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化学论文:太空中的火焰

2012-09-24

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美国的科学家正研究,在太空没有引力的状态下,火是怎样燃烧的,研究

的结果会帮助避免宇宙飞船发生火警。

太空总署(NASA)的科学家指出,在地球的引力(gravity)下,火是会向上燃烧,而烟尘(soot)会随着火向上,到达火焰(flame)的尖端,使火焰变成黄色;但是在太空没有引力的情况下,没有对流作用,火焰会变成球状,没有烟尘,而火焰的颜色是蓝色的。

上图所见,是科学家解释火焰在引力和没有引力的情况下怎样燃烧。

科学家解释说,了解火焰在太空没

有引力,对流不会发生的情况下,怎样

燃烧和怎样熄灭,可以帮助避免宇宙飞船

(spacecraft)上发生火警。

科学家在放平了的圆盘上生火,然

后将圆盘顺时针方向旋转,发现火焰的形

状是螺旋形的;右图所见,是科学家在实

验时拍摄到火焰的照片。

从理论上讲,燃烧的蜡烛在失重状态下会立刻熄灭。道理很简单:没有重力的情况下就不会有对流,燃烧产生的热空气上升,含有氧气的冷空气马上填充进来。氧化剂一旦与火焰接触就消耗殆尽,燃烧即中止。

这种解释完全合乎逻辑,可能正是这种逻辑妨碍人们在实践中去验证。乘坐宇宙飞船遨游太空的人,谁也不会想到去擦火柴或点蜡烛。

1987年2月,这种情况终于碰到了。 “和平号”宇宙空间站发生了故障——氧气发生器起火了。与理论上的看法相反,燃烧的火焰并没有自动熄灭,宇航员只好动手将火扑灭。

这起事故触发了俄罗斯和美国宇航员在失重条件下进行燃烧实验的想法。于是他们点燃了蜡烛,结果蜡烛持续燃烧起来,不过燃烧速度比在地面缓慢得多,尤其不同的是火焰的外形不是一般那样向上伸展,而是一个很标准的圆球,火球外围呈淡蓝色。

既然在失重状态下依然能够燃烧,科学家在设计国际宇航空间站时,就必须预先考虑

一个被命名为‘凯丽’的火焰球

在哥伦比亚号航天飞机(STS-107)上的

火焰球已经做出了某些奇怪而惊人的事情

(向哥伦比亚号航天飞机及其遇难者致敬!——译者)

它们是太空的创造物:微小的火焰卷曲成球形,像幽浮(UFO)一样飞来飞去。它们几乎是不用燃料燃烧,暗淡的,往往难以发现。但它们富于个性。

“(我把这一个叫做)霍华德,”面无表情的宇航员达夫·布朗本周在哥伦比亚号航天飞机(STS-107)上。他已经好几次为细小的火焰拍照了,看着它们在测试室里煞有介事地寻找食物(燃料),这时他脑子里突然冒出一个主意:这些火焰球需要有名字。

图一 在这个录像里,9个火焰球中的一个名为‘凯丽’。继续读下去,找出她有些什么特殊之处。

“之后,每个人都开始给它们命名,”USC的工程学教授保罗·隆内说,是他设计了这项实验。“这很有趣,它也帮助我们对看到的某些新奇的东西进行跟踪。”比方说,有两个火焰球像DNA那样按螺旋飞行,“我们叫它们克里克和华生。”

然而,这远远不是逗趣。这些火焰球实验——称为SOFBALL,是‘低热值火焰球结构’(Structure of Flame Balls at Low Lewis number)的缩写——是对‘火’的物理现象的严肃的研究。

不像地球上的火焰有着因重力场内空气上升而形成的泪滴形状,太空中的火焰分裂成一些直径数毫米的球形。一个典型的浮动火焰球大约产生1到2瓦的热能——也就是说,比一支50瓦的生日蜡烛要小得多。“我们在STS-107上创造的某些火焰球只发射0.5瓦的热能——低记录,”他说。

火焰球是‘节能’燃烧者,它们不需要更多的燃料来维持燃烧。工程师们将乐于把它们的效率复制到汽车发动机中去,“但首先我们必须懂得火焰球是怎样工作的,”隆内说。