Огонь в невесомости горит совсем не так, как на земле - ученые столкнулись со странным явлением. Как пламя горит в невесомости

Марина Позднякова

Многие из тех, кто смотрел культовый американский фильм «Звёздные войны», до сих пор помнят впечатляющие кадры со взрывами, языками пламени, летящими во все стороны горящими обломками… А может ли такая страшная сцена повториться в реальном космосе? В пространстве, полностью лишённом воздуха? Чтобы ответить на этот вопрос, попробуем разобраться для начала, как будет гореть обычная свечка на космической станции.

Что такое горение? Это химическая реакция окисления с выделением большого количества тепла и образованием раскалённых продуктов сгорания. Процесс горения может происходить только при наличии горючего вещества, кислорода и при условии, что продукты окисления будут отводиться из зоны горения.

Посмотрим, как устроена свечка и что именно в ней горит. Свечка - скрученный из хлопчатобумажных нитей фитиль, залитый воском, парафином или стеарином. Многие думают, что горит сам фитиль, но это не так. Горит как раз вещество вокруг фитиля, точнее, его пары. Фитиль же нужен для того, чтобы расплавившийся от тепла пламени воск (парафин, стеа-рин) поднимался по его капиллярам в зону горения.

Чтобы проверить это, можно провести небольшой эксперимент. Задуйте свечку и тут же поднесите горящую спичку в точку выше фитиля сантиметра на два-три, туда, где поднимаются вверх пары воска. От спички они вспыхнут, после чего огонь опустится на фитиль и свечка загорится снова (подробнее см. ).

Итак, горючее вещество есть. Кислорода в воздухе тоже вполне достаточно. А как быть с отводом продуктов сгорания? На земле с этим проблем нет. Воздух, нагретый теплом пламени свечи, становится менее плотным, чем окружающий его холодный, и поднимается вверх вместе с продуктами сгорания (они образуют язычок пламени). Если же продукты сгорания, а это углекислый газ CO 2 и пары воды, останутся в зоне реакции, горение быстро прекратится. Убедиться в этом легко: поставьте горящую свечку в высокий стакан - она погаснет.

А теперь подумаем, что же произойдёт со свечкой на космической станции, где все предметы находятся в состоянии невесомости. Разница в плотности горячего и холодного воздуха уже не будет вызывать естественную конвекцию, и через непродолжительное время в зоне горения не останется кислорода. Зато образуется избыток окиси углерода (угарного газа) CO. Однако ещё несколько минут свеча будет гореть, а пламя приобретёт форму шара, окружающего фитиль.

Не менее интересно узнать, какого цвета будет пламя свечи на космической станции. На земле в нём преобладает жёлтый оттенок, обусловленный свечением раскалённых частиц сажи. Обычно огонь горит при температуре 1227-1721 о С. В невесомости же было замечено, что по мере исчерпания горючего вещества начинается «холодное» горение при температуре 227-527 о С. В этих условиях смесь предельных углеводородов в составе воска выделяет водород Н 2 , который придаёт пламени голубоватый оттенок.

А зажигал ли кто-нибудь настоящие свечи в космосе? Оказывается, зажигали - на орбите. Впервые это было сделано в 1992 году в экспериментальном модуле космического корабля «Spece Shattle», затем в космическом корабле NASA «Колумбия», в 1996 году опыт повторили на станции «Мир». Конечно, этой работой занимались не из простого любопытства, а для того, чтобы понять, к каким последствиям может привести пожар на борту станции и как с ним бороться.

С октября 2008-го по май 2012 года подобные эксперименты проводились по проекту NASA на Международной космической станции. На этот раз космонавты исследовали горючие вещества в изолированной камере при разных давлениях и разном содержании кислорода. Тогда и было установлено «холодное» горение при низких температурах.

Напомним, что продукты сгорания на земле - это, как правило, углекислый газ и пары воды. В невесомости же, в условиях горения при низких температурах, выделяются высокотоксичные вещества, в основном угарный газ и формальдегид.

Исследователи продолжают изучать горение в невесомости. Возможно, результаты этих экспериментов лягут в основу разработки новых технологий, ведь почти всё, что делается для космоса, через некоторое время находит применение на земле.

Теперь мы понимаем, что режиссёр Джордж Лукас, снявший «Звёздные войны», всё-таки сильно ошибся, изображая апокалиптический взрыв космической станции. На самом деле взорвавшаяся станция будет выглядеть как короткая яркая вспышка. После неё останется огромный голубоватый шар, который очень быстро погаснет. А если вдруг на станции что-то загорится по-настоящему, нужно без промедления автоматически отключить искусственную циркуляцию воздуха. И тогда пожар не случится.

Воск - непрозрачная, жирная на ощупь, твёрдая масса, которая плавится при нагревании. Состоит из сложных эфиров жирных кислот растительного и животного происхождения.

Парафин - воскоподобная смесь насыщенных углеводородов.

Стеарин - воскоподобная смесь стеариновой и пальмитиновой кислот с примесью других насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.

Естественная конвекция - процесс теплопередачи, обусловленный циркуляцией воздушных масс при их неравномерном нагревании в поле тяготения. Когда нижние слои нагреваются, они становятся легче и поднимаются, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.

Эксперимент FLEX, проведенный на борту Международной космической станции, дал неожиданные результаты – открытое пламя повело себя совсем не так, как ожидали ученые.

Как любят говорить некоторые ученые, огонь – это древнейший и самый успешный химический эксперимент человечества. Действительно, огонь шел с человечеством всегда: от первых костров, на которых жарили мясо, до пламени ракетного двигателя, который доставил человека на Луну. По большому счету, огонь является символом и орудием прогресса нашей цивилизации.

Разница пламени на Земле (слева) и в условиях невесомости (справа) очевидна. Так или иначе, человечеству вновь придется осваивать огонь – на этот раз в космосе.

Доктор Форман А. Уильямс, (Forman A. Williams), профессор физики в Калифорнийском университете в Сан-Диего, давно работает над изучением пламени. Обычно огонь – это сложнейший процесс тысяч взаимосвязанных химических реакций. Например в пламени свечи углеводородные молекулы испаряются с фитиля, расщепляются под воздействием тепла и соединяются с кислородом, производя свет, тепло, CO2 и воду. Некоторые из углеводородных фрагментов в форме кольцеобразных молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами, образуют сажу, которая может также сгореть либо превратиться в дым. Знакомую каплевидную форму огоньку свечи придает гравитация и конвекция: горячий воздух поднимается вверх и затягивает в пламя свежий холодный воздух, благодаря чему пламя тянется вверх.

Но, оказывается, в невесомости все происходит иначе. В ходе эксперимента под названием FLEX, ученые изучали огонь на борту МКС, чтобы разработать технологии тушения пожаров в невесомости. Исследователи поджигали небольшие пузыри гептана внутри специальной камеры и смотрели, как ведет себя пламя.

Ученые столкнулись со странным явлением. В условиях микрогравитации, пламя горит по-другому оно образует маленькие шарики. Это явление было ожидаемым, поскольку в отличие от пламени на Земле, в невесомости кислород и топливо встречаются в тонком слое на поверхности сферы, Это простая схема, которая отличается от земного огня. Тем не менее, обнаружилась странность: ученые наблюдали продолжение горения огненных шариков даже после того, как по всем расчетам горение должно было прекратиться. При этом огонь перешел в так называемую холодную фазу – он горел очень слабо, настолько, что пламя невозможно было увидеть. Тем не менее, это было горение, и пламя могло мгновенно вспыхнуть с большой силой при контакте с топливом и кислородом.

Обычно видимый огонь горит при высокой температуре между 1227 и 1727 градусами Цельсия. Гептановые пузыри на МКС также ярко горели при этой температуре, но по мере исчерпания топлива и остывания, началось совсем другое горение - холодное. Оно проходит при относительно низкой температуре 227-527 градусов Цельсия и производят не сажу, CO2 и воду, а более токсичные моноксид углерода и формальдегид.

