其研究重點主要是火焰?zhèn)鞑ズ拖?、點燃和自燃過程、陰燃和液滴燃燒等。80年代中期之后，地基微重力燃燒研究逐步受到重視，實驗設(shè)施得到發(fā)展［11］，歐洲、日本、蘇聯(lián)的微重力燃燒研究也蓬勃發(fā)展起來［12-14］，空間實驗與地基研究相結(jié)合，推動研究成果大量增加。當前，除了落塔、失重飛機和探空火箭等地基設(shè)施，隨著國際空間站的建成，美、歐、日等國均將在ISS上的微重力流體物理與燃燒實驗作為重點開展了大量研究，已經(jīng)獲得豐富的實驗結(jié)果［15-17］。美國和日本更是規(guī)劃出了詳細的發(fā)展藍圖，在航天器防火安全和燃燒科學基礎(chǔ)問題兩個方面計劃開展大量的研究工作［18-21］。

2.1 國外空間微重力燃燒規(guī)劃

國際上，進行微重力燃燒研究的主要力量為美國、歐洲和日本，因為各自經(jīng)濟發(fā)展水平、能源結(jié)構(gòu)、科學研究歷史、以及航天發(fā)展戰(zhàn)略的不同，它們的研究各有特點。其中，美國的研究工作起步較早、持續(xù)時間長、支持力度大、有系統(tǒng)的組織和安排，涉及的研究內(nèi)容之廣和取得研究成果之豐富遠超過其他國家。

2003年，美國國家研究理事會（NRC）出版了《對NASA微重力物理各研究方向的評估》報告［18］。報告對流體物理、燃燒、基礎(chǔ)物理和材料科學四大領(lǐng)域的研究情況進行了介紹，并詳述了各領(lǐng)域研究項目產(chǎn)生的影響和未來研究方向，其中與空間微重力燃燒相關(guān)的主題如表1所示。

表1 微重力燃燒重要研究主題Table 1 Microgravity combustion research subject

2009年美國發(fā)布《微重力燃燒與防火項目指南》［19］，建議開展如下5項研究：1）不同重力、流速和材料放置方向下材料可燃性的基礎(chǔ)研究；2）現(xiàn)有的材料可燃性試驗方法與部分重力和低重力條件下的相關(guān)性研究；3）微重力和部分重力下材料可燃性評估的試驗方法及其驗證；4）星際計劃中可居住的空間站環(huán)境內(nèi)材料燃燒生成的氣體和顆粒物的量化研究；5）湍流燃燒。

2011年NRC又發(fā)布《重掌空間探索的未來：新時代生命和物理科學研究》報告［20］，為NASA規(guī)劃了空間微重力燃燒研究的藍圖，并總結(jié)出如表2所示的發(fā)展目標。

表2 空間微重力燃燒優(yōu)先研究領(lǐng)域和主題、研究現(xiàn)狀、建議及目標Table 2 Priority research areas of microgravity combustion，research status，suggestions and objectives

2001年，ESA確立的“歐洲空間生命和物理科學計劃”（ELIPS）中提出了四項首要目標［22］，即自然探索、人類健康、技術(shù)革新和清潔環(huán)境。其中，“清潔環(huán)境”一項的研究內(nèi)容涉及兩個方面，第一即為微重力燃燒。通過氣體、液體和固體燃料的空間燃燒實驗，定量地研究地面上被浮力對流效應控制的燃燒基本現(xiàn)象，科學目標包括認識液滴和液霧的蒸發(fā)、點火和燃燒過程，理解碳黑形成機理以及固體材料的可燃性條件等，應用目標明確為提高電廠效率、減少發(fā)動機污染排放和改善航天器用材料可燃性的測試方法。ESA定期對其研究計劃進行評估，根據(jù)評估結(jié)果對ELIPS進行調(diào)整和更新，目前已經(jīng)完成第1至第3階段（ELIPS1-3）的任務，正實施第4階段（ELIPS-4）的任務。ELIPS-1、ELIPS-3和ELIPS-4中的燃燒研究包括液滴和液霧燃燒過程和固體燃料燃燒等，在ELIPS-2中則主要研究部分預混燃燒。

