空间站微重力燃烧研究现状与展望

张 璐，刘迎春

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094）

空间站微重力燃烧研究现状与展望

张 璐，刘迎春

（中国科学院空间应用工程与技术中心，北京 100094）

报告了近十年国外针对空间微重力燃烧科学的战略规划，综述了在国际空间站上已经进行的微重力燃烧实验内容，分析了实验的意义和取得的成果，例如冷焰的产生。概述了即将开展的实验。最后考虑我国国情和研究基础，提出了我国微重力燃烧科学的关键问题及发展方向：以解决航天工程的重大需求为目标，兼顾对燃烧基本过程和规律的科学研究；注重与载人航天器防火安全直接相关的应用基础研究，注重与节能减排相关的应用研究。

微重力；燃烧；燃料；空间站；防火安全

1 引言

人们很早就认识到重力对燃烧过程有着重要影响，特别是通过浮力对流影响火焰中热和物质的传输速率，从而直接影响火焰结构、火焰稳定、火焰传播和熄灭等一系列燃烧基本现象［1-2］。在地面，在一系列复杂的物化作用下，重力让火焰有了重心，并使其具有一定的形状，重力场使得火焰形成“液滴”状，而在微重力条件下火焰呈圆形。常重力与微重力燃烧的化学反应过程也存在差别，正常的燃烧产物为烟尘、二氧化碳和水，而冷火焰的燃烧产物为一氧化碳和甲醛。

燃烧的复杂过程，使得以数学公式来解释的经典燃烧理论往往忽略了重力因素。微重力条件下的燃烧相比常重力燃烧具有一些特征［3-6］：燃烧过程的自然对流减弱甚至消除，由流动产生的白紊化和不稳定性会减弱，有利于研究静止或低速流动状态的燃烧；热辐射、静电力等一系列因为浮力及其诱导效应掩盖的基本效应和现象能更加突出的表现出来；重力沉降的消除，可形成没有悬挂的液滴、颗粒、液雾和粉尘燃料群；能有效扩大燃烧的时空尺度。利用微重力燃烧的特点，能进一步细化燃烧研究的参数，深化对燃烧的认识，完善燃烧的模型，验证一些在地面上无法论证的燃烧理论。

空间站相比一般的地基微重力设施能提供长时间稳定的微重力实验时间，使得地基实验中无法进行的实验得以实现，对于满足载人空间防火需求、检验和发展燃烧理论、开发先进航空航天推进技术、满足地面环境保护和能源安全需要具有重要的理论和实践意义。

本文将简要地介绍微重力燃烧科学的发展历程，然后综述美欧日等国最近的空间微重力学科发展规划，并重点介绍近十年来以国际空间站（ISS）为基础开展的一系列燃烧试验，最后结合我国的微重力燃烧研究现状，对我国未来微重力燃烧，尤其是空间微重力燃烧研究方向提出一些建议。

2 国际空间微重力燃烧研究现状与规划

微重力燃烧研究始于1956年日本东京大学自由落体设施中进行的液滴燃烧实验［7］。随后，美国利用失重飞机和落塔提供的短时微重力条件开展了蜡烛火焰、气体扩散火焰、固体材料燃烧等实验［8］。阿波罗飞船多次的火灾事故，使得科学家高度重视与航天器防火安全相关的燃烧研究。1973年，NASA Lewis研究中心组织多国研究团队对空间微重力条件下燃烧实验的科学问题和研究方向进行了深入讨论，并全面评估了研究工作的科学价值［9］。1974年，美国在Skylab上完成了首次空间燃烧实验［10］。进入航天飞机时代，微重力燃烧仍然主要以基础科学问题和防火安全问题为主导，是美国微重力科学中一个活跃的研究领域，其研究重点主要是火焰传播和熄灭、点燃和自燃过程、阴燃和液滴燃烧等。80年代中期之后，地基微重力燃烧研究逐步受到重视，实验设施得到发展［11］，欧洲、日本、苏联的微重力燃烧研究也蓬勃发展起来［12-14］，空间实验与地基研究相结合，推动研究成果大量增加。当前，除了落塔、失重飞机和探空火箭等地基设施，随着国际空间站的建成，美、欧、日等国均将在ISS上的微重力流体物理与燃烧实验作为重点开展了大量研究，已经获得丰富的实验结果［15-17］。美国和日本更是规划出了详细的发展蓝图，在航天器防火安全和燃烧科学基础问题两个方面计划开展大量的研究工作［18-21］。

