探索太空火災(zāi)
——NASA的“飛船火焰實驗”
2016-03-19 14:14周欣然編輯
東方劍·消防救援 2016年7期
周欣然/編輯
探索太空火災(zāi)
——NASA的“飛船火焰實驗”
周欣然/編輯
火災(zāi)不只會發(fā)生在地面，也可能發(fā)生在太空?！疤栈馂?zāi)”是人類步入太空之后所必須面對的風(fēng)險，也是太空探索當中最令人擔心的意外因素之一。國際空間站的飛行工程師里德就曾在社交網(wǎng)站上寫道：“在只有一個美式橄欖球場大小的國際空間站上，即使是迅速撲滅一團小火，也是生和死的問題?！彪m然自1961年人類第一位宇航員加加林上天已經(jīng)過去了半個多世紀，但人類對火災(zāi)在太空微重力環(huán)境下燃燒擴散情況的了解卻非常有限。為了進一步了解“太空火災(zāi)”，6月，美國宇航局（NASA）在一艘即將廢棄的“天鵝座”太空貨運船上遙控“放火”，用精密的儀器對燃燒過程進行監(jiān)控，并在這之后對外公布了實驗的現(xiàn)場圖片和影像資料。
“微重力”狀態(tài)下的火
“火焰”是我們司空見慣的事物。但其實，我們通常見到的都是正常重力下的火，而在太空微重力環(huán)境下，火焰則會變成一副非常陌生的模樣。通常，重力會使得低密度的熱空氣向上運動、高密度的冷空氣在下面補充，這種浮力對流會讓火焰不斷得到氧氣補充并使之形成一個細長的錐形。所不同的是，微重力條件下的熱空氣不會上升，浮力對流不復(fù)存在，微重力下的蠟燭火焰就會變成溫度更低的顏色偏藍的小圓球形狀。此時一種完全不同的，被稱作“分子擴散”的機制控制著整個燃燒過程。美國宇航局格林研究中心FLEX項目科學(xué)家丹?德雷蒂奇表示：“在太空中，分子擴散控制著對燃燒供氧的機制，在這一過程中燃燒產(chǎn)物離開火焰的效率要比地面環(huán)境下相應(yīng)的過程低100倍?！痹谔罩?，火焰還可以在比地球環(huán)境下氧氣含量低得多，溫度也低得多的情況下燃燒。因此用于在太空環(huán)境下滅火的材料必須更加濃縮。
2014年7月，美國宇航局就曾在國際空間站做過微重力環(huán)境下的小型燃燒實驗，火焰在失去重力“支撐”后產(chǎn)生了奇異的現(xiàn)象，形成的燃燒產(chǎn)物也不同于地面。宇航員在微重力環(huán)境下點燃高度易燃的點滴狀庚烷類物質(zhì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，液態(tài)物質(zhì)在被點燃后，周圍的氧氣就會與液滴在一個球形表面的狹窄區(qū)域內(nèi)燃燒，溫度可達1500K至2000K之間，液滴會逐漸收縮，直到火焰熄滅或燃料耗盡。如果這一情況發(fā)生在地球上，那么點燃的物質(zhì)會盡可能多地“吸”來周圍的氧氣，并保持火焰的持續(xù)燃燒。然而在微重力環(huán)境下，它不是如饑似渴地吸來周圍的氧氣，并且燃燒只會在一定的區(qū)域內(nèi)進行。當正在燃燒的庚烷類物質(zhì)被撲滅時，其小部分液滴仍然在燃燒，并且似乎沒有可見的火焰。加州大學(xué)圣迭戈分校物理學(xué)教授福爾曼?A.威廉姆斯認為這個現(xiàn)象極為不可思議，起初研究人員認為這個實驗可能出錯，但事實證明微重力環(huán)境下的燃燒確實如此。這種冷火焰的燃燒溫度較低，大約為500K至800K左右，而且化學(xué)反應(yīng)也完全不同，正常的燃燒產(chǎn)物為煙塵、二氧化碳和水，冷火焰的燃燒產(chǎn)物為一氧化碳和甲醛。