2013年，日本JAXA公布了《至2020年“希望”號實驗艙應用計劃》［21］，其中將發(fā)展新型燃燒技術(shù)作為其空間站科學長期研究的首個方向，希望通過研究提升對燃燒過程的理論認識，為高效、低二氧化碳排放燃燒技術(shù)的開發(fā)提供基礎(chǔ)；其對航天器防火安全給予高度重視，將材料可燃極限作為重要的研究方向，目標是為制定可燃性評價標準提供數(shù)據(jù)。

2.2 國際空間站正在及將要進行的微重力燃燒實驗

經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，空間微重力燃燒研究已經(jīng)涵蓋了預混氣體燃燒、氣體擴散燃燒、液滴、顆粒和粉塵燃燒、燃料表面的火焰?zhèn)鞑?、多孔材料悶燒等燃燒學科的各個領(lǐng)域，研究加深了人們對燃燒基本規(guī)律的理解，發(fā)現(xiàn)了一些獨特的現(xiàn)象［23］。在航天器火災預防方面，建立了材料防火性能評價標準、選用規(guī)范和數(shù)據(jù)庫，制定了火災安全設(shè)計規(guī)范［23］，并且隨著新材料的出現(xiàn)、燃燒與火災科學的發(fā)展，尤其針對載人航天器的火災防護，要求不斷對規(guī)范和數(shù)據(jù)庫進行修訂；在火災探測方面，建立了航天器艙內(nèi)著火征兆數(shù)據(jù)庫、燃燒產(chǎn)物遷移模型，發(fā)展出多種可供選擇的火災探測器，部分已經(jīng)投入使用［24-25］；在火災控制方面，研究了多種滅火措施的可行性，制定了火災反應預案［25］。

國際空間站已經(jīng)開展了7項燃燒科學實驗?？臻g站燃燒科學實驗具有人工操作多的特點，大部分實驗都需要航天員來手動完成，同時地面進行遠程監(jiān)控和支持。

1）固體的燃燒和熄滅（BASS）［15］

實驗旨在對微重力環(huán)境下多種燃料樣品的燃燒和熄滅特征進行研究，將有助于制定微重力環(huán)境中意外火災的滅火策略，實驗結(jié)果將用于構(gòu)建燃燒計算模型，以設(shè)計用于微重力和地球環(huán)境的火情檢測和滅火系統(tǒng)。該實驗在微重力科學手套箱MSG和改造后的SPICE裝置中進行。BASS實驗對3類（片狀、圓球和圓管中的蠟燭）、共41個固體材料實驗樣品的燃燒和火焰熄滅特性展開研究，并以此建立火焰?zhèn)鞑?、熄滅及氮氣抑制燃燒的?shù)值模型。2012年3月實驗正式開始以來，已陸續(xù)完成對多個薄材料和PMMA球試樣等的實驗，實驗參數(shù)還包括點火和燃燒過程中的空氣流動速度等。在實驗中第一次獲取了微重力條件下，在純的強迫對流中，均勻薄材料在燃盡過程中的詳細瞬態(tài)火焰增長數(shù)據(jù)［25］。實驗還發(fā)現(xiàn)，當氣流停止時，固體材料火焰迅速熄滅，說明在火災發(fā)生時通過關(guān)閉航天器艙內(nèi)的通風系統(tǒng)來控制火情的緊急措施是可行的。但在氮氣射流滅火實驗中，火焰不僅沒有熄滅，反而出現(xiàn)亮度增強的現(xiàn)象。對該現(xiàn)象可能的解釋是由射流卷吸空氣，從而增加氧化劑向火焰的傳輸，該發(fā)現(xiàn)將有利于載人航天器中氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計和使用。