2.1 国外空间微重力燃烧规划

国际上，进行微重力燃烧研究的主要力量为美国、欧洲和日本，因为各自经济发展水平、能源结构、科学研究历史、以及航天发展战略的不同，它们的研究各有特点。其中，美国的研究工作起步较早、持续时间长、支持力度大、有系统的组织和安排，涉及的研究内容之广和取得研究成果之丰富远超过其他国家。

2003年，美国国家研究理事会（NRC）出版了《对NASA微重力物理各研究方向的评估》报告［18］。报告对流体物理、燃烧、基础物理和材料科学四大领域的研究情况进行了介绍，并详述了各领域研究项目产生的影响和未来研究方向，其中与空间微重力燃烧相关的主题如表1所示。

表1 微重力燃烧重要研究主题Table 1 Microgravity combustion research subject

2009年美国发布《微重力燃烧与防火项目指南》［19］，建议开展如下5项研究：1）不同重力、流速和材料放置方向下材料可燃性的基础研究；2）现有的材料可燃性试验方法与部分重力和低重力条件下的相关性研究；3）微重力和部分重力下材料可燃性评估的试验方法及其验证；4）星际计划中可居住的空间站环境内材料燃烧生成的气体和颗粒物的量化研究；5）湍流燃烧。

2011年NRC又发布《重掌空间探索的未来：新时代生命和物理科学研究》报告［20］，为NASA规划了空间微重力燃烧研究的蓝图，并总结出如表2所示的发展目标。

表2 空间微重力燃烧优先研究领域和主题、研究现状、建议及目标Table 2 Priority research areas of microgravity combustion，research status，suggestions and objectives

2001年，ESA确立的“欧洲空间生命和物理科学计划”（ELIPS）中提出了四项首要目标［22］，即自然探索、人类健康、技术革新和清洁环境。其中，“清洁环境”一项的研究内容涉及两个方面，第一即为微重力燃烧。通过气体、液体和固体燃料的空间燃烧实验，定量地研究地面上被浮力对流效应控制的燃烧基本现象，科学目标包括认识液滴和液雾的蒸发、点火和燃烧过程，理解碳黑形成机理以及固体材料的可燃性条件等，应用目标明确为提高电厂效率、减少发动机污染排放和改善航天器用材料可燃性的测试方法。ESA定期对其研究计划进行评估，根据评估结果对ELIPS进行调整和更新，目前已经完成第1至第3阶段（ELIPS1-3）的任务，正实施第4阶段（ELIPS-4）的任务。ELIPS-1、ELIPS-3和ELIPS-4中的燃烧研究包括液滴和液雾燃烧过程和固体燃料燃烧等，在ELIPS-2中则主要研究部分预混燃烧。

2013年，日本JAXA公布了《至2020年“希望”号实验舱应用计划》［21］，其中将发展新型燃烧技术作为其空间站科学长期研究的首个方向，希望通过研究提升对燃烧过程的理论认识，为高效、低二氧化碳排放燃烧技术的开发提供基础；其对航天器防火安全给予高度重视，将材料可燃极限作为重要的研究方向，目标是为制定可燃性评价标准提供数据。

