国际空间站微重力燃烧项目规划及进展

薛 源，徐国鑫，胡松林，高郁晨，何新星

(中国航天员科研训练中心，北京100094)

1 引言

在微重力条件下，由于浮力作用被抑制，燃烧现象中的基本过程及效应更加凸显，可有助于提取燃烧过程的基本数据，深化对于燃烧的认识[1]。 因此，微重力燃烧科学研究一直是国际微重力科学研究的重点和前沿领域之一，也是NASA 极为关注的方向之一。

2015 年，NASA 发布了《国际空间站燃烧科学研究指南》[2]，与2011 年规划[3]相比，研究重点仍集中在基础燃烧科学及防火安全研究领域。 基础燃烧科学研究方向主要为液滴、气体及固体燃烧研究。 新规划中，增加了对预混火焰、冷焰的研究导向；明确了气体、固体燃烧的主要研究平台并细化了研究内容。 防火安全方面，规划阐述了货运飞船防火安全、材料可燃性筛选的重要性，并计划建设新实验设施拓宽研究手段。 此外，也增加了针对未来货运飞船反应系统的超临界水氧化系统等先进燃烧技术的新实验设施的研究指引。 后续NASA 利用国际空间站的相关燃烧设备平台依次策划或实施了液滴燃烧-冷焰、7 个气体燃烧、5个固体燃烧项目；防火安全方面，NASA 应用货运飞船平台及地基平台开展货运飞船防火安全研究，通过国际合作开展材料可燃性评价标准研究，策划了新的封闭燃烧项目，并推进高压燃烧室、微重力风洞、低重力落塔等一系列新实验及设施的建设。

本文介绍了近期NASA 在空间站及货运飞船等平台开展的微重力燃烧科学的研究规划、动态及进展，以期为中国未来空间站的微重力燃烧科学发展提供参考依据。

2 基础燃烧研究项目

目前，NASA 在ISS(International Space Station)的基础燃烧研究主要集中在液滴燃烧、气体燃烧、固体燃烧3 个方面，对应的主要实验装置分别为MDCA(Multi-user Droplet Combustion Apparatus)、微重力高级燃烧实验装置ACME(Advanced Combustion via Microgravity Experiments)、

固体燃料点火与熄灭装置SoFIE(Solid Fuel Ignition and Extinction)，3 个装置均为燃烧集成架CIR(Combustion Integrated Rack)[4]上的插件设施，设备参数见表1。 CIR 由光学工作台、燃烧室、燃料和氧化剂控制系统、探测分析系统、环境管理系统、摄像机等组成，容量100 L，工作压力0.02～3 atm。 除自身可进行燃烧实验外，还可为MDCA 等插件设备提供电力、燃料、气体环境及检测支持。 此外，空间站的微重力手套箱MSG(Microgravity Science Glovebox)也具备燃烧实验功能，可支持部分实验。

按照NASA 计划依次按照MDCA、ACME、SoFIE 的顺序分别开展液滴、气体和固体燃烧研究(图1)，3 个项目预计2023 年完成[5]。

图1 CIR 空间燃烧研究时间表(2017 年公布）[5]Fig.1 NASA CIR space combustion research schedule(released in 2017）[5]

2.1 液滴燃烧研究

NASA 利用MDCA 已进行了火焰熄灭FLEX(Flame Extinguishment Experiment)系列实验，研究液体燃料的燃烧过程和可燃极限等方面。FLEX 系列研究特色是对微重力低温化学反应冷焰(Cool Flame)现象的发现与研究。 地面冷焰研究主要集中在燃料混合物多级点火的预混系统方面[6]，而在ISS 的FLEX 系列实验中，发现了单一大颗粒的正构烷液滴扩散火焰也可出现冷焰现象[7]，超出研究人员预期。 由于冷焰在新燃料的开发、选择和先进内燃机的设计中起着关键作用，对喷雾燃烧和消防安全都具有重要意义，因此NASA 利用MDCA 装置开展了独立于FLEX 的微重力冷焰研究项目CFI(Cool Flame Investigation)，在FLEX 系列实验结束后开展，研究周期为2016～2018 年。

表1 ISS 小型燃烧试验装置硬件信息[2]Table 1 Hardware information of ISS combustion insert device

