美國的科學(xué)家正研究，在太空沒有引力的狀態(tài)下，火是怎樣燃燒的，研究
的結(jié)果會(huì)幫助避免宇宙飛船發(fā)生火警。
太空總署(NASA)的科學(xué)家指出，在地球的引力(gravity)下，火是會(huì)向上燃燒，而煙塵(soot)會(huì)隨著火向上，到達(dá)火焰(flame)的尖端，使火焰變成黃色;但是在太空沒有引力的情況下，沒有對流作用，火焰會(huì)變成球狀，沒有煙塵，而火焰的顏色是藍(lán)色的。
上圖所見，是科學(xué)家解釋火焰在引力和沒有引力的情況下怎樣燃燒。
科學(xué)家解釋說，了解火焰在太空沒
有引力，對流不會(huì)發(fā)生的情況下，怎樣
燃燒和怎樣熄滅，可以幫助避免宇宙飛船
(spacecraft)上發(fā)生火警。
科學(xué)家在放平了的圓盤上生火，然
后將圓盤順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)火焰的形
狀是螺旋形的;右圖所見，是科學(xué)家在實(shí)
驗(yàn)時(shí)拍攝到火焰的照片。
從理論上講，燃燒的蠟燭在失重狀態(tài)下會(huì)立刻熄滅。道理很簡單：沒有重力的情況下就不會(huì)有對流，燃燒產(chǎn)生的熱空氣上升，含有氧氣的冷空氣馬上填充進(jìn)來。氧化劑一旦與火焰接觸就消耗殆盡，燃燒即中止。
這種解釋完全合乎邏輯，可能正是這種邏輯妨礙人們在實(shí)踐中去驗(yàn)證。乘坐宇宙飛船遨游太空的人，誰也不會(huì)想到去擦火柴或點(diǎn)蠟燭。
1987年2月，這種情況終于碰到了。 “和平號(hào)”宇宙空間站發(fā)生了故障??氧氣發(fā)生器起火了。與理論上的看法相反，燃燒的火焰并沒有自動(dòng)熄滅，宇航員只好動(dòng)手將火撲滅。
這起事故觸發(fā)了俄羅斯和美國宇航員在失重條件下進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)的想法。于是他們點(diǎn)燃了蠟燭，結(jié)果蠟燭持續(xù)燃燒起來，不過燃燒速度比在地面緩慢得多，尤其不同的是火焰的外形不是一般那樣向上伸展，而是一個(gè)很標(biāo)準(zhǔn)的圓球，火球外圍呈淡藍(lán)色。
既然在失重狀態(tài)下依然能夠燃燒，科學(xué)家在設(shè)計(jì)國際宇航空間站時(shí)，就必須預(yù)先考慮
一個(gè)被命名為‘凱麗’的火焰球
在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)(STS-107)上的
火焰球已經(jīng)做出了某些奇怪而驚人的事情
(向哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)及其遇難者致敬!??譯者)
它們是太空的創(chuàng)造物：微小的火焰卷曲成球形，像幽浮(UFO)一樣飛來飛去。它們幾乎是不用燃料燃燒，暗淡的，往往難以發(fā)現(xiàn)。但它們富于個(gè)性。
“(我把這一個(gè)叫做)霍華德，”面無表情的宇航員達(dá)夫?布朗本周在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)(STS-107)上。他已經(jīng)好幾次為細(xì)小的火焰拍照了，看著它們在測試室里煞有介事地尋找食物(燃料)，這時(shí)他腦子里突然冒出一個(gè)主意：這些火焰球需要有名字。
圖一 在這個(gè)錄像里，9個(gè)火焰球中的一個(gè)名為‘凱麗’。繼續(xù)讀下去，找出她有些什么特殊之處。
