100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как пламя горит в невесомости?

Как зажигали в космосе

Вечером 11 июня планово сошел с орбиты и сгорел в атмосфере грузовой корабль Cygnus OA-7 «Джон Гленн». После отстыковки от МКС он провел неделю в свободном полете, запустил четыре кубсата и устроил пожар на борту. Точнее, это был эксперимент SAFFIRE-III — Spacecraft Fire Experiment (Эксперимент «огонь на корабле»). Третий по счету эксперимент был последним в серии и является отличным поводом поговорить об опытах с пламенем в невесомости.


Фотография Everyday Astronaut/Tim Dodd

Пожар на свалке

Главная задача серии экспериментов SAFFIRE — сбор данных для создания компьютерных моделей распространения пламени по материалам, используемым на космических кораблях. Это позволит серьезно уменьшить опасность пожаров на кораблях будущего. На МКС по соображениям безопасности нельзя проводить большие эксперименты с горением, поэтому SAFFIRE зажигали в заполненном мусором грузовом корабле, который и так должен был скоро прекратить свое существование. Конструктивно SAFFIRE представляет из себя большой ящик, в котором в потоке воздуха от вентиляторов поджигаются образцы.


Внешний вид SAFFIRE, фото NASA


Схема эксперимента, рисунок NASA

В июне 2016, во время первого эксперимента серии, SAFFIRE-I, подожгли отрез ткани из смеси хлопка и стеклопластика размером 0,4х1 метр. Чтобы было понятно, насколько это много, предыдущий рекорд составлял 10 см. Для того, чтобы посмотреть на поведение огня в различных условиях, вентиляторы в процессе эксперимента меняли направление движения воздуха. А выглядело горение так:

В ноябре 2016, во втором эксперименте серии, SAFFIRE-II, сожгли девять небольших «карточек» из различных материалов, чтобы определить степень их огнестойкости и влияние толщины материала на распространение огня. На видео ниже показано горение оргстекла, из которого собираются делать иллюминаторы космических кораблей и термостойкого материала Nomex, использующегося и в земной спецодежде.

Ну и, наконец, в третьем эксперименте, прошедшем в начале июня, сожгли такое же полотно ткани, что и в первом, но при другой скорости воздушного потока. После первого эксперимента данные были введены в компьютерную модель, получены определенные результаты, и в третьем эксперименте проверялась предсказательная способность этой модели. Если скорость горения такого же материала при другой интенсивности обдува совпала с предсказанной компьютером, значит модель построили правильно.

В целом же было обнаружено, что пламя распространяется медленнее, чем ожидалось. Оценка скорости пламени по маленьким образцам, которые сжигались в других экспериментах раньше, оказалась завышенной в три раза. И это не является однозначно хорошим открытием — такое медленное пламя может производить меньше дыма, из-за чего пожар могут обнаружить и начать устранять позже.

Почему образцы сжигались в условиях обдува воздухом? Дело в том, что в пилотируемых кораблях обязательно работают вентиляторы, чтобы в воздухе, который не перемешивается в невесомости из-за отсутствия конвекции, не возникли потенциально опасные для человека локальные концентрации углекислого газа.

Программа SAFFIRE не закончена, в процессе разработки находятся эксперименты IV-VI.

Порежь басы с пряностями

Несмотря на серьезные ограничения безопасности, на МКС хватает того, что можно зажечь с одобрения ЦУПа. Для того, чтобы ситуация не вышла из под контроля, на станцию еще в 2002 году привезли специальную перчаточную камеру MSG — Microgravity Science Glovebox.


Наземный аналог для тренировки, фото ЕКА

В MSG есть немаленький изолированный объем, который используют для безопасной работы с жидкостями, опасными веществами и огнем. При необходимости в камере можно даже создать пониженное давление, чтобы в случае аварийной разгерметизации содержимое не стало разлетаться. И в ней проводятся несколько экспериментов, связанных с огнем.