CFI 项目主要目的包括：①通过在微重力液滴燃烧实验研究烷烃的低温燃烧特性，建立新的燃烧计算模型，用于计算地面实际应用燃烧的性能和效率；②研究多种燃料液滴的低温燃烧行为，确定低温火焰燃烧特性与燃料的辛烷值/十六烷值之间的关系；③研究燃料添加剂对低温化学反应的影响，进一步探索烷烃的低温化学性质[8]。

在进行CFI 实验时，由CIR 的燃料氧化剂管理系统对燃烧室进行环境气体充气，将预定大小的液滴部署在MDCA 装置内，然后用2 个对称的热线点火器进行点火后开始实验。 实验诊断系统记录各种燃烧数据及化学发光现象[8]。 研究结果显示，只有大颗粒的正烷烃液滴颗粒才会出现低温燃烧现象，在一定条件下其燃烧行为可历经2～3 个阶段，如在高压以及特定的氦代氮取代率下(20%＜XHe＜60%)，大颗粒球形对称正烷烃出现三级燃烧行为：即经典的热焰(～1500 K)、辐射衰减后中等温度的温焰(～970 K)，最终过渡为准稳态冷焰。 3 种燃烧状态下火焰反应区及近场区域的中间反应产物及生成速率均具有显著差异，准稳态的“冷焰”只出现在负温度系数化学作用区域，而低温燃烧的产物主要为H2O、CO、H2O2、CH2O 及C2H4等不完全反应产物[9-10]；在大多数情况下，冷焰的熄灭会伴随蒸汽云出现，其主要成因为低温燃烧过程中的燃料泄流。 在冷焰燃烧中，环境氧浓度是十分重要的影响因素，可影响冷焰的燃烧速率、火焰偏距比例以及负温度系数区域的温度等常量，而CO2的稀释对这些常量几乎没有影响[11-12]。 CFI 的研究对火焰燃烧过程的动力机制有了更深入的阐释，对高效燃烧的控制与技术开发具有重要指导意义，可用于发动机温度控制和燃料及助剂的优化设计。

2.2 气体燃烧研究项目

基于ACME 装置的系列研究专注于先进的燃烧技术，主要目标是提高地面燃烧效率、减少污染物排放以及航天器的防火安全。 目前，ACME已公布确立5 个独立实验和1 个合作项目，主要研究层流、气体和非预混火焰。 项目前期实验及论证主要通过地面落塔、失重飞机、空间站实验进行。 NASA 独立实验项目为：同流层扩散火焰研究CLD Flame 项目(Coflow Laminar Diffusion Flame)、电场层扩散火焰E-FIELD Flames 项目( Electric-Field Effects on Laminar Dffusion Flames)、燃烧速率模拟BRE 项目(Burning Rate Emulator)、火焰设计实验项目(Flame Design)、球形扩散火焰的结构与响应S-Flame 项目(Structure and Response of Spherical Diffusion Flames)[13]。

研究对象为不同状态下的气体燃料燃烧，研究内容包涵火焰模型建立与验证、火焰控制、微重力下燃料的可燃性极限、燃烧烟灰产生和控制等内容。从研究定位来看，ACME 项目主要偏重于燃烧在能源环境方面应用的研究。 目前，ACME 项目中的CLD Flame 项目与E-FIELD 项目已完成，其关于微重力对电场火焰及高稀释有烟同流火焰的影响初期研究结果在第11 届美国国家燃烧会议上发布[14-15]，目前进行的项目为BRE、Flame Design、S-Flame 实验。

此外，NASA 和国家科学基金会于2017 年批准了新的气体冷焰研究合作项目-球形冷扩散火焰项目(Spherical Cool Diffusion Flames Burning Gaseous Fuels)，实验载荷计划于2020 年2 月搭乘龙飞船(CRS-20)入驻ISS 开展实验，预计2021年完成[16]。 ACME 项目概况见表2 所示。

在已进行的E-FIELD Flames 电极网对层流扩散火焰影响实验中发现电场具有控制火焰成烟灰的能力。 研究发现30%的C2H2(N2稀释)在高电场下不会形成烟灰，主要原因为电场增强了燃料在火焰内部燃烧，反应更剧烈充分，从而减少了火焰表面的燃料之间相互反应产生的烟灰[23]。

在已进行的CLD Flame 前期实验中，观察到同流火焰初始火焰较小较亮，随着燃料流与同流空气流量的增加，火焰逐渐从燃烧器分离并抬升的行为，其主要原因为流动条件对火焰反应区域的影响。 在后续不同燃料混合浓度的同流燃烧实验，研究表明随着燃料所占比例以及同流流速的增加，同流火焰及其抬升火焰的尺寸均有所增加[23]。