“之后，每個(gè)人都開始給它們命名，”USC的工程學(xué)教授保羅?隆內(nèi)說，是他設(shè)計(jì)了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。“這很有趣，它也幫助我們對看到的某些新奇的東西進(jìn)行跟蹤。”比方說，有兩個(gè)火焰球像DNA那樣按螺旋飛行，“我們叫它們克里克和華生�！�
然而，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是逗趣。這些火焰球?qū)嶒?yàn)??稱為SOFBALL，是‘低熱值火焰球結(jié)構(gòu)’(Structure of Flame Balls at Low Lewis number)的縮寫??是對‘火’的物理現(xiàn)象的嚴(yán)肅的研究。
不像地球上的火焰有著因重力場內(nèi)空氣上升而形成的淚滴形狀，太空中的火焰分裂成一些直徑數(shù)毫米的球形。一個(gè)典型的浮動(dòng)火焰球大約產(chǎn)生1到2瓦的熱能??也就是說，比一支50瓦的生日蠟燭要小得多�！拔覀冊赟TS-107上創(chuàng)造的某些火焰球只發(fā)射0.5瓦的熱能??低記錄，”他說。
火焰球是‘節(jié)能’燃燒者，它們不需要更多的燃料來維持燃燒。工程師們將樂于把它們的效率復(fù)制到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中去，“但首先我們必須懂得火焰球是怎樣工作的，”隆內(nèi)說。
這就是SOFBALL的目的。
SOFBALL是一個(gè)像辦公室垃圾桶大小的小室，充滿了可燃?xì)怏w：“少量的氫或甲烷(燃料)，一些氧(氧化劑)，還有大量的惰性氣體(如氦或氮)以稀釋混合氣體直到剛好燃燒為止，”隆內(nèi)說。實(shí)驗(yàn)安排在航天飛機(jī)的一個(gè)名為‘燃燒指令艙’的架子的貨物角里。宇航員只要按下按鈕給混合氣體打出火花，瞧…火焰球。它們的溫度、亮度、熱損耗，以及氣體副產(chǎn)品的成分全部被內(nèi)置的儀器所監(jiān)控。SOFBALL是在NASA的格林研究中心由項(xiàng)目科學(xué)家卡爾文?魏蘭德和項(xiàng)目經(jīng)理安?歐威爾指導(dǎo)建造和試驗(yàn)的。
圖二 SOFBALL的‘實(shí)驗(yàn)安裝結(jié)構(gòu)’(EMS)有一個(gè)內(nèi)置的火花塞，一個(gè)溫度傳感器，一個(gè)幅射計(jì)和其他器件。
這是SOFBALL的第二次飛行，第一次是在1997年，也是在哥倫比亞號(hào)上(STS-83)。在那些日子里，實(shí)驗(yàn)只運(yùn)行了8分鐘�！拔覀儧]有想過火焰球能維持十分鐘以上，”隆內(nèi)解釋說，“但我們錯(cuò)了。它們中有許多在SOFBALL的控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)終止試驗(yàn)以后仍在燃燒。我們需要更多的時(shí)間�！�
于是，在STS-107任務(wù)中，SOFBALL曾經(jīng)運(yùn)作了長達(dá)三個(gè)小時(shí)。而“我們已經(jīng)看到了某些非同尋常的事，”隆內(nèi)說。
克雷克和華生就是個(gè)例子。隆內(nèi)說，究竟是什么原因讓火焰球作螺旋形環(huán)繞飛行的，他還是沒有主意�！盎鹧媲虻倪\(yùn)動(dòng)有兩個(gè)原因，”他解釋說�！暗谝�，當(dāng)它們耗盡了附近的燃料時(shí)，它們會(huì)向有更多燃料的地方飄移。它們像小的有機(jī)體那樣追隨燃料。第二，它們會(huì)因?yàn)楹教祜w機(jī)的輕微加速而飄移。”這兩個(gè)原因中的任何一個(gè)都不會(huì)產(chǎn)生螺旋形的飛行途徑。
圖三 一個(gè)作螺旋形運(yùn)動(dòng)的火焰球。
霍華德是另外一個(gè)隆內(nèi)以前從未見過的例子。“霍華德是自殺性的，”他說。它不像一般火焰球那樣去追隨燃料，霍華德一頭朝室壁上撞，那是缺乏燃料的區(qū)域�！八芸炀拖缌�。我們還看到好幾個(gè)火焰球也像這樣�！蹦鞘橇硪粋�(gè)神秘之處。
SOFBALL實(shí)驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生最大和最小的火焰球，直徑從2毫米到15毫米�！拔覀儼炎畲蟮囊粋�(gè)命名為‘車爾多維奇’，以紀(jì)念在1944年預(yù)測到火焰球的俄羅斯物理學(xué)家。”一位‘好心的’宇航員給一個(gè)火焰球起名為‘保羅?隆內(nèi)’，“但是它變小了，而且是短命的?? 一個(gè)庸才，”隆內(nèi)笑了。
閃動(dòng)的火焰球是另一個(gè)首次發(fā)現(xiàn)。“大約在15年前，伊利諾斯州立大學(xué)的約翰?巴克馬斯特和法國潑艾提爾(Poitier)CNRS的蓋伊?卓林預(yù)言，火焰球在燃料快要用完的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)閃動(dòng)。你或許看到過微弱的蠟燭火焰在它們熄滅前呈有節(jié)奏地上下跳動(dòng)。我們以前從未見到過火焰球的這種閃動(dòng)，但現(xiàn)在我們在兩個(gè)被命名為巴克馬斯特和卓林的火焰球上看到了。”閃動(dòng)的持續(xù)時(shí)間揭示了火焰球大量的內(nèi)在活動(dòng)，隆內(nèi)補(bǔ)充說。這是一個(gè)非常重要的結(jié)果。
圖四 一個(gè)SOFBALL輻射計(jì)信號(hào)顯示的火焰球閃動(dòng)。??橫坐標(biāo)為‘時(shí)間(秒)’，縱坐標(biāo)為‘幅射(毫瓦/平方厘米)’，譯注??
然而，隆內(nèi)最喜歡的火焰球是凱麗�！霸谌蝿�(wù)開始以前我說過，我要送一個(gè)火焰球去環(huán)繞世界，凱麗差不多做到了�！焙教祜w機(jī)每繞地球一圈是90分鐘，凱麗燃燒了81分鐘??這是迄今記錄到的持續(xù)時(shí)間最長的火焰球。
“凱麗的實(shí)驗(yàn)是火焰球當(dāng)中聚合動(dòng)力學(xué)造成閃動(dòng)的例子，”隆內(nèi)說�！八诤袣�、氧、和四氟化硫(惰性填料)的混合氣體的九個(gè)火焰球中，是創(chuàng)造性的。所有其他的幾個(gè)開始環(huán)繞室壁飄移，尋找食物，互相競爭，而凱麗卻在中間保持不動(dòng)。不久以后，別的幾個(gè)都筋疲力盡了，它們已經(jīng)飄移得離室壁太近，并開始閃爍。凱麗則獨(dú)自留在充滿燃料的室內(nèi)。”
“這需要耐心，”隆內(nèi)提醒說。他應(yīng)該認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)。隆內(nèi)于1984年在俄亥俄州的格林，從NASA的一個(gè)落下塔里發(fā)現(xiàn)了火焰球，在那里，一個(gè)火焰球的無重力壽命只有幾秒鐘。為了取得這樣的數(shù)據(jù)，他已經(jīng)等了差不多20年…
在隆內(nèi)的辦公室里，有這樣一個(gè)標(biāo)志：‘當(dāng)神要懲罰你的時(shí)候，他們會(huì)回應(yīng)你的祈禱�！@將要花費(fèi)我們好多年的時(shí)間來分析所有這些結(jié)果。
來源：精品學(xué)習(xí)網(wǎng)
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