2）火焰熄滅實驗（FLEX）［27］

實驗旨在評估微重力下滅火劑的有效性，并量化不同載人探索大氣環(huán)境對滅火的影響。該實驗在多功能燃燒實驗柜CIR中的多用戶液滴燃燒裝置MDCA中開展，其目的是通過研究液體燃料的燃燒過程和可燃極限，發(fā)展理論和數(shù)值模型以及燃燒反應動力學模型，其分析變量包括：氧氣摩爾分數(shù)、不同稀釋劑、不同滅火劑、氣壓、不同燃料和燃料液滴大小。為下一代載人航天器中滅火劑的選擇、大型滅火試驗的設(shè)計提供方向指導。FLEX第一階段的實驗已于2009年12月結(jié)束，取得225組數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)一些預料之外的燃燒現(xiàn)象，其中最令人“驚奇”的是庚烷液滴在火焰熄滅后發(fā)生的持續(xù)“燃燒”。直徑較大的液滴被點燃后，首先出現(xiàn)短時的可見火焰瞬態(tài)燃燒，在可見火焰由于輻射熱損失而熄滅后，剩余液滴仍然持續(xù)地快速汽化，直到“冷焰熄滅”點時汽化突然停止。傳統(tǒng)的液滴燃燒理論不能解釋在微重力燃燒實驗中發(fā)現(xiàn)的這一新現(xiàn)象，而研究人員推測，可見火焰熄滅后液滴的汽化是由低溫化學反應（即冷焰）維持的［23，28］。在對辛烷和癸烷的實驗中也發(fā)現(xiàn)了類似的次級燃燒現(xiàn)象，該成果獲評了國際空間站2013年十大成果。這一新發(fā)現(xiàn)將幫助科學家和工程師優(yōu)化數(shù)值模型，更好地預測火焰、燃料和燃燒行為，并可能將在更長時期對空間和地面都產(chǎn)生影響。例如，該技術(shù)有助于減少內(nèi)燃機的污染，提高一加侖汽油行駛里程數(shù)。這一新發(fā)現(xiàn)還有助于提升空間火災安全。由于火焰在熱焰熄滅后還將繼續(xù)燃燒，因此必須考慮到這種二級燃燒的發(fā)生，開發(fā)空間特殊的滅火技術(shù)。

3）火焰熄滅實驗-2（FLEX-2）［29］

作為FLEX第二階段的實驗，F(xiàn)LEX-2從2011年始執(zhí)行空間實驗任務，研究內(nèi)容進一步擴展到低速對流對燃燒速率的影響、煙形成條件、混合燃料在燃燒前的蒸發(fā)情況，液滴陣列的燃燒和液滴間相互作用以及二元組分和替代燃料的燃燒等［30］。

日本與美國合作的液滴燃燒實驗FLEX-2J 于2015年至2016年進行，重點觀察和測量火焰沿一維液滴陣列的傳播過程以及液滴的運動規(guī)律［16］。

理解燃料在微重力下的燃燒行為有助于提高行星際任務的混合燃料燃燒效率，從而降低成本和質(zhì)量，并有助于開發(fā)更加安全的載人飛船防火措施。對煙形成過程的研究有助于開發(fā)更加高效和環(huán)境友好的混合化學燃料。

4）空氣凈化燃燒實驗（ICE-GA）［17，24-26，31-32］

由意大利與美國合作的生物替代液體燃料燃燒實驗FLEX-ICE-GA是ISS上要開展的另一項液滴燃燒研究。實驗于2013年至2014年利用FLEX-2裝置進行，對兩種生物燃料液滴在不同壓力（0.1 MPa，0.3 MPa，0.6 MPa）和氧氣濃度（21%，10%，0）條件下的汽化和燃燒特性進行觀察，研究可再生能源的燃燒效率，在未來航天器燃料方面有應用前景。實驗數(shù)據(jù)可用于開發(fā)多種生物燃料混合物的蒸發(fā)和燃燒統(tǒng)計數(shù)據(jù)集，用來構(gòu)建計算機模型，評估生物燃料的效能并加速最具能效燃料的應用。