表2 ACME 项目概况Table 2 Overview of ACME project

BRE 实验进行了最大燃料流实验，实验中火焰最先膨胀到有足够氧气支撑的程度，此时火焰被CO2与水蒸气覆盖。 由于氧气输送能力下降，火焰逐渐减弱，热损失导致火焰顶部发生局部淬灭，火焰顶部“打开”，而淬灭后的火焰顶部的燃料得以接触氧气，使得火焰又迅速恢复形成火焰闭合，形成了一个周期性的“洞”。 该条件下的火焰呈现不对称性，最终大部分火焰熄灭，其余火焰呈现螺旋向上延伸的环状。 实验中也出现了长时间的火焰底部与燃烧器分离现象。 而在低流量的燃烧实验中，火焰则处于稳定的状态[23]。

ACME 的Flame Design 项目发现通过改变火焰燃烧时的燃料-O2-N2分配混合形式可以有效降低烟灰的形成，将N2从空气中分离出来与燃料混合在O2中燃烧，相比之前正常的燃料-空气混合燃烧，在各成分比例不变的情况下，火焰结构有巨大改变，燃烧更强烈，火焰稳定性更强，该发现进一步验证了燃料稀释对于燃烧具有重要影响[24]。目前，NASA 在前几次实验中成功实现了无烟灰燃烧，后续将从流场和火焰结构2 个方面去探索该现象的机制[23]。

此外，NASA 计划在ISS 上再次进行预混气体燃烧实验(Premixed-Gas Combustion)，实验装置沿用航天飞机任务时期进行的预混气燃烧实验装置，结构主要包括燃烧管、雾化器、分离器、点火装置等。 NASA 计划通过改造后适配于CIR 再次开展实验，实验目的包括：①准确测定层流火焰的速度特性；②准确测定贫燃料混合物的燃烧极限。该项目研究结果可服务于发动机研究领域，如在高功率条件下减少氮氧化物排放，并在低功率条件下降低CO 未燃烧的碳氢化合物。 目前该项目仍在准备阶段，预计2021 年开展[25]。

2.3 固体燃烧研究项目

固体燃料点火与熄灭实验(SoFIE)于2009年项目确立，其前置实验为固体燃烧和熄灭BASS(Burning and Suppression of Solids)系列实验，由5个独立项目组成，主要研究在不同压力和氧气环境下固体表面燃烧及可燃性，旨在深入了解固体在微重力条件下的燃烧行为，提高未来航天应用材料的防火安全。 相比之前的研究，SoFIE 项目将测试条件扩展到富氧和多种压力环境，并改进火焰的速度控制及诊断能力。 按照NASA 公布的计划[5]，SoFIE 项目将在ACME 项目后进行。

SoFIE 项目的5 个子项目为保留时间驱动的火焰扩散项目RTDFS(Residence Time Driven Flame Spread)、窄通道设施研究项目NCA(Narrow Channel Apparatus)、增长与熄灭极限项目GEL(Growth and Extinction Limit)、材料着火和抑制实验项目MIST(Material Ignition and Suppression Test)、航天器材料微重力易燃性研究SMμRF(Spacecraft Materials Microgravity Research on Flammability)[26-27]。 从研究定位来看，SoFIE 项目着重于未来航天飞行防火安全的研究，并致力于改进和发展新的防火安全研究手段。SoFIE 项目概况见表3。

SoFIE 项目虽未正式开展，但NASA 在前期的BASS 系列及其他研究中发现[31-32]，固体可燃物在低速氧化剂流中受到外部热辐射的点火时间比在正常重力条件下的点火时间短，同时，在氧浓度低于17%时的火焰传播速度更快。 较低的燃烧所需极限氧浓度也意味着在一定条件下，航天器中的可燃材料比在地球上的易燃，同时也可能需要更多的灭火剂进行灭火等。 这些研究结果对NASA 现有的微重力防火安全认知提出了挑战。 因此，SoFIE的立项内容是对前期研究结果进行了延续与传承，如RTDFS 对研究材料的外形进行了扩展，GEL 的研究覆盖整个长期燃烧过程，NCA 与SMμRF 项目则将对现有材料的防火选拔标准进行改进，同时，MIST 项目应用外加热流道，扩展了微重力下的燃烧实验手段[28]，可更好探索大气环境因素对材料燃烧的影响。 值得注意的是，在NCA 项目前期研究中，证实了在1 atm 压力下，地面常重窄通道能够成功模拟微纤维、PMMA 薄片的燃烧，进一步支持窄通道技术可作为NASA 材料易燃性测试的可行性选择，未来将对厚材料进行测试，以进一步研究可行性。 通过NCA 研究，NASA 期望在地面常重状态下获得对材料微重力热行为的评估能力，从而大大提升飞行器的防火设计效率。