Читайте так же:
Как делают российское вино Абрау-Дюрсо

BASS — The Burning and Suppression of Solids («Горение и тушение твердых тел») занимается вопросами горения различных материалов. Исследуются плоские образцы 10 см х 1 или 2 см, стержни и части сферы. Именно в этом эксперименте жгли оргстекло и хлопок со стеклопластиком, данные по горению которых уточняет SAFFIRE. Удается получить не только интересную информацию о поведении горящих материалов в невесомости, но и просто восхитительные фотографии:


Здесь и далее фото NASA

SPICE — Smoke Point in Coflow Experiment («Эксперимент максимальной высоты некоптящего пламени в спутной струе») исследует момент, когда газовое пламя начинает образовывать сажу. Это должно быть полезным для изучения распространения огня и механизмов образования сажи при горении материалов в невесомости. Развитием SPICE является эксперимент SLICE.

Эксперименты SAME и SAME-R изучают распространение дыма и проверяют работу датчиков дыма.

В целом за несколько лет количество проведенных экспериментов исчисляется сотнями.

Медуза из пламени


Оборудование эксперимента FLEX

Отдельная установка была доставлена на МКС для эксперимента FLEX — FLame Extinguishment Experiment (Эксперимент «Тушение огня»). Он изучает горение жидкого топлива в условиях различного атмосферного давления и с возможным присутствием в воздухе углекислоты или гелия. Именно в этом эксперименте были получены своеобразные «огненные медузы», которые по принципу функционирования скорее всего близки к пульсирующему воздушно-реактивному двигателю.

Наглядная схема работы установки и «медуза».

Также интересно отметить, что в некоторых случаях во время эксперимента появлялось холодное пламя. Обычное пламя при горении углеводородов производит сажу, диоксид углерода и воду. В холодном же пламени образуются угарный газ и формальдегид. Теоретически, полученные знания о холодном пламени могут помочь создать в будущем более эффективные двигатели внутреннего сгорания.

Свечи перед пультом


Справа — свеча, горящая в земных условиях

По данным энциклопедии «Мировая пилотируемая космонавтика» первую свечу в невесомости попробовали зажечь в 1992 году в миссии шаттла STS-50. Свеча загорелась, но из-за отсутствия конвекции пламя получилось круглым и другого цвета. Примерно 80 свечей сожгли на станции «Мир». Без притока воздуха из-за конвекции пламя может получать кислород только благодаря диффузии и обычно гаснет достаточно быстро из-за обеднения кислородом воздуха в непосредственной близости. Но, по некоторым источникам, рекорд длительности горения составил 45 минут вместо 10 в земных условиях.

Пламя получалось настолько бледным, что 35-мм камере пришлось делать фотографии вместо видео. Хорошо, что фото- и видеотехника с тех пор сильно шагнули вперед.

Секс, НЛО и пиромания

Про миссию шаттла STS-75 я рассказывал уже три раза. Им «повезло» еще за много лет до старта — в фейке про якобы эксперименты с сексом в космосе был именно их номер. Именно они запускали «спутник на веревочке», и кадры съемок этого спутника были приняты за НЛО. И один из экспериментов с пламенем в невесомости был проведен как раз в этом полете. Член экипажа Джеффри Хоффман пошутил:

В распоряжении экипажа была небольшая перчаточная камера, в которой зажгли обычную свечку для праздничного торта и сожгли несколько бумажных образцов. На послеполетной пресс-конференции об экспериментах с пламенем начинают рассказывать с 8:17. Любопытно, что, когда поток воздуха шел справа налево, кусок бумаги вправо горел быстрее, чем влево, что противоречит земному опыту. На 11 минуте очень красиво выглядят расходящиеся участки тления бумаги, один из астронавтов даже пошутил «не позволяйте этому вырваться из клетки».

