Как выразился Акутагава Рюноскэ, «Человеческая жизнь похожа на коробку спичек. Обращаться с ней серьёзно — смешно. Обращаться несерьёзно — опасно». Вспомнив это сравнение, я решил поговорить с вами на Хабре об одной из самых маловероятных и при этом крайне опасных ситуаций, с которыми может столкнуться человек: это пожар в условиях микрогравитации.

Ранее на Хабре эту тему рассматривал уважаемый Филипп Терехов @lozga в статье «Как зажигали в космосе». Так, в этой отлично иллюстрированной статье он упоминает и о единственном пожаре на орбите, который случился в 1997 году на станции «Мир» и продолжался около полутора минут. Но горение в микрогравитации интересно как с физической, так и с химической точки зрения (например, при анализе протекания химических реакций в космосе). Уважаемый Руслан @Travis_Macrif упоминал на Хабре о соответствующих экспериментах NASA, проводившихся на МКС, начиная с 2017 года. Итак, давайте обсудим, чем интересен этот процесс и можно ли им управлять.

В условиях микрогравитации (невесомости), то есть, на орбите, огонь горит совсем не так, как на Земле. Изучение этих свойств помогает не только полнее понять природу реакций горения и окисления, но и хотя бы приблизительно представлять, как действовать в случае пожара при длительных космических экспедициях — в том числе, к Марсу.

Как выглядит огонь в невесомости

Чтобы произошло возгорание, необходимо три фактора: горючее/топливо, кислород и искра (источник возгорания). Процессы горения сильно зависят как от содержания кислорода в атмосфере, так и от атмосферного давления. Эти вопросы я ранее затрагивал в статье «Укрощение кислорода и подводные камни терраформирования».  

Элементарный долговременный источник типичного пламени — это свеча. Когда горит свеча, возникает тепло и свет, а также образуется водяной пар и углекислый газ — так окисляются водород и углерод, входящие в состав парафинов и восков. При нагревании продукты сгорания расширяются, в результате чего их плотность снижается, и они поднимаются вверх.  

Такая разница в плотности между топливом и продуктами возникает только в условиях тяготения и, в свою очередь, приводит к конвекции (перемешиванию горячих и более холодных газов). Соответственно, гравитация необходима для плавучести и конвекции, а также для того, чтобы область горения насыщалась свежим кислородом. В микрогравитации продукты горения скапливаются вокруг пламени, из-за этого приток кислорода нарушается, и реакция достаточно быстро затухает.

При сгорании свечи крупные полимерные молекулы распадаются на более мелкие летучие молекулы, которые минуют жидкую фазу (растаявший парафин или воск) и сразу переходят в газообразную фазу, которая сразу же вступает в конвекцию. Поскольку горячий дым устремляется вверх, язык пламени также получается тонким и продолговатым.

В этом и заключается наиболее характерное отличие огня в невесомости: пламя получается полусферическим. Дело в том, что в микрогравитации кислород просачивается в область горения путём диффузии, и поэтому пламя возникает на границе между топливом и воздухом.

Реакция идёт лишь на небольшом расстоянии от источника тепла, там, где кислород успевает проникнуть к горящему материалу. Более того, при отсутствии гравитации и конвекции углекислый газ никуда не девается, накапливаясь вокруг фитиля. Поэтому без искусственной вентиляции пламя быстро затухает.

Также обратите внимание на цвет пламени. В условиях диффузии кислород расходуется медленнее, чем при конвекции, поэтому пламя получается сравнительно холодным (синеватым) и тусклым. Иногда небольшие количества обуглившегося топлива выбрасываются наверх и догорают жёлтым светом.

Зачем изучают огонь в микрогравитации

Состав атмосферы на МКС целенаправленно поддерживается близким к земному. Атмосфера из чистого кислорода ранее применялась в скафандрах миссии «Аполлон» — это считалось целесообразным, поскольку такой атмосферой можно дышать при сниженном давлении. На борту «Аполлона-1» атмосфера состояла из 100% кислорода и была чрезвычайно пожароопасной. 27 января 1967 года на корабле произошёл пожар, в котором погиб весь экипаж — Вирджил Гриссом, Эдвард Уайт и Роджер Чаффи. В 1968 году и позже атмосфера на «Аполлонах» состояла из 40% кислорода и 60% азота, но и такая смесь была признана слишком пожароопасной. Этой болезненной теме на Хабре посвящён отличный пост «Памятник павшим астронавтам» уважаемого Михаила Белокскова @Sterpa.

Поэтому изучение горения в невесомости критически важно для предотвращения возгораний. Не менее важно уметь готовить и смесь топлива и кислорода для космических двигателей, такую, которая образовывала бы при горении нечто вроде огненного шара. КПД такого топлива должен быть как можно выше, чтобы не брать на борт лишнюю массу.

Опыты по изучению горения ставились в университете Южной Калифорнии под руководством Пола Ронни, участвовавшего в подготовке таких экспериментов для программы «Спейс Шаттл». Скорость химических реакций при горении очень сильно зависит от температуры, и, если увеличить температуру на 10 градусов, то скорость реакции более чем удвоится. В тех же условиях скорость образования некоторых отходов, в частности, оксидов азота — утроится.    