综上所述，通过SoFIE 项目的系列研究，NASA 将进一步丰富材料燃烧基础认识及提高未来飞行器的防火安全性能。

2.4 高压超临界燃烧研究

在2015 年规划中，NASA 也提出了针对未来航天器反应系统的研究导向—高压超临界燃烧系列研究。 与传统燃烧技术不同，该项目主要研究微重力下的超临界及亚临界水热化学反应，其中的超临界水氧化技术SCWO(Supercriti-cal Water Oxidation)是一种可实现对多种有机废物进行深度氧化处理的技术，反应产物主要为H2O、CO、N2及无机盐等，特别适用于高毒性、高浓度、难生化降解有机废水的无害化处理。NASA 计划发展其用于未来航天器乃至太空驻地的闭环生命支持系统，以满足废物管理和资源回收的需求。

表3 SoFIE 项目概况Table 3 Overview of SoFIE project

为此，NASA 计划设计开发新的高压燃烧实验设备(High Pressure Combustion Chamber)，实验可能以CIR 插件或独立飞行实验的方式进行，实验内容主要包括高压(超临界或亚临界)液滴燃烧、超临界水氧化反应等，详见表4。 目前，NASA的SCWO 技术仍需要解决由盐沉淀和反应堆内部表面的腐蚀造成的污垢和流动堵塞问题，NASA认为如果将水热火焰控制在反应堆内部亚临界水的共流区域，可有效解决该问题。 因此，未来高压燃烧领域的研究将围绕该内容展开[33]。

3 防火安全项目

防火安全项目主要包括飞船防火安全研究与低重力可燃性极限FLARE(Flammability Limits at Reduced-g Experiment)项目以及依据飞船防火安全研究一期结果而新设立的密闭燃烧项目。

3.1 飞船防火安全研究

研究包括飞船防火演示Saffire(Spacecraft Fire Safety Demonstration)及其配套项目，研究方向为：材料燃烧、火灾监测、空气监测、灾后清洁、灭火技术等技术，并将研究成果在Saffire 项目中进行验证。 Saffire 由NASA 高级探索系统项目资助，目的是开发防火安全技术。 NASA 认为常重与微重力状态下的火灾行为存在巨大差异[34]，而目前对于微重力火灾，尤其是航天器尺寸级别的火灾仍缺乏实验数据，这导致建立在地面防火标准上的飞船设计可能存在不确定的风险。 为了解决这一问题，NASA 提出了利用一次性航天器(如Cygnus、Dragon)[35]，在不对航天员或载人航天器构成风险的情况下进行大尺寸火灾实验的方法，Saffire 试验装置主要由大尺度燃烧试验样品卡片、摄像机、点火装置、气体直流装置等组成，实验配置见表5。

Saffire 项目可分为2 个阶段：第一阶段为Saffire-I-III，主要研究大尺寸火灾的燃烧行为；第二阶段为Saffire-IV-VI，届时实验将搭载配套的微重力风洞、火灾探测器、空气监测器等Saffire 防火安全配套项目开发的新型设备，进行技术演示与验证[35]，项目预计2020 年完成，研究概况见表6。

表4 高压燃烧项目概况Table 4 Overview of high pressure combustion project

表5 Saffire 项目实验配置[36]Table 5 Configuration information of Saffire project

表6 Saffire 及配套防火安全项目概况[36]Table 6 Overview of Saffire and its supporting fire safety project

Saffire 项目公布了I-III 的部分研究成果[37]，发现在微重力作用下，强制对流下的火焰可达到准稳态，传播速度较常重慢；需注意的是，部分材料在微重力反向气流下表现出比常重高的可燃性；微重力下材料局部的燃烧速率沿热解区变化较大，且在靠近焰底处达到峰值。 通过对厚PMMA 试样燃烧实验发现，微重力火焰可在焰底达到极限长度，该发现支持了厚样本材料可产生非生长火焰的观点。 此外，同材料的窄样本比宽样本具有更强的燃烧行为，在微重力条件下，火焰蔓延和材料可燃性受气道高度、氧浓度、辐射、压力、边界层交互作用等多因素的影响，这对未来航天器的防火安全设计具有重要指导意义。 根据微重力研究结果，NASA 还发现常重低压30 kPa 下的受试材料燃烧行为与微重力条件下相似，这也为未来在地面采用降低环境压力的方法来模拟航天器微重力燃烧行为提供了科研与数据支持[38-39]。