Читайте так же:
Будущее пришло — технологии, ставшие реальностью

В боевых условиях

Единственный настоящий пожар в невесомости произошел 23 февраля 1997 года на станции «Мир» — загорелась шашка регенерации кислорода.


Шашки регенерации, фото NASA


Обгоревшая шашка

Огонь горел примерно 90 секунд, не нанес критических повреждений, но большие проблемы доставило задымление — не было понятно, насколько безопасно находиться на станции. Космонавты сначала надели изолирующие противогазы, но у них был ограничен ресурс, и вскоре пришлось рискнуть и снова начать дышать воздухом станции. Уже потом на земле сожгли десятки шашек из этой партии, но не смогли повторить проблему, похоже, к пожару привел единичный дефект.

Как пламя горит в невесомости?

Как пламя горит в невесомости?

Космос

Многие естественные процессы в состоянии невесомости происходят совсем иначе. Одним из них является горение. В условиях отсутствия гравитации меняется поведение огня. Как и почему так происходит, стоит разобраться.

Как происходит горение в условиях гравитации?

Горение представляет собой химическую реакцию, во время которой происходит окисление, выделяется большое количество тепла, а также возникают продукты сгорания. Чтобы эта реакция состоялась, необходимо выполнение нескольких условий. Огню требуется кислород, горючее вещество, а также возможность отвода продуктов окисления из зоны возгорания.

Чтобы понять, как происходит данный процесс в привычных условиях, можно рассмотреть горение на примере свечи. Это поможет в дальнейшем сравнить пламя в невесомости.

Горение свечи на Земле

Горение свечи на Земле

Итак, свечка состоит из хлопчатобумажного фитиля, а также воска, парафина или стеарина. Считается, что пламя образуется за счет возгорания фитиля, но на самом деле это не так. Горят непосредственно пары вещества, окружающие этот фитиль. Сама же нить требуется для того, чтобы направить горючее вещество вверх – в зону горения.

Таким образом, соблюдаются все условия: кислород есть в воздухе, горючее вещество (воск) имеется, продукты сгорания (углекислый газ и водяной пар) выводятся из зоны. Последний процесс объясняется тем, что нагретый и от этого менее плотный воздух поднимается вверх, выше холодного, а заодно уносит с собой и продукты сгорания. Если, к примеру, поместить свечу в высокую емкость, то она перестанет гореть – воздух будет везде одинаково нагреваться.

Горение в невесомости

Наличие гравитации способствует образованию конвекционных потоков – разницы между теплым и холодным воздухом. Раскаленные частицы сажи, поднимаясь вверх, излучают свечение. Поэтому пламя имеет такую вытянутую форму и его можно рассмотреть.

В невесомости подобные конвекционные потоки не возникают. Так как частицы сажи не поднимаются вверх, пламя свечи имеет форму сферы. Спустя короткое время кислород в зоне горения свечи закончится. Вместо этого образуется большое количество угарного газа – окиси углерода. Горение пламени будет продолжаться в течение нескольких минут.

Горение свечи в невесомости

Горение свечи в невесомости

Также вызывает интерес изменение цвета пламени. В условиях действия гравитации свеча горит преимущественно желтым цветом за счет раскаленной сажи. При этом температура горения составляет 1227 – 1721 градусов Цельсия.

А в невесомости огню не хватает кислорода, поэтому наблюдается так называемое «холодное» горение, температура которого равна 227 – 527 градусов Цельсия. Сажа образуется в малом количестве, поскольку для этого требуется не меньше 1000 градусов. При этом выделяется водород, за счет которого пламя обретает голубой оттенок.

Изучение поведения пламени в невесомости имеет огромное значение для космонавтики. Ученые и исследователи проводят различные опыты с этой целью. Они помогают повысить уровень безопасности космических аппаратов и космонавтов.

Читайте так же:
Почему при сжигании дров образуется зола или угли?

