九天揽月须防火  -- 说说航天的消防

 

最近神九上天，大家的关注点都是航天安全了，笔者从未研究过航天消防，但是看过几篇关于航天消防的文章，这里随便聊一聊。

说起外太空飞行的微重力火灾，这是一个非常冷门而已投入很大金钱的领域，至少有一本微重力燃烧的专著产生，背后的科研经费可以是数以亿计的。为什么要关注微重力火灾？因为硬件投资大，谁也不希望在遥远的太空来一场悲剧（到目前为止，太空尚无重大灾情，但发生过被扑灭的火灾），所以从硬件成本和投入保险来考量，有科研的必要。

微重力火灾的关键是，没有重力场，所以没有明显的羽流。平常我们的报警器都是放置在天花板，因为天花板收集羽流，所以不管哪里的火灾，都会往天花板输送烟气，于是报警位置毫无争议。太空站的微重力环境就不同了，没有羽流，烟气不往上跑，看不见，摸不着的火灾产物，是最可怕的。对此的报警手段，可以通过分析气流样本来实现，人工抽气，制造气流汇集装置，时刻分析空气中的气体和粒子浓度，是火检的常见选择。

微重力火灾的另一大困境是，经常是纯氧的环境，火焰温度高。平常我们的燃烧都是在空气中进行，氮气不参与放热反应，却吸热，有很大的惰性贡献，所以燃烧速度还是被惰性化并降低的结果。如果没有氮气，纯氧的环境中，火焰的温度极高，燃烧反应快，问题就来了。1969 年阿波罗一号在起飞前的常规测试中，发生火灾，仅17秒钟，大火就瘫痪了指令舱，造成三名宇航员丧生。

对付纯氧环境异常火灾风险的办法，是减压处理。自从阿波罗1号火灾之后，美国要求在起飞的阶段的指令舱是使用60%的氧气和40%的氮气，并减压运行，气压只有正常的1/3，这样高浓度氧气的分压力，相当于大气中氧气浓度为21%的分压力，风险就降低了。起飞过程中，宇航员在全套密封的宇航服内呼吸的是纯氧，防止减压病（又叫潜水病，就是血液中的氮气在减压时往外冒的问题，轻则昏迷致残，重就是悲剧了）。等指令舱进入外太空（真空环境）之后，开始用纯氧替换指令舱的混合气体，并升压。大概是起飞过程最危险，如果飞船进入轨道，所有的点火源都可以控制了，就可以放心使用纯氧环境了。1968年，苏联宇航员在地面模拟中发生纯氧环境的重大火灾事故，被高度保密，所以美国宇航员重复了这一灾难。现在这已经是基本常识了，大概不会有相同的事故产生了。国内消防领域的相同事故比比皆是，而航天领域的事故却从来没有重复，奇怪么？

关于太空站的灭火器的选择，据我看到的文献，是以二氧化碳为主，也在测试使用细水雾的可能性，但其他选择都不合适。最大的问题是，太空中没有重力场，也就没有上下的观念，较少羽流带来的混合，所以灭火剂与环境气体的混合不如地面混合那么方便，如果发生不均匀混合，就有可能灭不了火。为什么不用氮气呢？为了维持内部的高压，氮气瓶太厚了（太重了），所以上天的成本太高，另外氮气对于宇航员的呼吸不利。 那为什么不洒水呢？电子设备怕水。

那么，航天产品有什么要求呢？尽可能地阻燃，把衡量可燃性的LOI（维持燃烧的最低氧量指数，越大越安全）尽可能提高。 没有绝对值，因为燃料就是燃料，在合适的条件下，还是会放出能量的。比如你用火柴点不着煤炭，并不能代表煤炭不能燃烧，只不过点燃的条件没有满足而已。所以，太空用品的阻燃性，是相对的，并不是绝对不可燃，所以危险依然存在。没有绝对的阻燃，尤其在纯氧的环境中，钢铁也能当柴烧，这是反应温度带来的效果。

那么，为什么太空灭火不用打开舱门，直接排放氧气的方法来灭火呢？不错，没有空气的真空，任何火灾都是无法维持的。不过，这是不到万不得已不使用的最后防线，有可能让宇航员再也回不了地球，所以尽可能不动用这一绝招。

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自麻庭光科学网博客。
链接地址：https://m.sciencenet.cn/blog-302992-583563.html

上一篇：当理论遭遇经验 -- 麦秆危机中的消防原理
下一篇：轻烟飘处藏玉颜 -- 说说失火过程的受热原理