“最大規(guī)?！比嗽焯栈鹧?/h2>
此次“太空火災(zāi)”實驗是在一艘名為“天鵝座”的貨運飛船上進行的。而在此前的貨運任務(wù)中，“天鵝座”作為一次性飛船，在完成為國際空間站補給物資的任務(wù)后，都是直接在太平洋上空的大氣層中焚毀。但此次，美國航天局“榨盡”了飛船的最后一點用途，讓它在6月14日脫離空間站后，繼續(xù)繞地球飛行了8天，并在此期間在其上進行了一系列實驗，其中最重要的就是“飛船火焰實驗”。
“飛船火焰實驗”項目負責(zé)人之一加里?拉夫在今年3月的一份聲明中稱：“‘飛船火焰實驗’將是迄今在太空進行的最大的一次人造火災(zāi)?！彼硎荆嗄陙?，許多實驗都致力于理解太空中的火，但在以往的測試中，火都太小了，根本不足以讓我們明白在真正的“太空火災(zāi)”緊急事故中能做些什么。
燃燒是在一個長0.9米、寬0.9米、高1.5米的密封模塊中進行的。6月14日，在“天鵝座”脫離空間站約5個小時后，地面人員遙控點燃了飛船模塊內(nèi)的一塊長1米、寬0.4米的棉花與玻璃纖維混合物。此前空間站上實驗燃燒的材料長寬都不超過10厘米。模塊內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備記錄下燃料與氧氣消耗情況。據(jù)介紹燃燒實驗共持續(xù)了8分鐘。
6月18日，美國宇航局對“飛船火焰實驗”的部分實驗影像資料進行了公布。美國宇航局表示，了解火焰在微重力環(huán)境下如何燃燒，對于生活和工作在太空中的宇航員的安全至關(guān)重要。拉夫說，更好地了解火情在太空環(huán)境下的擴散情況，將有助于研制更好的防火材料與技術(shù)，從而幫助提高太空旅行的安全性。22日，“天鵝座”按計劃在地球大氣層中焚毀，飛船的空間站貨運任務(wù)由此畫上圓滿句號。此后，美國宇航局還計劃在接下來的“天鵝座”貨運任務(wù)中再開展兩次“飛船火焰實驗”。
（本文圖片來自資料庫，請原作者與本刊聯(lián)系以領(lǐng)取稿酬。）
太空火災(zāi)經(jīng)典案例——“阿波羅13號”
1970年4月11日，“阿波羅13號”宇宙飛船發(fā)射升空?！鞍⒉_13號”是阿波羅計劃中第三次登月任務(wù)的飛船。由于上世紀60年代肯尼迪總統(tǒng)提出的要將一個美國人送上月球并安全送回來的非凡挑戰(zhàn)已經(jīng)達成，因此公眾對于登月逐漸失去了最初的興奮，甚至電視臺也不再進行直播。但就在任務(wù)執(zhí)行到第三天（4月13日）的時候，一件意外將全世界的目光重新吸引到了這艘小小的飛船和它上面的三名美國宇航員洛威爾、斯威格特和海斯身上——一次常規(guī)的檢查程序卻導(dǎo)致了飛船氧氣罐的爆炸。突然之間，這三名宇航員變得命懸一線。
幸運的是，三名宇航員在與地面人員的密切配合下克服了一個個生死考驗，最終死里逃生，安全返航，創(chuàng)造了人類航天史上的奇跡。這一事件后來還被拍成了電影《阿波羅13號》。
三名宇航員之一的洛威爾執(zhí)行該任務(wù)前，他的妻子瑪麗蓮心中充滿了焦慮，因為“13”在西方是一個不祥的數(shù)字。洛威爾回憶說：“我的妻子對我說：‘為什么偏偏是13號？’我說：‘這是科學(xué)任務(wù)，我們都是工程師、技術(shù)員和科學(xué)家，我們不能迷信?！?/p>
然而，事故偏偏就這樣發(fā)生了。