2.2 国际空间站正在及将要进行的微重力燃烧实验

经过近半个世纪的发展，空间微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体燃烧、气体扩散燃烧、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播、多孔材料闷烧等燃烧学科的各个领域，研究加深了人们对燃烧基本规律的理解，发现了一些独特的现象［23］。在航天器火灾预防方面，建立了材料防火性能评价标准、选用规范和数据库，制定了火灾安全设计规范［23］，并且随着新材料的出现、燃烧与火灾科学的发展，尤其针对载人航天器的火灾防护，要求不断对规范和数据库进行修订；在火灾探测方面，建立了航天器舱内着火征兆数据库、燃烧产物迁移模型，发展出多种可供选择的火灾探测器，部分已经投入使用［24-25］；在火灾控制方面，研究了多种灭火措施的可行性，制定了火灾反应预案［25］。

国际空间站已经开展了7项燃烧科学实验。空间站燃烧科学实验具有人工操作多的特点，大部分实验都需要航天员来手动完成，同时地面进行远程监控和支持。

1）固体的燃烧和熄灭（BASS）［15］

实验旨在对微重力环境下多种燃料样品的燃烧和熄灭特征进行研究，将有助于制定微重力环境中意外火灾的灭火策略，实验结果将用于构建燃烧计算模型，以设计用于微重力和地球环境的火情检测和灭火系统。该实验在微重力科学手套箱MSG和改造后的SPICE装置中进行。BASS实验对3类（片状、圆球和圆管中的蜡烛）、共41个固体材料实验样品的燃烧和火焰熄灭特性展开研究，并以此建立火焰传播、熄灭及氮气抑制燃烧的数值模型。2012年3月实验正式开始以来，已陆续完成对多个薄材料和PMMA球试样等的实验，实验参数还包括点火和燃烧过程中的空气流动速度等。在实验中第一次获取了微重力条件下，在纯的强迫对流中，均匀薄材料在燃尽过程中的详细瞬态火焰增长数据［25］。实验还发现，当气流停止时，固体材料火焰迅速熄灭，说明在火灾发生时通过关闭航天器舱内的通风系统来控制火情的紧急措施是可行的。但在氮气射流灭火实验中，火焰不仅没有熄灭，反而出现亮度增强的现象。对该现象可能的解释是由射流卷吸空气，从而增加氧化剂向火焰的传输，该发现将有利于载人航天器中气体灭火系统的设计和使用。

2）火焰熄灭实验（FLEX）［27］

实验旨在评估微重力下灭火剂的有效性，并量化不同载人探索大气环境对灭火的影响。该实验在多功能燃烧实验柜CIR中的多用户液滴燃烧装置MDCA中开展，其目的是通过研究液体燃料的燃烧过程和可燃极限，发展理论和数值模型以及燃烧反应动力学模型，其分析变量包括：氧气摩尔分数、不同稀释剂、不同灭火剂、气压、不同燃料和燃料液滴大小。为下一代载人航天器中灭火剂的选择、大型灭火试验的设计提供方向指导。FLEX第一阶段的实验已于2009年12月结束，取得225组数据，并发现一些预料之外的燃烧现象，其中最令人“惊奇”的是庚烷液滴在火焰熄灭后发生的持续“燃烧”。直径较大的液滴被点燃后，首先出现短时的可见火焰瞬态燃烧，在可见火焰由于辐射热损失而熄灭后，剩余液滴仍然持续地快速汽化，直到“冷焰熄灭”点时汽化突然停止。传统的液滴燃烧理论不能解释在微重力燃烧实验中发现的这一新现象，而研究人员推测，可见火焰熄灭后液滴的汽化是由低温化学反应（即冷焰）维持的［23，28］。在对辛烷和癸烷的实验中也发现了类似的次级燃烧现象，该成果获评了国际空间站2013年十大成果。这一新发现将帮助科学家和工程师优化数值模型，更好地预测火焰、燃料和燃烧行为，并可能将在更长时期对空间和地面都产生影响。例如，该技术有助于减少内燃机的污染，提高一加仑汽油行驶里程数。这一新发现还有助于提升空间火灾安全。由于火焰在热焰熄灭后还将继续燃烧，因此必须考虑到这种二级燃烧的发生，开发空间特殊的灭火技术。