设施建设方面，NASA 规划了低重力落塔升级项目正在建设中，并计划在2021 年投入使用[40-41]，以开展不同重力下的材料燃烧科学研究(表7)。 低重力落塔的建成，将使NASA 有效优化飞行研究，同时加强地基燃烧科学研究能力，有效降低实验成本，提高实验效率，提供更多的研究机会。 改造后的设备可用以支持流体物理学、材料学、原地资源利用科学等方向的研究。

NASA 开发了新的微重力风洞研究平台应用于Saffire、SoFIE 等项目，支持大尺寸样品在1 atm内的燃烧试验，后续也将为冷焰、高压燃烧气体射流扩散火焰及其他学科研究提供支持[36]。

表7 防火安全主要设施建设情况Table 7 Construction of major fire safety facilities

3.2 FLARE 项目

NASA、ESA、JAXA 等还合作开展了低重力可燃性极限FLARE 项目(Flammability Limits at Reduced-g Experiment)，与Saffire 项目不同的是FLARE 项目重点在于制定新的空间固体材料可燃性评价的国际标准。 FLARE 项目分为4 个子项目：平板材料可燃性实验、电线和圆柱形材料的易燃性、过载线缆点燃实验、新标准建议及其与现行方法的一致性探讨。 该项目于2012 年进行项目准备，于2019 年开始正式研究[42]，空间实验在ISS 的日本舱段Kibo 的固体燃烧实验模块SCEM[43](Solid Combustion Experiment Module)进行，项目计划于2020 年完成。

3.3 密闭燃烧项目

密闭燃烧(Confined Combustion)是NASA 于2019 年依据Saffire 一期结果新设立的实验项目，在Saffire 一期结果中发现材料燃烧受到气道高度的影响[37]，表现出在小腔室中燃烧得更快。NASA 推测在材料在周围墙壁热反馈和流道加速下可能导致燃烧加速，表现出更高的燃烧性。 因此设立该研究以调查不同形状密闭空间内材料火焰传播以及火焰与四壁的相互作用，从而提高认知并更好地改进基础设施防火设计。

密闭燃烧装置利用现有的BASS 设备进行了风洞改装，在样品周围加装了2 个可调节挡板，通过改变挡板之间的距离模拟不同的腔室宽度。 装置将做为MSG 的插件设备进行实验，获得的实验结果将进行数值模拟研究，从而外推到其他几何形状。 空间载荷于2019 年12 月搭乘SpaceX Dragon 运送至ISS，实验预计于2020 年完成[44]。

4 结论

近年来，NASA 在空间站等平台对微重力燃烧科学领域继续开展持续深化地研究。

1) 从实验项目的内容来看，主要集中在基础燃烧科学与飞行器防火安全等方面。 目前，随着MDCA 和ACME 项目的进行与完成，NASA 在减少燃烧污染物、火焰控制、燃烧模拟、先进内燃机设计理念等具有重要应用价值的领域都获得新的知识储备。 未来随着SoFIE、Saffire、FLARE 等防火安全项目的开展，NASA 可从材料微重力燃烧行为、大尺度火灾、新阻燃标准的制定等多方面开展综合研究，深入认识货运飞船火灾行为并构建针对性措施，健全飞船防火安全体系，提高货运飞船的防火安全能力。 低重力落塔、SoFIE 项目的地基窄通道(NCA)等技术的开发，也将加强地基研究能力，有助于进一步降低研究成本，提高研究效率。

2) NASA 空间燃烧科学的研究平台及手段多样化。 如利用货运飞船可以安全地开展大尺度火灾的研究；通过开发不同的CIR、MSG 小型实验插件(如着重气体燃烧研究的ACME、固体燃烧的SoFIE 等)，使得NASA 可以有针对性地设计和开展空间燃烧实验，有效保障多个燃烧项目的开展。

3) NASA 对微重力燃烧科学的研究要素进行了扩展，通过微重力风洞、高压燃烧室等设备的开发使得NASA 可以开展更大尺寸、多种大气环境及压力下的燃烧实验，从而更全面地探索材料的空间燃烧特性。

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