4月13日深夜，在“阿波羅13號”飛向月球距地球已有32萬千米之遙時，突然飛船外傳來一聲巨大的爆炸聲。地面控制中心不知道飛船出了什么事，過了好一會兒，他們才聽到洛威爾說了太空史上最著名的一句話：
“休斯敦，我們遇到了麻煩。”
洛威爾回憶，當巨大的爆炸聲在飛船內(nèi)回蕩時，他和斯威格特一開始還以為是海斯在惡作劇。然而爆炸發(fā)生后，洛威爾朝窗外瞥了一眼，看到飛船后部竟然正在迅速滲漏氧氣！原來“阿波羅13號”服務(wù)艙的2號液氧箱發(fā)生了爆炸。爆炸摧毀了指令艙中的生命支持、導(dǎo)航和電力系統(tǒng)，并炸出了一個洞！指令艙內(nèi)的氧氣已經(jīng)維持不了多久，三名宇航員生還的唯一希望，就是逃進登月艙。就在指令艙中的氧氣只剩5分鐘可用時，登月艙的功能被激活。
此時飛船已經(jīng)越過地球引力界面，正在月球引力的牽引下向月球飛去。如果要返航，必須有足夠大的火箭推力來克服月球的引力。登月艙顯然難以勝任。休斯敦飛控中心的科學(xué)家們經(jīng)過周密計算和模擬，最后得出了一個最省燃料的返回軌道：飛船繼續(xù)飛行，繞過月球后，再啟動登月艙發(fā)動機，以進入返回地球的軌道。
為節(jié)省電力，宇航員們做出了一個危險的決定，關(guān)掉飛船上的計算機、導(dǎo)航系統(tǒng)和其他電力設(shè)備。當加熱設(shè)備被關(guān)閉后，登月艙中的溫度急劇下降。盡管他們穿上了宇航靴和剩余的內(nèi)衣褲，但仍然凍得無法入睡。沒多久，他們又遇上了另一個致命的危險，登月艙中的小型空氣過濾器無法處理三名宇航員排出的大量二氧化碳，他們面臨中毒身亡的危險。宇航員在NASA科學(xué)家的指導(dǎo)下，用一些黏性膠帶、一塊從飛行手冊后面撕下的紙板以及從他們太空內(nèi)衣褲上扯下的一些塑料片，做成了一個幫助空氣過濾器更有效工作的粗糙適配器。由于登月艙中的自動導(dǎo)航系統(tǒng)已被關(guān)閉，宇航員可說是通過手工導(dǎo)航返回地球的。
當飛船進入環(huán)月軌道并繞過月球后，宇航員啟動登月艙發(fā)動機4.5分鐘，飛船以每小時5400英里——兩倍子彈的速度離開月球飛向地球。登月艙里的氧氣、水、電越來越少，宇航員由于疲勞和恐懼變得越來越煩躁不安。飛控中心指揮員一直和他們保持著聯(lián)系，鼓勵他們，并提醒他們吞服鎮(zhèn)靜劑。
飛船在進入地球大氣層前，航天員啟動4個姿態(tài)控制火箭，使登月艙推著服務(wù)艙向前加速飛行。隨后，將服務(wù)艙分離。緊接著又啟動反推火箭，使登月艙離開服務(wù)艙一段距離。然后，登月艙的兩名航天員回到指令艙，關(guān)閉兩艙通道，將登月艙拋掉。最后，三名航天員乘坐指令艙平安降落到太平洋洋面上。
美國總統(tǒng)隨硫磺島號軍艦前去歡迎了三名宇航員的歸來。
“阿波羅13號”飛船登月雖然失敗了，但人類依靠自己的智慧和毅力，奇跡般地將宇航員營救了回來。所以，航天界稱這次飛行是“一次成功的失敗”。正是“阿波羅13號”上的宇航員們能夠在最危急的情況下保持冷靜，并在問題出現(xiàn)時及時進行解決，才最終讓他們能夠從這一極端復(fù)雜的險惡環(huán)境下脫險。
事后，美國政府成立了事故調(diào)查組，查明了事故原因。安在服務(wù)艙液氧貯箱中加熱系統(tǒng)的兩個恒溫器開關(guān)，由于過載產(chǎn)生電弧放電作用，將其連成通路，使加熱管路溫度高達500攝氏度，烤焦了附近的導(dǎo)線，最后引起氧氣爆炸。
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