事关载人飞船、空间站火灾，中科大胡隆华教授研究获奖

作者 魏半城 航天从业者

10月19日，新基石科学基金会公布2024年“科学探索奖”获奖名单，中国科学技术大学胡隆华教授位列其中。

根据基金会公布的信息，胡隆华教授获奖与其在“空间特殊不同重力环境火灾科学方向”的研究相关。

胡隆华教授是国内研究“燃烧”的专家，主要研究火灾的物理和化学过程，涉及了相当多的具体领域，比如建筑物火灾、交通工具火灾、地铁火灾等等，根据我们的了解，胡教授从2019年开始，就担任载人航天工程空间科学与应用领域微重力燃烧科学专家组专家，其工作主页上，排在第一位的研究方向就是微重力、水喷淋等极端条件下燃烧与烟流行为。

大家应该会很好奇，地球上很少有机会发生微重力火灾，为什么要做这样看上去“很小众”方向的研究？这与过去数十年我们在航天领域的发展密切相关，事关中国人对“星辰大海”的探索，是中国航天不断走向深空探索的关键之举。

01 太空中哪来的火？

熟悉中国航天的人应该记得一个场景——神舟七号任务期间，刘伯明和翟志刚两位航天员轨道舱里穿好航天服，舱门已经打开，正准备出舱时，火灾报警器忽然激活了，翟志刚当时就说，“太空里哪来的火？”后续的调查显示，火灾报警是由于敏感头被阳光直射，超过了报警门限。

要知道，飞船舱门打开后，轨道舱内空间和宇宙联通，空气早就泄露一空，并不具备起火的条件。那么，为什么我们还需要关注宇宙中的“火灾”？

载人航天相关联的火灾事故可以追溯到近60年前。1967年，阿波罗一号在地面试验期间发生火灾，就导致三位航天员丧生。这次事故虽然发生在地面上，但也为人们提供了警醒——载人航天器在设计的时候，必须充分考虑火灾因素。

阿波罗1号火灾现场

时至今日的60多年里，载人航天领域没有再出现过在轨失火的情况，可以认为是航天器设计上的一个成功。但是，随着载人航天向民用市场的不断拓展，包括马斯克、贝索斯旗下的公司都在尝试相关业务。

国外有人在预测，国际空间站商业化之后，网红们甚至可以租用一个隔舱，开展直播和带货业务。这些太空游客们虽然都要经过相关的安全训练才能升空，但越是不专业的访客，就越容易带来意外事件。

人类生存，必须要有氧气，空间站也必须有一定的氧气浓度，而有氧气就存在起火的风险。即使尽量采用不容易起火的材料，以及各种所谓的自熄材料，也不能完全杜绝火灾风险——比如用来印刷手册的纸张，构成舱壁的铝材，本身也是有燃烧风险的。

“太空游客”们，如何能做到像训练有素的航天员一样，规避航天器失火的风险，是一项巨大的挑战，要想预防空间站的火灾，首先就要了解可能发生火灾的模式，这就是微重力环境下火灾研究的意义之一。

02 走向星辰大海的关键

地面和太空的蜡烛火焰区别

人类一般生活在有重力、有大气的环境里，在微重力环境下的火焰会如何变化，仅仅通过理论计算，未必能得到正确的结果。

为了检验理论，科学家们采用了地面微重力试验方法，把实验装置从高塔上抛下来，在短暂的失重过程中对有关物理过程进行研究。胡教授等人也通过这种方式进行过试验，但是微重力塔能提供的失重时间有限，最好的办法还是把试验搬到天上去。

拍摄于1966年的刘易斯研究中心的零重力设施，实验中，塔楼下降了460 英尺，让科学家在零重力状态下待了5.18秒

为什么在现在这个节点要重点做这项研究呢？取决于中国载人航天的进展。

随着中国空间站的建成，在航天火灾防治问题上，工作重点已经不再是建造试验阶段，而是在轨运行阶段，要确保驻站航天员的安全。另外，航天推进剂正在从传统的高排放类物质，转向碳排放更小的环保推进剂。原本行之有效的燃烧模型和火灾防治方式，可能已经不再使用。材料什么时候会开始起火，火焰如何发展，很难在有重力的地面环境下进行实验验证。

