Огромные огненные шары: как пламя ведет себя в космосе

Учитывая, что это один из старейших инструментов человечества, можно предположить, что мы знаем об огне все, что нужно. И конечно, мы знаем многое: когда горячий воздух у основания пламени поднимается, сила тяжести притягивает на его место более холодный и плотный воздух. Именно этот круговорот воздуха обеспечивает свежий кислород и придает пламени характерную каплевидную форму.

Но в условиях микрогравитации, подобной той, которую испытывают астронавты на орбите, все ставки невозможны. Здесь горячий воздух все еще расширяется наружу, но не движется вверх, потому что нет «вверх». Вместо этого пожары в космосе подпитываются только случайными молекулами кислорода, которые случайно натыкаются на них.

Это процесс, называемый молекулярной диффузией, и он производит сферическое пламя, которое во многом отличается от своего земного аналога. Они не только горят гораздо медленнее и в течение более длительных периодов времени, но также выживают при меньшем количестве кислорода и работают при температуре менее 900 градусов по Фаренгейту — часть тепла, выделяемого большинством земных огней.

И все же ученые еще многого не понимают в том, как огонь действует в условиях микрогравитации. Являются ли некоторые материалы более горючими, чем другие? Как лучше всего потушить неконтролируемое пламя?

Эти вопросы имеют решающее значение для безопасности астронавтов, уже живущих и работающих на Международной космической станции (МКС), и будут становиться все более важными по мере того, как люди готовятся к более длительным космическим полетам. К счастью, этим делом занимаются ученые НАСА.

Чтобы внести ясность, угроза не является просто гипотетической. Например, в 1997 году на борту российской космической станции «Мир» произошел пожар; он возник в кислородном генераторе, наполнив модули станции токсичным дымом и отрезав доступ к спасательной машине на несколько минут ее существования.

Одна из причин, по которой пожары настолько опасны в космосе, — это его непредсказуемость. В отличие от земли, где сила тяжести поднимает пламя вверх, пламя в условиях микрогравитации может распространяться в любом направлении. То же самое касается дыма, что значительно затрудняет размещение детекторов дыма на космической станции (обычно на потолке в большинстве зданий).

Хотя экипаж «Мира» быстро потушил блуждающее пламя огнетушителем, не допуская его роста, огнетушители, использующие газы для тушения пламени, менее эффективны в космосе, чем на Земле. Во-первых, аппарат может буквально раздувать пламя огня, направляя к нему воздух — и, следовательно, кислород.

В конце концов, пламя погасло само собой только тогда, когда опустошился кислородный генератор. В течение следующих нескольких часов системы жизнеобеспечения станции очистили атмосферу «Мира» от дыма, и экипаж избежал инцидента без существенного ущерба ни себе, ни конструкции станции.

Итак, мы установили, что заполнение этих пробелов в наших знаниях о поведении огня явно важно. Итак, как именно ученые это делают?

Что ж, в 2008 году НАСА создало свою интегрированную стойку сгорания (CIR) и отправило ее на МКС. Его оборудование, используемое для безопасного управления контролируемым горением в условиях микрогравитации, включает в себя камеру сгорания объемом 26 галлонов и пять различных камер, которые нашли хорошее применение в тысячах испытаний за последние 15 лет.

Многие из этих испытаний были частью эксперимента по пожаротушению, или FLEX, который начался примерно год спустя. Как следует из названия, они были сосредоточены на тушении пожаров в космосе и, в конечном итоге, на совершенствовании систем пожаротушения на будущих космических кораблях. С помощью CIR исследователи на борту МКС будут поджигать крошечные капли гептана или метанола и фиксировать результаты.

Дэниел Дитрих, ученый из Исследовательского центра Гленна НАСА, сообщил администрации, что «одно из крупнейших открытий не только в программе микрогравитации, но, вероятно, за последние 20–30 лет исследований горения было сделано во время экспериментов FLEX на космическая станция».

Открытие, о котором идет речь? После тушения некоторых видов жидкого топлива в космосе они самопроизвольно воспламеняются. В этих случаях последующее пламя, называемое «холодным пламенем», горит при более низких температурах и невидимо невооруженным глазом.