Похожие типы холодного пламени в лабораториях воспроизводились и на Земле, но в условиях гравитации сам по себе такой огонь неустойчив и всегда быстро затухает. На МКС, однако, холодное пламя может устойчиво гореть несколько минут. Это не очень приятное открытие, так как холодный огонь предоставляет собой повышенную опасность: он легче зажигается, в том числе самопроизвольно, его сложнее обнаружить и, к тому же, он выделяет больше токсичных веществ. С другой стороны, открытие может найти практическое применение, например в технологии HCCI, которая предполагает зажигание топлива в бензиновых моторах не от свечей, а от холодного пламени.

На околоземной орбите случился самый крупный в истории космонавтики пожар. Возгорание началось в грузовом корабле Cygnus, который накануне отстыковался от Международной космической станции. Пожар, правда, этот - учебный, а точнее - экспериментальный, а провести его ученые задумали давно, установка для этого эксперимента была запущена вместе с кораблем еще в марте этого года.

Источником огня стала раскаленная проволока, которая подожгла большой кусок материи из хлопка и стекловолокна размером 1 м на 40 см. Горящая тряпка не опасна - она горела в специальном двухкамерном контейнере. Одна камера содержала материалы, которые, собственно, и должны были гореть, во второй находилась аппаратура для контроля и слежения за рукотворным пожаром - различные датчики и камеры высокого разрешения.

Необычный эксперимент ставился для того, чтобы лучше понять механизмы распространения огня в условиях невесомости. Это поможет защитить будущих астронавтов во время длительных космических командировок, поскольку угроза возникновения открытого огня - один из главных рисков пребывания астронавтов в космических кораблях.

Самым известным пожаром в истории пилотируемой космонавтики стало возгорание, которое случилось на борту станции "Мир" 23 февраля 1997 года. Пожар возник в результате неисправности кислородной шашки регенерации атмосферы, когда на борту находился международный экипаж из шести человек.

Тогда возгорание удалось ликвидировать, а членам экипажа пришлось надеть противогазы.

"Огонь в отсеке вызывает серьезную озабоченность в NASA", - пояснил руководитель эксперимента Гарри Рафф.

Эксперимент Spacecraft fire Experiment, или Saffire-1, станет крупнейшим пожаром в космосе, однако далеко не первым. В прошлых опытах ученые также экспериментировали с открытым горением, но тогда размеры открытого пламени не превышали размеров пластиковой карточки.

Понять и экспериментально выяснить, как происходит открытое горение в невесомости, ученые пытаются не одно десятилетие. За последние годы на орбите было проведено множество экспериментов по изучению формы и температуры пламени при горении разных веществ.

Однако проведению масштабных экспериментов в условиях МКС мешает наличие экипажа, поэтому в NASA пришли к идее учинить пожар в отстыкованном изолированном корабле.

Сам эксперимент продлится примерно два часа, в это время ученые будут наблюдать за ростом пламени, ростом температуры и тем, как ограниченность кислорода в окружающем воздухе влияет на распространение огня. Поджог повторится два раза - при разных скоростях воздуха, пропускаемого через горящий материал.

Сначала ткань собирались поджечь с одной стороны, затем с другого края, чтобы огонь шел против направления движения воздуха. "Эксперимент Saffire нужен для лучшего понимания того, как огонь ведет себя в космосе, что поможет NASA разработать новые материалы, технологии и процедуры для уменьшения риска жизни экипажа и безопасности космических полетов", - добавил Рафф. По предварительным данным, эксперимент удался, видеокадры с устроенным пожаром в NASA обещают вскоре обнародовать.

После управляемого пожара инженеры NASA не хотят останавливаться и продолжат жечь.

Два аналогичных эксперимента будут проведены до конца года в рамках миссий OA-5 и OA-7. В ходе этих экспериментов поджигаться будут материалы, обычно используемые в космосе, - плексиглас для иллюминаторов, одежда астронавтов и другие. А корабль Cygnus, на котором прошел сегодняшний пожар, 22 июня сойдет с орбиты и сгорит в атмосфере.