5）煙和氣溶膠測量實驗（SAME）［33-35］

實驗旨在將對航天器火焰煙塵中典型粒子的煙的特性或粒子尺寸分布進行測量。2007年4月至2010年5月，在國際空間站上利用科學手套箱MSG開展了煙霧測量實驗SAME和SAME-R，用以評估在航天飛機和國際空間站上使用的兩種（離子和光電）感煙火災探測器的效能，并提升下一代航天器火災探測裝置設(shè)計的可靠性。其前期研究是實驗在加熱溫度、氣流速度和煙霧停留時間等條件不同時，測量了5種典型航天器材料熱解產(chǎn)生的煙霧顆粒的粒徑和分布。實驗結(jié)果表明所有的實驗材料都會產(chǎn)生大量的亞微米顆粒，因此使用離子感煙探測器的效果會比較好，但在多數(shù)情況下，光散射探測器也會有很好的表現(xiàn)。實驗表明，材料在著火前期的過熱事故中可產(chǎn)生粒徑分布范圍相當寬的煙顆粒，更有效且可靠的火災探測方法應針對此特點進行設(shè)計。基于實驗結(jié)果開發(fā)的煙探測器也可用于地面上的許多極端環(huán)境，如潛艇和水下實驗室等。

6）燃燒實驗中的火焰結(jié)構(gòu)和火焰舉升（SLICE）［36］

該實驗旨在提升對火焰結(jié)構(gòu)擴散的物理和化學過程及控制的認識。利用SPICE實驗裝置，美國從2012年2月至3月開展了氣體擴散火焰的結(jié)構(gòu)和抬升現(xiàn)象實驗SLICE，對甲烷、乙烯及其氮氣稀釋氣體等在約700種流動條件下的120個射流擴散火焰進行觀測，獲得約4000張高分辨圖片等數(shù)據(jù)，目前正對實驗數(shù)據(jù)進行分析［37］。SLICE 將SPICE的研究范圍擴展到火焰穩(wěn)定性和火焰結(jié)構(gòu)，以增強對火焰進行模擬計算的能力，擴展可預測的參數(shù)范圍，進而將這種模擬能力用于提高地面燃燒系統(tǒng)中燃料的利用率、減少污染排放。此外，該實驗是美國微重力條件下前沿燃燒問題研究項目ACME中層流擴散火焰實驗CLD的前期實驗，用于指導實驗設(shè)計的優(yōu)化。

7）同向流動煙點實驗（SPICE）［38-39］

2009年4月至2012年3月，美國利用ISS中的微重力科學手套箱MSG開展了氣體射流擴散火焰的煙點實驗SPICE，對乙烷、乙烯、丙烷、丙烯和丙烯/氮氣等氣體燃料進行了超過250次燃燒實驗，得到約70個火焰煙點數(shù)據(jù)。在實驗中，丙烷和乙烯火焰開始產(chǎn)生碳煙時，火焰頂端逐漸變暗、變紅、變圓，而亮度最大的丙烯和丙烯混合氣體火焰通常并不表現(xiàn)這種變化，煙點的標志為火焰快速向頂端敞開結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。頂端敞開火焰的出現(xiàn)歸因于碳煙的產(chǎn)生和火焰沿中心線的局部熄滅。隨著射流噴口直徑的減小和同向伴流速度的增大，煙點長度增大，這與地面實驗結(jié)果一致。SPICE的實驗結(jié)果為認識碳煙產(chǎn)生過程、分析碳煙機理提供了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可對這一燃燒科學的熱點問題研究有積極作用，當前NASA遴選航天器材料所采用的標準測試方法并未考慮低重力環(huán)境的效應，研究結(jié)果將作為航天器火災放熱的第一級模型和預測，并將其作為將放熱數(shù)據(jù)從測試轉(zhuǎn)為基于性能的材料遴選程序的手段。實驗通過研究環(huán)境氣流與煙點之間的相互作用增進對燃燒的了解，可以更好地預測在實際生活中的燃燒室（如飛機引擎和鍋爐）中無浮力火焰的放熱。

這些微重力燃燒實驗并不是先進燃燒技術(shù)的驗證，而是期望通過這些實驗研究來改進燃燒技術(shù)和研制新型燃料。除了已經(jīng)開展及正在進行的這7項空間微重力燃燒實驗，國際空間站還計劃了如下實驗：

1）燃燒速率模擬實驗（BRE）［40］

該實驗利用具有封閉循環(huán)回路的氣體燃料供應的平面燃燒器模擬濃縮相燃料的燃燒放熱速率。模擬的濃縮相燃料包括：紙、塑料和乙醇。該實驗的目標是定量分析微重力下濃縮相燃料的著火和熄滅特性，定量分析微重力下增加氧氣濃度對燃燒特性的影響。通過改進材料的可燃性評價標準來篩選材料，以便滿足空間飛行器的防火要求。