3）火焰熄灭实验-2（FLEX-2）［29］

作为FLEX第二阶段的实验，FLEX-2从2011年始执行空间实验任务，研究内容进一步扩展到低速对流对燃烧速率的影响、烟形成条件、混合燃料在燃烧前的蒸发情况，液滴阵列的燃烧和液滴间相互作用以及二元组分和替代燃料的燃烧等［30］。

日本与美国合作的液滴燃烧实验FLEX-2J 于2015年至2016年进行，重点观察和测量火焰沿一维液滴阵列的传播过程以及液滴的运动规律［16］。

理解燃料在微重力下的燃烧行为有助于提高行星际任务的混合燃料燃烧效率，从而降低成本和质量，并有助于开发更加安全的载人飞船防火措施。对烟形成过程的研究有助于开发更加高效和环境友好的混合化学燃料。

4）空气净化燃烧实验（ICE-GA）［17，24-26，31-32］

由意大利与美国合作的生物替代液体燃料燃烧实验FLEX-ICE-GA是ISS上要开展的另一项液滴燃烧研究。实验于2013年至2014年利用FLEX-2装置进行，对两种生物燃料液滴在不同压力（0.1 MPa，0.3 MPa，0.6 MPa）和氧气浓度（21%，10%，0）条件下的汽化和燃烧特性进行观察，研究可再生能源的燃烧效率，在未来航天器燃料方面有应用前景。实验数据可用于开发多种生物燃料混合物的蒸发和燃烧统计数据集，用来构建计算机模型，评估生物燃料的效能并加速最具能效燃料的应用。

5）烟和气溶胶测量实验（SAME）［33-35］

实验旨在将对航天器火焰烟尘中典型粒子的烟的特性或粒子尺寸分布进行测量。2007年4月至2010年5月，在国际空间站上利用科学手套箱MSG开展了烟雾测量实验SAME和SAME-R，用以评估在航天飞机和国际空间站上使用的两种（离子和光电）感烟火灾探测器的效能，并提升下一代航天器火灾探测装置设计的可靠性。其前期研究是实验在加热温度、气流速度和烟雾停留时间等条件不同时，测量了5种典型航天器材料热解产生的烟雾颗粒的粒径和分布。实验结果表明所有的实验材料都会产生大量的亚微米颗粒，因此使用离子感烟探测器的效果会比较好，但在多数情况下，光散射探测器也会有很好的表现。实验表明，材料在着火前期的过热事故中可产生粒径分布范围相当宽的烟颗粒，更有效且可靠的火灾探测方法应针对此特点进行设计。基于实验结果开发的烟探测器也可用于地面上的许多极端环境，如潜艇和水下实验室等。

6）燃烧实验中的火焰结构和火焰举升（SLICE）［36］

该实验旨在提升对火焰结构扩散的物理和化学过程及控制的认识。利用SPICE实验装置，美国从2012年2月至3月开展了气体扩散火焰的结构和抬升现象实验SLICE，对甲烷、乙烯及其氮气稀释气体等在约700种流动条件下的120个射流扩散火焰进行观测，获得约4000张高分辨图片等数据，目前正对实验数据进行分析［37］。SLICE 将SPICE的研究范围扩展到火焰稳定性和火焰结构，以增强对火焰进行模拟计算的能力，扩展可预测的参数范围，进而将这种模拟能力用于提高地面燃烧系统中燃料的利用率、减少污染排放。此外，该实验是美国微重力条件下前沿燃烧问题研究项目ACME中层流扩散火焰实验CLD的前期实验，用于指导实验设计的优化。