其实，载人航天活动还不曾开始，微重力燃烧研究的学科就起步了。

1956年，日本当时的航天领域连个火箭影子都没有，东京大学就在用自由落体设施进行试验，微重力燃烧过程只有1秒。此后，美国开展了失重飞机和失重塔的微重力燃烧试验，对象是蜡烛和固体材料燃烧。

1974年，美国第一次将燃烧实验室搬上太空，人类真的开始在太空里点火了，著名的“天空实验室”空间站上，开展了固体材料可燃性和灭火研究。2011年，液滴冷焰燃烧现象被评为国际空间站微重力科学十大发现之一。

如今的微重力燃烧，已经细分成为了预混气体燃烧、气体扩散燃烧、单液滴、液滴阵列、液滴群、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播、多孔材料闷烧等很多细分领域，各个领域的基础研究各有成果，重点还是固体物质的燃烧与防火。这些研究的主要贡献，是制定出了一大批航天防火安全的标准，包括俄罗斯国家标准委员会制定的《宇航员在载人航天器中的生存环境》，NASA的《火灾防护》等。

中国同样开展了这个领域的研究，北京知春路的地标之一——中科院空间中心微重力落塔，，就开展过微重力燃烧试验。中国还先后利用“实践八号”、“实践十号”卫星进行了空间微重力燃烧试验，推动了航天器材料可燃性评价和材料选用的首部国家标准的制定，也就是《空间实验设备使用材料的可燃性第1部分：要求》（GB/T 28876.1 —2012）。

2022年10月梦天实验舱升空，将中国的燃烧科学实验柜和燃烧科学实验装置带入轨道，给微重力燃烧学科的中国声音提供了坚实保障。这些燃烧实验的主要目的，是探索航天材料失火的可能性。其中包括，一旦起火，火焰会如何发展和蔓延；燃烧产生的颗粒物，也就是烟尘，在微重力环境下会如何运动。

*中国空间站的燃烧演示

通过上述研究，不但能够选取更好的防火材料，也可以为防火设计、扑救方式，提供更好的理论支撑。

从航天探索的角度来看，空间站只是人类迈向宇宙的一个台阶，我们将经过空间站，走向月球、火星，乃至更远的深空。在那些没有地球大气的地方，人们必然要生活在相对封闭的空间里。

也正因为如此，太空火灾研究已经开始突破地球轨道上的微重力环境，开始迈向月球、火星之类的较低重力环境。

在不远的将来，人类如果在外星球建立基地并且长期生存，火是无法规避的，这不仅仅要考虑意外失火，还需要考虑生产过程中的高温加工，如果必须使用高温，就一定要有办法应对火灾风险。

假使火灾发生，低重力的外星球是无法做到和地球上发生火灾一样快速、全面疏散建筑内人员的，单纯穿上舱外航天服的过程，就大大耽误了逃生时间。

*中国空间站现有消防流程

航天器的火灾应对上，中国航天已经有了非常标准化的流程探索。根据中国空间技术研究院载人总体部的专家论文，我国的载人航天器目前主要采用手动灭火系统，航天员要佩戴防毒面具后立即切断风机，然后采用灭火器、灭火湿巾等设备扑灭火灾，这也是航天员训练中的一个重要内容。

未来的空间站或者外星基地，还可以考虑把现在人类执行的灭火过程，用机器人来替代，利用跨学科的技术能力，应对空间探索中的火灾意外风险。

相对于上述被动应对方案，微重力燃烧更像是一个主动前置的理论研究，通过对材料、设备、环境划定标准，最大限度的防止当前的航天器，以及未来太空基地火灾险情的发生。