Например, на борту Международной космической станции в специальном отсеке проводятся опыты. Исследователи поджигают небольшие капли топлива и наблюдают за их поведением. Горение продолжается около 20 секунд. Топливный шарик окружает огненная сфера диаметром 2-4 мм.

Примечательно, что когда заканчивается видимое горение, наступает то самое «холодное», которое очень сложно рассмотреть. Но если обеспечить подачу кислорода или добавить топливо, пламя тут же вспыхивает снова.

В условиях невесомости пламя обретает форму сферы, поскольку из-за отсутствия гравитации не появляются конвекционные потоки (в нормальных условиях горячий воздух поднимается над холодным). Горение наблюдается в течение короткого времени. Изначально пламя имеет желтый цвет, но вскоре оно обретает голубоватый оттенок, а затем становится полностью синим. Это связано с тем, что заканчивается кислород и существенно снижается температура горения – до 227 – 527 градусов Цельсия. Такое горение называют «холодным». При этом образуется мало раскаленной сажи и выделяется водород, что и вызывает смену цвета огня.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Пламя в невесомости

Пламя в невесомости

В условиях невесомости многие физические процессы протекают иначе, чем на Земле, и горение не исключение. Пламя в невесомости ведет себя совершенно по-другому, приобретая сферическую форму. На фото — горение капельки этилена на воздухе в условиях микрогравитации. Этот снимок сделан во время эксперимента по изучению физики горения в специальной 30-метровой башне (2.2-Second Drop Tower) Исследовательского центра имени Джона Гленна (Glenn Research Center), созданной для воспроизведения условий микрогравитации при свободном падении. Многие эксперименты, которые затем были поставлены на космических аппаратах, проходили предварительное тестирование в этой башне, поэтому ее называют «воротами в космос» (“a gateway to space”).

Пламя в невесомости

Горение капли гептана в невесомости. Фото с сайта nasa.gov

Шарообразная форма пламени объясняется тем, что в условиях невесомости нет восходящего движения воздуха и не происходит конвекция теплых и холодных его слоев, которая на Земле «вытягивает» пламя в форму капли. Пламени для горения не хватает притока свежего воздуха, содержащего кислород, и оно получается меньше и не такое горячее. Привычный для нас на Земле желто-оранжевый цвет пламени вызван свечением частичек сажи, которые поднимаются вверх с горячим потоком воздуха. В невесомости же пламя приобретает голубой цвет, потому что сажи образуется мало (для этого нужна температура более 1000°С), да и та сажа, что есть, из-за более низкой температуры будет светиться только в инфракрасном диапазоне. На верхнем фото в пламени еще присутствует желто-оранжевый цвет, поскольку заснята ранняя стадия воспламенения, когда кислорода еще достаточно.

Пламя в невесомости

Слева — горение свечей в невесомости в ходе эксперимента «Горение и тушение твердых тел» (Burning and Suppression of Solids, BASS) на МКС. Справа — пламя свечи в условиях Земли. Фото с сайта nasa.gov

Исследования горения в условиях невесомости особенно важны для обеспечения безопасности космических аппаратов. Эксперименты по подавлению огня (Flame Extinguishment Experiment, FLEX) уже несколько лет проводят в специальном отсеке на борту МКС. Исследователи воспламеняют небольшие капли топлива (например, гептана и метанола) в контролируемой атмосфере. Маленький шарик топлива горит примерно 20 секунд, окруженный сферой огня диаметром 2,5–4 мм, после чего капля уменьшается пока либо не погаснет пламя, либо не кончится топливо. Самым неожиданным результатом оказалось то, что капля гептана после видимого сгорания перешла в так называемую «холодную фазу» — пламя стало настолько слабым, что его невозможно было увидеть. И всё же это было горение: огонь мог моментально вспыхнуть при взаимодействии с кислородом или топливом.