7）同向流动烟点实验（SPICE）［38-39］

2009年4月至2012年3月，美国利用ISS中的微重力科学手套箱MSG开展了气体射流扩散火焰的烟点实验SPICE，对乙烷、乙烯、丙烷、丙烯和丙烯/氮气等气体燃料进行了超过250次燃烧实验，得到约70个火焰烟点数据。在实验中，丙烷和乙烯火焰开始产生碳烟时，火焰顶端逐渐变暗、变红、变圆，而亮度最大的丙烯和丙烯混合气体火焰通常并不表现这种变化，烟点的标志为火焰快速向顶端敞开结构转变。顶端敞开火焰的出现归因于碳烟的产生和火焰沿中心线的局部熄灭。随着射流喷口直径的减小和同向伴流速度的增大，烟点长度增大，这与地面实验结果一致。SPICE的实验结果为认识碳烟产生过程、分析碳烟机理提供了丰富的基础数据，可对这一燃烧科学的热点问题研究有积极作用，当前NASA遴选航天器材料所采用的标准测试方法并未考虑低重力环境的效应，研究结果将作为航天器火灾放热的第一级模型和预测，并将其作为将放热数据从测试转为基于性能的材料遴选程序的手段。实验通过研究环境气流与烟点之间的相互作用增进对燃烧的了解，可以更好地预测在实际生活中的燃烧室（如飞机引擎和锅炉）中无浮力火焰的放热。

这些微重力燃烧实验并不是先进燃烧技术的验证，而是期望通过这些实验研究来改进燃烧技术和研制新型燃料。除了已经开展及正在进行的这7项空间微重力燃烧实验，国际空间站还计划了如下实验：

1）燃烧速率模拟实验（BRE）［40］

该实验利用具有封闭循环回路的气体燃料供应的平面燃烧器模拟浓缩相燃料的燃烧放热速率。模拟的浓缩相燃料包括：纸、塑料和乙醇。该实验的目标是定量分析微重力下浓缩相燃料的着火和熄灭特性，定量分析微重力下增加氧气浓度对燃烧特性的影响。通过改进材料的可燃性评价标准来筛选材料，以便满足空间飞行器的防火要求。

2）同轴射流层流扩散火焰（CLD）［41］

该实验希望通过修正烃类燃料的化学动力学机理，在多参数耦合条件下，实现比现有的模型能更有效地模拟扩散火焰的结构。发展烟黑生成的模型，使得其能够预测不同工况下各种烃类燃烧火焰中烟黑的生成量。

3）电流对层流扩散火焰影响的实验（EFIELD）［42］

该实验准备在气体射流或者同轴射流火焰的顺着气流流动方向布置电机，极间电压可达±10 kV，通过充分理解火焰中化学电离的机制以及离子驱动效应来区分火焰中的不同电离特征并实现对火焰的控制。

4）火焰设计实验（Flame Design）［42］

该实验利用新的方法产生一种洁净和高效的扩散火焰，设计不同氮气浓度下的一维球形火焰。实验目标是：评价火焰结构对烟黑聚合和火焰熄灭的效应，建立烟黑生成阈值与化学当量混合分数、绝热火焰温度之间的关联，论证在搞化学当量混合分数下的气相氧化对于烟黑聚合的重要性，证明球形火焰可稳定地存在，以化学当量混合分数、绝热火焰温度的形式，来论证扩散火焰的可燃极限问题。

5）球形火焰实验（S-Flame）［42］

该实验将利用多孔介质燃烧器实现一维稳定的球形火焰。其目标是获得简单的已充分定义的流场中的实验数据，理解各种关键的扩散火焰燃烧过程。通过实验数据和已知的采用详细化学反应机理和物质扩散过程的数值模拟计算结果比对，来改进这些机理。对改进地面应用的高效低污染的燃烧系统设计有着重要作用。

3 国内空间微重力燃烧研究现状

我国的微重力燃烧研究从上个世纪90年代开始起步，相继开展了微重力下蜡烛火焰、粉尘燃烧机理、闷烧及其向明火演变规律、固体表面火焰传播、可燃极限附近预混火焰特性等科研项目，取得一批重要成果，实现了对国际上主要研究方向的跟踪，同时还开展了大量的地面实验模拟方法研究［43］。近年来，我国微重力燃烧研究呈现出良好的发展势头。一方面随着我国载人航天工程的顺利推进，对载人航天器火灾安全的研究提出了全新的挑战，切实提高载人航天器防火安全的水平已经成为当务之急；同时，航天事业的发展为进行微重力燃烧研究提供了前所未有的机遇。2006年，利用“实践八号”卫星成功完成的两项实验，是我国第一批空间燃烧实验［44］，该实验分别对21%和35%氧气浓度条件下的多孔材料闷烧点火和发展过程进行了测量，其中等压条件下的闷烧过程、双向闷烧过程和高氧气浓度气流条件下的闷烧过程均为首次研究。实验结果表明，在微重力环境中，只需要较为微弱的热源即可引发闷烧，很小的气流速度即可支持闷烧的传播，当材料长度较大时，闷烧虽然不能到达材料端部，但闷烧过程释放的有毒产物的危害依然十分严重。闷烧也可以自维持传播直到材料末端，进而引燃临近的可燃材料，使火灾范围扩大，在高氧气浓度（如35%）条件下，闷烧可向明火燃烧转变，反应温度大大增加，更容易引起火灾的蔓延，造成严重后果。实验结果为研究闷烧机理提供了理想的基础数据，对载人航天器舱内的火灾安全具有实际意义。2012年底，中国科学院空间科学战略性先导专项“实践十号”返回式科学实验卫星工程正式立项启动。目前，空间实验有效载荷研制已进入工程实施阶段，成为我国微重力燃烧研究滚动发展的良好契机。

相比国外空间实验计划，我国由于空间试验机会少，且主要依靠搭载，空间实验提供的空间资源还不够充分，前期研究相对不足，微重力燃烧科学不管是空间实验还是地基实验，与国际前沿领先水平相比都有明显的差距。与国际先进水平相比，国内在微重力燃烧实验技术方面也存在明显差距，突出表现为：实验设备缺少通用性，实验条件保障能力不强，燃烧诊断技术不够完备，技术队伍不足。

4 我国空间微重力燃烧研究发展对策

空间微重力燃烧科学的发展途径应该以取得的有重要应用价值的成果为依托、以解决航天工程的重大需求为目标，兼顾对燃烧基本过程和规律的科学研究、与载人航天器防火安全直接相关的应用基础研究。通过综合利用空间微重力实验平台，按照循序渐进的原则，促进该领域的快速、稳定发展。

结合国外研究现状与规划［18-43］，我国研究和发展的重点应该集中在如下几个方面：

1）近可燃极限燃烧

近可燃极限燃烧问题（即燃料配比远离化学当量比的情况，大量存在于内燃机、燃气轮机、火灾防治等过程和许多工况），燃烧温度、当量比、能效和氮氧化物排放存在内在关联，发展近可燃极限燃烧技术对占全球60%石油消耗的发动机节能和减排方面有重大效益，在解决航空发动机大机动微重力状态下的贫油熄火、高空再点火以及燃烧室内火焰稳定等方面具有重大应用前景。微重力为研究近极限微弱燃烧现象提供了必要的实验条件，在以往微重力实验对气体微弱火焰的研究取得显著成果的基础上，近可燃极限液体和固体燃烧规律受到关注，实验研究方向包括近极限燃烧的点火、火焰传播与熄火，热辐射与火焰的耦合作用，催化燃烧，球形扩散火焰及烟黑生成，近极限湍流火焰速度及湍流熄火等。这项研究对发展和完善燃烧模型将有显著作用。

2）湍流燃烧

国内正在研究广泛存在于航空发动机、火箭发动机、内燃机、能源和冶金化工炉中的湍流和两相燃烧相互作用问题。湍流燃烧可大幅度提高能效，需要搞清诸如两相速度分布、涡的结构和各方向湍流度等问题，地面重力对湍流的抑制有碍于得到真实的规律。在微重力下研究气体湍流和颗粒/油滴湍流（脉动）相互作用以及气体湍流和气体燃烧反应，以建立精确的数学物理模型和CFD软件，对发动机研究十分重要。相关的科学问题包括湍流火焰的熄灭机理、湍流扩散火焰的瞬态响应特性和微重力下湍流扩散火焰特性等。

3）煤燃烧特性及污染物排放特性

通过空间燃烧实验，针对我国典型的煤种（褐煤、烟煤、无烟煤及部分煤种的脱挥发份煤焦），分为煤颗粒和煤颗粒群两种类型进行研究。研究微重力单颗煤颗粒的热解，挥发析出，着火、燃烧和燃尽过程，考察化学动力学控制向扩散控制转化的临界条件。研究在微重力条件下煤粒群着火、挥发份的析出与焦碳燃烧及其燃尽等燃烧特性，研究煤粒群浓度、颗粒形状变化和煤种对煤粒群着火及其燃烧特性的影响。研究火焰的结构、传播特性和温度场的分布。通过对生成污染物的检测研究污染物质的生成机理和规律。

观测无浮力作用的理想条件下的本征燃烧现象，认识燃烧过程中的一些基本环节的物理化学实质，获得煤燃烧过程中一些重要的基础参数，揭示燃烧过程的内在作用机理、检验燃烧理论，掌握燃烧科学规律。同时与地面相应实验进行对比，揭示煤燃烧过程中浮力对其本征燃烧特性以及污染物质生成特性的影响形式和影响程度，比较分析得出重力影响下的地面实验方法带来的误差，校核地面反应动力学参数的测定方法和结果，验证数值模型，为开发地面高效，低污染燃烧装置提供基础数据和设计指导。

4）航天器火灾预防、探测和灭火的基础问题

在火灾预防方面，重点提高对微重力环境中材料燃烧、火焰熄灭过程和特性的认识，以检验和修正航天材料可燃性的地面测试方法及预测模型；在火灾探测方面，准确测量燃烧的烟雾产物特征，为评估现有火灾探测器、设计新一代探测器提供基础；在灭火措施方面，定量研究不同气体灭火剂的效能，了解灭火过程和机理，为灭火剂选择和灭火系统设计提供指导。

5）深空探测相关燃烧研究

利用微重力燃烧可以进行深空探测用新型模型燃料（包括生物燃料）的配方研究和论证；研究用于空间和深空探测（包括惯性飞行造成的零重力条件）的推进系统研究，搞清楚其点火和稳定条件；发展新型高效掺硼或金属颗粒的高能固体燃料等，为未来可能实施的深空探测进行技术储备。研究内容包括：硼，镁，铝等金属燃料着火、燃烧特性的内、外在影响机制的研究；微重力条件下金属燃料全升温过程化学反应动力学研究；金属粉燃料的包覆处理工艺研究等。

空间微重力燃烧学科是一项涉及到流体科学、物理学、化学等多学科的交叉学科，在研究及发展过程中要多关注其各自的研究方向，并充分考虑各学科间的最佳融合性。

5 结论

微重力燃烧作为应用基础研究，与我国能源产业和节能减排等重大应用、与地面广泛应用的发动机技术和空天高技术动力推进有密切关联，也是地面和空间防火安全的重要基础。目前提出的微重力燃烧重点方向的应用背景是清楚的，通过空间实验搞清燃料和动力学过程的本征特性，改进修正数理模型和数值模拟方法，应用到实际环节的基本思路是可行的。

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Research Status and Outlook of Microgravity Combustion in Space Station

ZHANG Lu，LIU Yingchun
（Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

The strategic plans of foreign space microgravity combustion science in recent ten years were reported.The microgravity combustion experiments conducted on the International Space Station were reviewed.The significance of the experiments and achievement such as the generation of cool-flame were analyzed and the impending experiments were summarized.Based on the full account of China's national conditions，research foundations and research features，the key scientific problems and the development strategies were put forward.They targeted the needs of space projects and considered the scientific research on the basic process and law of combustion.The application of basic research directly related to fire safety in manned spacecraft was emphasized and the applied research and related energy conservation were focused upon.

microgravity；combustion；fuel；space station；fire safety

TK16

A

1674-5825（2015）06-0603-08

2015-05-04；

2015-10-22

张 璐（1985-），男，博士，副研究员，研究方向为空间科学战略。E-mail：zhanglu@csu.ac.cn