综述：在浮力/重力减小的情况下，火焰会在固体材料上蔓延

《Progress in Energy and Combustion Science》：Flame spread over solid materials under reduced buoyancy/gravity

本文系统综述了微重力与部分重力环境下固体材料火焰蔓延与熄灭的研究进展，整合地面模拟方法（如低压环境、窄通道装置、驻点扩散火焰）与太空实验数据，揭示了低浮力条件下辐射热损失与抑制自然对流对三维火焰结构形成的关键作用，并对比了不同模拟方法的相似性规律与局限性，为载人航天器及外星基地防火安全提供理论支撑。

　　在人类探索太空的进程中，火灾风险始终是一个不可忽视的挑战。随着航天技术的发展，航天器和未来可能建立的月球与火星基地等太空环境，正面临日益复杂的火灾安全隐患。这些环境的特点是低重力甚至部分重力条件，这使得传统的地面燃烧研究方法难以准确反映太空中的燃烧行为。因此，深入研究固体材料在低重力和部分重力条件下的燃烧特性，对于提升航天器火灾安全性和推动基础燃烧科学的发展具有重要意义。

在地球上，燃烧过程受到重力的显著影响，主要体现在自然对流的强烈作用上。自然对流会加速热量和物质的传输，影响火焰的传播和熄灭过程。而在低重力环境中，由于对流作用的减弱，燃烧行为呈现出截然不同的特征。例如，火焰结构可能从二维形态转变为三维形态，火焰传播速度受到抑制，而辐射传热则变得更加重要。此外，低重力条件下，火焰的传播速度通常比在地球表面更慢，这主要是因为重力的减少降低了燃料和氧化剂之间的混合效率，同时限制了火焰的扩张能力。

航天器内部的环境控制与生命支持系统（ECLSS）是确保宇航员安全的关键，但这些系统本身也增加了火灾风险。ECLSS包含多个复杂的子系统，如气体供应、压力调节、气体净化、循环系统等，这些系统中大量使用了非金属固体材料。这些材料在燃烧时会产生大量的热量、有毒气体和烟雾，对航天器内部环境造成严重威胁。一旦发生火灾，由于航天器的封闭性和有限空间，热量反馈效应会导致燃烧过程迅速加剧，使火灾更难控制，甚至可能危及生命安全。

历史上，人类航天探索过程中已经发生过多次严重的火灾事故。例如，1967年的阿波罗1号火灾导致三名宇航员丧生，事故的主要原因是航天器内部的高氧浓度环境和燃烧材料的易燃性。此后，NASA和其他航天机构在航天器设计中更加重视火灾安全，采取了多种措施来降低火灾风险，如使用阻燃材料、优化氧气浓度、增强灭火系统等。然而，即便如此，火灾仍然是航天器和太空基地设计中的关键问题之一。

在低重力环境中，火焰的传播和熄灭机制与地面环境存在显著差异。首先，低重力条件下，由于自然对流的抑制，火焰的传播速度变慢，火焰结构变得更加复杂。其次，火焰的传播过程可能受到更多非对流因素的影响，如分子扩散、电荷力、热泳力和热毛细力等。这些因素在地面环境中通常被重力所掩盖，但在低重力条件下则变得尤为重要。此外，低重力环境下的燃烧过程具有更长的时间尺度和更大的长度尺度，这意味着火焰的形成、传播和熄灭需要更长时间，且更难预测。

为了研究低重力条件下的燃烧行为，科学家们开发了多种实验平台，包括自由落体塔、抛物线飞行、探空火箭、航天飞机、卫星和空间站等。这些平台能够提供不同时间长度和重力水平的微重力环境，为燃烧研究提供了宝贵的数据。然而，这些平台的使用也存在一定的限制，如实验时间较短、成本高昂、实验条件难以完全复制真实低重力环境等。因此，研究者们也在探索地面模拟方法，以在不依赖航天器的情况下研究低重力燃烧现象。

地面模拟方法主要包括低压力环境、狭窄通道装置（NCA）和停滞点低拉伸扩散火焰等。在低压力环境下，气体密度降低，从而有效抑制自然对流，使得燃烧行为更接近于低重力条件。狭窄通道装置则通过限制实验空间，人工控制流体的浮力发展，从而模拟低重力环境下的燃烧过程。停滞点低拉伸扩散火焰是一种基于大曲率半径固体燃料的燃烧模型，能够从微观角度研究火焰传播和熄灭机制。这些方法虽然在一定程度上能够模拟低重力燃烧，但仍存在一定的局限性，例如无法完全再现真实低重力环境的复杂性，以及在模拟过程中可能引入新的不确定因素。

近年来，随着航天任务的多样化和复杂化，对低重力燃烧研究的需求也日益增加。特别是在月球和火星任务中，未来的太空基地将需要在部分重力条件下运行，因此研究这些环境下的燃烧特性显得尤为重要。此外，随着航天器体积和载荷的增加，对燃烧过程的控制和预测能力也需要进一步提升。这促使科学家们不断探索新的实验方法和技术，以更准确地模拟低重力燃烧行为，并为航天器火灾安全提供科学依据。

在低重力条件下，火焰的传播和熄灭机制涉及多个复杂的物理和化学过程。例如，火焰传播过程中，燃料的蒸发、氧化剂的扩散、热量的传递以及流体的流动都会受到重力的影响。而在低重力环境中，这些过程的相互作用变得更加微妙，使得火焰的传播路径和速度难以预测。此外，火焰的熄灭机制也可能发生变化，例如在低重力条件下，火焰可能更容易受到辐射传热的影响，从而在特定条件下发生熄灭。

为了更深入地理解这些现象，研究者们进行了大量的实验和理论分析。他们不仅研究了低重力环境下的实际燃烧过程，还通过地面模拟方法探讨了火焰传播和熄灭的机制。这些研究揭示了低重力条件下火焰传播速度的变化、火焰结构的演变以及火焰熄灭条件的差异。同时，研究者们也发现，尽管地面模拟方法能够提供一定的实验数据，但它们在某些方面仍然无法完全再现低重力环境的复杂性，例如无法完全模拟流体的流动模式、火焰的三维结构以及燃烧过程中可能发生的非线性效应。

因此，未来的燃烧研究需要在实验方法和技术上进行更多创新，以更好地模拟低重力环境下的燃烧行为。这包括开发更精确的地面模拟装置、优化实验条件以提高数据的可靠性，以及结合先进的计算模型来预测和分析火焰传播和熄灭过程。此外，研究者们还需要进一步探讨燃烧过程中的不确定性因素，如燃料-氧化剂混合效率、化学反应动力学和滴落流等，这些因素在低重力条件下可能变得更加重要。

总之，低重力环境下的燃烧研究是航天安全领域的重要课题。通过不断探索新的实验方法和技术，科学家们希望能够更准确地理解火焰传播和熄灭的机制，从而为未来的航天任务提供更加可靠的安全保障。这不仅有助于提高航天器火灾安全性能，也推动了基础燃烧科学的发展，为人类探索太空提供了坚实的理论和技术支持。