Читайте так же:
Интересные факты о школах мира — это познавательно

Как объясняют исследователи, при обычном горении температура пламени колеблется между 1227°С и 1727°С — при этой температуре в эксперименте и был видимый огонь. По мере сгорания топлива начиналось «холодное горение»: пламя остывало до 227–527°С и производило не сажу, углекислый газ и воду, а более токсичные материалы — формальдегид и монооксид углерода. В ходе эксперимента FLEX также подбирали наименее огнеопасную атмосферу на основе углекислого газа и гелия, что поможет в будущем снизить риск возгорания космических аппаратов.

О горении и пламени на Земле и в невесомости см. также:
Константин Богданов «Где собака зарыта?» — «5. Что такое огонь?».

masterok

Слева — свечка горит на Земле, а справа — в невесомости.

Эксперимент, 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.

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.

Читайте так же:
Лимонад, Тархун, Крем-сода… или история появления газировки — детальный взгляд на вопрос

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.

Этот снимок сделан во время эксперимента по изучению физики горения в специальной 30-метровой башне (2.2-Second Drop Tower) Исследовательского центра имени Джона Гленна (Glenn Research Center), созданной для воспроизведения условий микрогравитации при свободном падении. Многие эксперименты, которые затем были поставлены на космических аппаратах, проходили предварительное тестирование в этой башне, поэтому ее называют «воротами в космос» (“a gateway to space”).

Шарообразная форма пламени объясняется тем, что в условиях невесомости нет восходящего движения воздуха и не происходит конвекция теплых и холодных его слоев, которая на Земле «вытягивает» пламя в форму капли. Пламени для горения не хватает притока свежего воздуха, содержащего кислород, и оно получается меньше и не такое горячее. Привычный для нас на Земле желто-оранжевый цвет пламени вызван свечением частичек сажи, которые поднимаются вверх с горячим потоком воздуха. В невесомости же пламя приобретает голубой цвет, потому что сажи образуется мало (для этого нужна температура более 1000°С), да и та сажа, что есть, из-за более низкой температуры будет светиться только в инфракрасном диапазоне. На верхнем фото в пламени еще присутствует желто-оранжевый цвет, поскольку заснята ранняя стадия воспламенения, когда кислорода еще достаточно.

Исследования горения в условиях невесомости особенно важны для обеспечения безопасности космических аппаратов. Эксперименты по подавлению огня (Flame Extinguishment Experiment, FLEX) уже несколько лет проводят в специальном отсеке на борту МКС. Исследователи воспламеняют небольшие капли топлива (например, гептана и метанола) в контролируемой атмосфере. Маленький шарик топлива горит примерно 20 секунд, окруженный сферой огня диаметром 2,5–4 мм, после чего капля уменьшается пока либо не погаснет пламя, либо не кончится топливо. Самым неожиданным результатом оказалось то, что капля гептана после видимого сгорания перешла в так называемую «холодную фазу» — пламя стало настолько слабым, что его невозможно было увидеть. И всё же это было горение: огонь мог моментально вспыхнуть при взаимодействии с кислородом или топливом.

Как объясняют исследователи, при обычном горении температура пламени колеблется между 1227°С и 1727°С — при этой температуре в эксперименте и был видимый огонь. По мере сгорания топлива начиналось «холодное горение»: пламя остывало до 227–527°С и производило не сажу, углекислый газ и воду, а более токсичные материалы — формальдегид и монооксид углерода. В ходе эксперимента FLEX также подбирали наименее огнеопасную атмосферу на основе углекислого газа и гелия, что поможет в будущем снизить риск возгорания космических аппаратов.

[ источники ]
http://earth-chronicles.ru/news/2013-06-20-45791
https://elementy.ru/kartinka_dnya/344/Plamya_v_nevesomosti

Вот тут мы обсуждали Огонь на православную Пасху, а вот что бывает, когда вместе Масло, огонь и вода. Посмотрите на Огненный вихрь и на Красоту взрыва в гифках

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию