超低压下为何火可不灭?——面向未来的太空防灾战略

海洋 · 宇宙 2018年09月06日
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丰桥技术科学大学机械工程系的研发小组通过实验证明,即使在极端低压的环境下,没有火焰的燃烧也能持续。为查明其原因,研发小组全球首次成功地进行了详细测量。低压环境经常被用作太空封闭空间的标准设置条件,比如宇宙飞船内和月球基地等。所以此次的研究成果,可为不久的将来,载人航天任务的防灾战略提供不可或缺的基础信息。

蚊香和香烟等有很多空隙的固体物质能实现无火焰的缓慢燃烧。这种现象称为“阴燃(又称无焰燃烧、慢燃等)”。被褥着火时,首先会持续一段时间的“冒烟状态”,然后,火焰突然升高,火势迅速扩大,阴燃就相当于这种“冒烟状态”的燃烧。一般来说,有火焰的燃烧,只要在一定程度上切断氧气,火焰便会逐渐变弱并最终灭掉。通常,最多只要减压至大气压的1/3左右(~30kPa),火焰就会消失。

但是阴燃,即使压力远远低于大气压,其燃烧现象也不会停止,在纯氧(100%氧气)条件下,即便将压力降至大气压的1/100左右(~1kPa),依然会继续燃烧。虽然人们凭经验已经知道阴燃非常“顽强”,但始终不清楚为何阴燃在如此恶劣的条件下还能持续。主要原因在于,火即将灭掉之前的燃烧强度明显变弱,就连插入温度传感器,也会造成燃烧状态的改变。

在本次研究中,为挑战这个谜题,研发小组制造出可忽略插入传感器产生的热影响的实验环境,全球首次成功地高精度测量了火灭之前的温度分布。具体来说,就是在线香上开通一个直径为0.2mm的小孔,把极细的自制温度传感器埋入孔中,然后再设置在接近灭火极限时也能稳定燃烧的高稳定性空间,从而实现了此次测量。

论文的第一作者山崎拓也博士介绍说:“在脆弱易断的2mm线香上,用钻孔机钻出0.2mm的细孔本身就不是一件容易事,更何况还要在孔中埋入极细的温度传感器,其中的困难真是难以其表。实际上,做一次测量,仅准备就要花相当多的时间。如果不测试温度,就只能知道是燃烧了还是未燃烧,但通过成功测量接近灭火极限的温度,便发现即使是线香这种由细粒度材质构成的多孔材料,辐射也能将热量传递至距离发热部位数mm的预热部位,热量在该部位向周围的空气散发,因而火随之熄灭;如果压力降低,热量散发就会减少,预热部位就有可能会促进燃烧。温度分布虽然微不足道,但却不容小觑”。

低压环境下的燃烧动态和燃烧极限

图1:低压环境下的燃烧动态和燃烧极限 温度测量时的情景

图2:温度测量时的情景

文 客观日本编辑部

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