2）同軸射流層流擴散火焰（CLD）［41］

該實驗希望通過修正烴類燃料的化學動力學機理，在多參數(shù)耦合條件下，實現(xiàn)比現(xiàn)有的模型能更有效地模擬擴散火焰的結(jié)構(gòu)。發(fā)展煙黑生成的模型，使得其能夠預測不同工況下各種烴類燃燒火焰中煙黑的生成量。

3）電流對層流擴散火焰影響的實驗（EFIELD）［42］

該實驗準備在氣體射流或者同軸射流火焰的順著氣流流動方向布置電機，極間電壓可達±10 kV，通過充分理解火焰中化學電離的機制以及離子驅(qū)動效應來區(qū)分火焰中的不同電離特征并實現(xiàn)對火焰的控制。

4）火焰設(shè)計實驗（Flame Design）［42］

該實驗利用新的方法產(chǎn)生一種潔凈和高效的擴散火焰，設(shè)計不同氮氣濃度下的一維球形火焰。實驗目標是：評價火焰結(jié)構(gòu)對煙黑聚合和火焰熄滅的效應，建立煙黑生成閾值與化學當量混合分數(shù)、絕熱火焰溫度之間的關(guān)聯(lián)，論證在搞化學當量混合分數(shù)下的氣相氧化對于煙黑聚合的重要性，證明球形火焰可穩(wěn)定地存在，以化學當量混合分數(shù)、絕熱火焰溫度的形式，來論證擴散火焰的可燃極限問題。

5）球形火焰實驗（S-Flame）［42］

該實驗將利用多孔介質(zhì)燃燒器實現(xiàn)一維穩(wěn)定的球形火焰。其目標是獲得簡單的已充分定義的流場中的實驗數(shù)據(jù)，理解各種關(guān)鍵的擴散火焰燃燒過程。通過實驗數(shù)據(jù)和已知的采用詳細化學反應機理和物質(zhì)擴散過程的數(shù)值模擬計算結(jié)果比對，來改進這些機理。對改進地面應用的高效低污染的燃燒系統(tǒng)設(shè)計有著重要作用。

3 國內(nèi)空間微重力燃燒研究現(xiàn)狀

我國的微重力燃燒研究從上個世紀90年代開始起步，相繼開展了微重力下蠟燭火焰、粉塵燃燒機理、悶燒及其向明火演變規(guī)律、固體表面火焰?zhèn)鞑?、可燃極限附近預混火焰特性等科研項目，取得一批重要成果，實現(xiàn)了對國際上主要研究方向的跟蹤，同時還開展了大量的地面實驗模擬方法研究［43］。近年來，我國微重力燃燒研究呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。一方面隨著我國載人航天工程的順利推進，對載人航天器火災安全的研究提出了全新的挑戰(zhàn)，切實提高載人航天器防火安全的水平已經(jīng)成為當務之急；同時，航天事業(yè)的發(fā)展為進行微重力燃燒研究提供了前所未有的機遇。2006年，利用“實踐八號”衛(wèi)星成功完成的兩項實驗，是我國第一批空間燃燒實驗［44］，該實驗分別對21%和35%氧氣濃度條件下的多孔材料悶燒點火和發(fā)展過程進行了測量，其中等壓條件下的悶燒過程、雙向悶燒過程和高氧氣濃度氣流條件下的悶燒過程均為首次研究。實驗結(jié)果表明，在微重力環(huán)境中，只需要較為微弱的熱源即可引發(fā)悶燒，很小的氣流速度即可支持悶燒的傳播，當材料長度較大時，悶燒雖然不能到達材料端部，但悶燒過程釋放的有毒產(chǎn)物的危害依然十分嚴重。悶燒也可以自維持傳播直到材料末端，進而引燃臨近的可燃材料，使火災范圍擴大，在高氧氣濃度（如35%）條件下，悶燒可向明火燃燒轉(zhuǎn)變，反應溫度大大增加，更容易引起火災的蔓延，造成嚴重后果。實驗結(jié)果為研究悶燒機理提供了理想的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對載人航天器艙內(nèi)的火災安全具有實際意義。2012年底，中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導專項“實踐十號”返回式科學實驗衛(wèi)星工程正式立項啟動。目前，空間實驗有效載荷研制已進入工程實施階段，成為我國微重力燃燒研究滾動發(fā)展的良好契機。

