逍遥学能 2017-04-17 10:35
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。
这就是SOFBALL的目的。
SOFBALL是一个像办公室垃圾桶大小的小室，充满了可燃气体：“少量的氢或甲烷(燃料)，一些氧(氧化剂)，还有大量的惰性气体(如氦或氮)以稀释混合气体直到刚好燃烧为止，”隆内说。实验安排在航天飞机的一个名为‘燃烧指令舱’的架子的货物角里。宇航员只要按下按钮给混合气体打出火花，瞧…火焰球。它们的温度、亮度、热损耗，以及气体副产品的成分全部被内置的仪器所监控。SOFBALL是在NASA的格林研究中心由项目科学家卡尔文?魏兰德和项目经理安?欧威尔指导建造和试验的。
图二 SOFBALL的‘实验安装结构’(EMS)有一个内置的火花塞，一个温度传感器，一个幅射计和其他器件。
这是SOFBALL的第二次飞行，第一次是在1997年，也是在哥伦比亚号上(STS-83)。在那些日子里，实验只运行了8分钟。“我们没有想过火焰球能维持十分钟以上，”隆内解释说，“但我们错了。它们中有许多在SOFBALL的控制计算机自动终止试验以后仍在燃烧。我们需要更多的时间。”
于是，在STS-107任务中，SOFBALL曾经运作了长达三个小时。而“我们已经看到了某些非同寻常的事，”隆内说。
克雷克和华生就是个例子。隆内说，究竟是什么原因让火焰球作螺旋形环绕飞行的，他还是没有主意。“火焰球的运动有两个原因，”他解释说。“第一，当它们耗尽了附近的燃料时，它们会向有更多燃料的地方飘移。它们像小的有机体那样追随燃料。第二，它们会因为航天飞机的轻微加速而飘移。”这两个原因中的任何一个都不会产生螺旋形的飞行途径。
图三 一个作螺旋形运动的火焰球。
霍华德是另外一个隆内以前从未见过的例子。“霍华德是自杀性的，”他说。它不像一般火焰球那样去追随燃料，霍华德一头朝室壁上撞，那是缺乏燃料的区域。“它很快就熄灭了。我们还看到好几个火焰球也像这样。”那是另一个神秘之处。
SOFBALL实验也会产生最大和最小的火焰球，直径从2毫米到15毫米。“我们把最大的一个命名为‘车尔多维奇’，以纪念在1944年预测到火焰球的俄罗斯物理学家。”一位‘好心的’宇航员给一个火焰球起名为‘保罗?隆内’，“但是它变小了，而且是短命的?? 一个庸才，”隆内笑了。
闪动的火焰球是另一个首次发现。“大约在15年前，伊利诺斯州立大学的约翰?巴克马斯特和法国泼艾提尔(Poitier)CNRS的盖伊?卓林预言，火焰球在燃料快要用完的时候会出现闪动。你或许看到过微弱的蜡烛火焰在它们熄灭前呈有节奏地上下跳动。我们以前从未见到过火焰球的这种闪动，但现在我们在两个被命名为巴克马斯特和卓林的火焰球上看到了。”闪动的持续时间揭示了火焰球大量的内在活动，隆内补充说。这是一个非常重要的结果。
图四 一个SOFBALL辐射计信号显示的火焰球闪动。??横坐标为‘时间(秒)’，纵坐标为‘幅射(毫瓦/平方厘米)’，译注??
然而，隆内最喜欢的火焰球是凯丽。“在任务开始以前我说过，我要送一个火焰球去环绕世界，凯丽差不多做到了。”航天飞机每绕地球一圈是90分钟，凯丽燃烧了81分钟??这是迄今记录到的持续时间最长的火焰球。
“凯丽的实验是火焰球当中聚合动力学造成闪动的例子，”隆内说。“她在含有氢、氧、和四氟化硫(惰性填料)的混合气体的九个火焰球中，是创造性的。所有其他的几个开始环绕室壁飘移，寻找食物，互相竞争，而凯丽却在中间保持不动。不久以后，别的几个都筋疲力尽了，它们已经飘移得离室壁太近，并开始闪烁。凯丽则独自留在充满燃料的室内。”
“这需要耐心，”隆内提醒说。他应该认识到这点。隆内于1984年在俄亥俄州的格林，从NASA的一个落下塔里发现了火焰球，在那里，一个火焰球的无重力寿命只有几秒钟。为了取得这样的数据，他已经等了差不多20年…
在隆内的办公室里，有这样一个标志：‘当神要惩罚你的时候，他们会回应你的祈祷。’这将要花费我们好多年的时间来分析所有这些结果。
来源：精品学习网