相比國外空間實驗計劃，我國由于空間試驗機會少，且主要依靠搭載，空間實驗提供的空間資源還不夠充分，前期研究相對不足，微重力燃燒科學不管是空間實驗還是地基實驗，與國際前沿領(lǐng)先水平相比都有明顯的差距。與國際先進水平相比，國內(nèi)在微重力燃燒實驗技術(shù)方面也存在明顯差距，突出表現(xiàn)為：實驗設(shè)備缺少通用性，實驗條件保障能力不強，燃燒診斷技術(shù)不夠完備，技術(shù)隊伍不足。

4 我國空間微重力燃燒研究發(fā)展對策

空間微重力燃燒科學的發(fā)展途徑應該以取得的有重要應用價值的成果為依托、以解決航天工程的重大需求為目標，兼顧對燃燒基本過程和規(guī)律的科學研究、與載人航天器防火安全直接相關(guān)的應用基礎(chǔ)研究。通過綜合利用空間微重力實驗平臺，按照循序漸進的原則，促進該領(lǐng)域的快速、穩(wěn)定發(fā)展。

結(jié)合國外研究現(xiàn)狀與規(guī)劃［18-43］，我國研究和發(fā)展的重點應該集中在如下幾個方面：

1）近可燃極限燃燒

近可燃極限燃燒問題（即燃料配比遠離化學當量比的情況，大量存在于內(nèi)燃機、燃氣輪機、火災防治等過程和許多工況），燃燒溫度、當量比、能效和氮氧化物排放存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，發(fā)展近可燃極限燃燒技術(shù)對占全球60%石油消耗的發(fā)動機節(jié)能和減排方面有重大效益，在解決航空發(fā)動機大機動微重力狀態(tài)下的貧油熄火、高空再點火以及燃燒室內(nèi)火焰穩(wěn)定等方面具有重大應用前景。微重力為研究近極限微弱燃燒現(xiàn)象提供了必要的實驗條件，在以往微重力實驗對氣體微弱火焰的研究取得顯著成果的基礎(chǔ)上，近可燃極限液體和固體燃燒規(guī)律受到關(guān)注，實驗研究方向包括近極限燃燒的點火、火焰?zhèn)鞑ヅc熄火，熱輻射與火焰的耦合作用，催化燃燒，球形擴散火焰及煙黑生成，近極限湍流火焰速度及湍流熄火等。這項研究對發(fā)展和完善燃燒模型將有顯著作用。

2）湍流燃燒

國內(nèi)正在研究廣泛存在于航空發(fā)動機、火箭發(fā)動機、內(nèi)燃機、能源和冶金化工爐中的湍流和兩相燃燒相互作用問題。湍流燃燒可大幅度提高能效，需要搞清諸如兩相速度分布、渦的結(jié)構(gòu)和各方向湍流度等問題，地面重力對湍流的抑制有礙于得到真實的規(guī)律。在微重力下研究氣體湍流和顆粒/油滴湍流（脈動）相互作用以及氣體湍流和氣體燃燒反應，以建立精確的數(shù)學物理模型和CFD軟件，對發(fā)動機研究十分重要。相關(guān)的科學問題包括湍流火焰的熄滅機理、湍流擴散火焰的瞬態(tài)響應特性和微重力下湍流擴散火焰特性等。

3）煤燃燒特性及污染物排放特性

通過空間燃燒實驗，針對我國典型的煤種（褐煤、煙煤、無煙煤及部分煤種的脫揮發(fā)份煤焦），分為煤顆粒和煤顆粒群兩種類型進行研究。研究微重力單顆煤顆粒的熱解，揮發(fā)析出，著火、燃燒和燃盡過程，考察化學動力學控制向擴散控制轉(zhuǎn)化的臨界條件。研究在微重力條件下煤粒群著火、揮發(fā)份的析出與焦碳燃燒及其燃盡等燃燒特性，研究煤粒群濃度、顆粒形狀變化和煤種對煤粒群著火及其燃燒特性的影響。研究火焰的結(jié)構(gòu)、傳播特性和溫度場的分布。通過對生成污染物的檢測研究污染物質(zhì)的生成機理和規(guī)律。

觀測無浮力作用的理想條件下的本征燃燒現(xiàn)象，認識燃燒過程中的一些基本環(huán)節(jié)的物理化學實質(zhì)，獲得煤燃燒過程中一些重要的基礎(chǔ)參數(shù)，揭示燃燒過程的內(nèi)在作用機理、檢驗燃燒理論，掌握燃燒科學規(guī)律。同時與地面相應實驗進行對比，揭示煤燃燒過程中浮力對其本征燃燒特性以及污染物質(zhì)生成特性的影響形式和影響程度，比較分析得出重力影響下的地面實驗方法帶來的誤差，校核地面反應動力學參數(shù)的測定方法和結(jié)果，驗證數(shù)值模型，為開發(fā)地面高效，低污染燃燒裝置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計指導。

4）航天器火災預防、探測和滅火的基礎(chǔ)問題

在火災預防方面，重點提高對微重力環(huán)境中材料燃燒、火焰熄滅過程和特性的認識，以檢驗和修正航天材料可燃性的地面測試方法及預測模型；在火災探測方面，準確測量燃燒的煙霧產(chǎn)物特征，為評估現(xiàn)有火災探測器、設(shè)計新一代探測器提供基礎(chǔ)；在滅火措施方面，定量研究不同氣體滅火劑的效能，了解滅火過程和機理，為滅火劑選擇和滅火系統(tǒng)設(shè)計提供指導。

5）深空探測相關(guān)燃燒研究

利用微重力燃燒可以進行深空探測用新型模型燃料（包括生物燃料）的配方研究和論證；研究用于空間和深空探測（包括慣性飛行造成的零重力條件）的推進系統(tǒng)研究，搞清楚其點火和穩(wěn)定條件；發(fā)展新型高效摻硼或金屬顆粒的高能固體燃料等，為未來可能實施的深空探測進行技術(shù)儲備。研究內(nèi)容包括：硼，鎂，鋁等金屬燃料著火、燃燒特性的內(nèi)、外在影響機制的研究；微重力條件下金屬燃料全升溫過程化學反應動力學研究；金屬粉燃料的包覆處理工藝研究等。

空間微重力燃燒學科是一項涉及到流體科學、物理學、化學等多學科的交叉學科，在研究及發(fā)展過程中要多關(guān)注其各自的研究方向，并充分考慮各學科間的最佳融合性。

5 結(jié)論

微重力燃燒作為應用基礎(chǔ)研究，與我國能源產(chǎn)業(yè)和節(jié)能減排等重大應用、與地面廣泛應用的發(fā)動機技術(shù)和空天高技術(shù)動力推進有密切關(guān)聯(lián)，也是地面和空間防火安全的重要基礎(chǔ)。目前提出的微重力燃燒重點方向的應用背景是清楚的，通過空間實驗搞清燃料和動力學過程的本征特性，改進修正數(shù)理模型和數(shù)值模擬方法，應用到實際環(huán)節(jié)的基本思路是可行的。

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Research Status and Outlook of Microgravity Combustion in Space Station

ZHANG Lu，LIU Yingchun
（Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

The strategic plans of foreign space microgravity combustion science in recent ten years were reported.The microgravity combustion experiments conducted on the International Space Station were reviewed.The significance of the experiments and achievement such as the generation of cool-flame were analyzed and the impending experiments were summarized.Based on the full account of China's national conditions，research foundations and research features，the key scientific problems and the development strategies were put forward.They targeted the needs of space projects and considered the scientific research on the basic process and law of combustion.The application of basic research directly related to fire safety in manned spacecraft was emphasized and the applied research and related energy conservation were focused upon.

microgravity；combustion；fuel；space station；fire safety

TK16

A

1674-5825（2015）06-0603-08

2015-05-04；

2015-10-22

張 璐（1985-），男，博士，副研究員，研究方向為空間科學戰(zhàn)略。E-mail：zhanglu@csu.ac.cn