Первый эксперимент по изучению горения на борту космического челнока (это была «Колумбия») был спроектирован Ронни и поставлен в апреле 1997 года Роджером Краучем. Он назывался «Structure of Flame Balls at Low Lewis-number (SOFBALL)» (Структура шаров пламени при малых числах Льюиса). Смесь из водорода, кислорода и углекислого газа горела примерно 500 секунд, но пламя получилось очень холодным; вероятно, на Земле такая смесь бы даже не воспламенилась.

В космических экспериментах с горением изучаются, прежде всего, скорость распространения пламени, скорость тепловыделения, длительность задержки токсичных отходов в области горения, а также уровень кислорода, нужный для поддержания пламени. Другой класс экспериментов — это подбор ретардантов (замедлителей горения), в частности, дозированное добавление таких соединений в полимерный матрикс, позволяющее проверить, при каком составе смесь не загорится. В других случаях полимер под давлением процеживается поблизости от источника пламени и проверяется, на каком расстоянии от горящей субстанции огонь на него не перекинется.

Выяснилось, что из-за невесомости и отсутствия конвекции разогретые газы слишком медленно покидают область горения, и из-за этого материал перегревается. Такая ситуация тем более опасна, если проскочила электрическая искра — например, в неисправном кабеле. При отсутствии вентиляции и скоплении горячих газов поддерживается не горение, а тление, которое может долго оставаться незамеченным. Пластиковые детали и оболочка проводов успевают деформироваться и слипнуться на больших отрезках, прежде, чем это станет заметно. Таким образом, в условиях микрогравитации по-своему опасно не только горение, но и тление. Эта проблема тем более актуальна потому, что запас веществ для систем жизнеобеспечения в длительной космической экспедиции жёстко ограничен; на Хабре об этом подробно написал уважаемый @AntoBro в статье «Откуда берутся вода и кислород на МКС».

Подробнее остановлюсь на том самом полноценном пожаре на станции «Мир». Возгорание случилось 24 февраля 1997 года. Как правило, на станции работал экипаж из трёх космонавтов, но в период пересменки между длительными миссиями космонавты и астронавты могли немало времени проводить на борту вшестером. Именно такая ситуация сложилась между 12 февраля и 3 марта: вахту заканчивали Валерий Корзун и Александр Калери, а также на станции был Джерри Линенджер, прибывший в январе того же года на шаттле «Атлантис». Тогда к ним присоединились россияне Василий Циблиев и Александр Лазуткин, а вместе с ними с коротким визитом на станцию прибыл немецкий астронавт Райнхольд Эвальд. После обеда 24 февраля на станции ощущалась явная духота, и Лазуткин включил расположенную в модуле «Квант-1» установку по генерации кислорода. Прибор вспыхнул, выдал метровый язык пламени и множество искр, в том числе, в виде капель расплавленного металла. За несколько секунд скопился плотный густой дым, а огонь заблокировал проход к эвакуационному модулю «Союз», который был состыкован именно с «Квантом-1». Натянув кислородные маски, команда выстроилась гуськом — Корзун поливал пламя из огнетушителя, Линенджер держал Корзуна, чтобы того не отбросило в противоположную от напора сторону, а другие коллеги успели передать Корзуну ещё два огнетушителя. В итоге серьёзного ущерба удалось избежать, лишь обуглились некоторые панели в «Кванте-1». Пожар сошёл на нет не только благодаря слаженным действиям экипажа, но и потому, что скопившийся дым заблокировал приток кислорода из других отсеков, а тот кислород, что содержался в генераторе, быстро израсходовался. Системы очистки воздуха за несколько часов убрали дым, и станция вернулась к нормальной работе. Таким образом, это был единственный пожар на орбитальной станции и единственный орбитальный пожар, обошедшийся без жертв. Это событие стало прологом к систематическому экспериментальному изучению горения в невесомости.

Систематические эксперименты с огнём на МКС

Огонь в невесомости непредсказуем, и этим особенно опасен. Он непредсказуем даже на интуитивном уровне — мы слишком привыкли к тому, что языки пламени на Земле устремляются вверх, хорошо заметны, а также к тому, что горение развивается легче, чем тление. С другой стороны, в микрогравитации и огонь, и дым могут распространяться куда угодно. Именно поэтому на космической станции сложно подобрать оптимальное расположение для детекторов дыма.

В 2008 году в NASA сконструировали стенд для интегрированного исследования горения Combustion Integrated Rack (CIR) («интегрированная стойка для экспериментов по горению»), который отправили на МКС.

В этом аппарате есть 100-литровая камера для сжигания, а также пять других более мелких камер для реактивов и их хранения.

Один из многоступенчатых и наиболее важных из экспериментов на этом аппарате назывался «FLEX» (Flame Extinguishment Experiment), он состоялся примерно годом позже. Название буквально означает «эксперимент по устранению огня» и подсказывает, в чём суть эксперимента: поджигать небольшие дозы горючих веществ и стремиться как можно быстрее и эффективнее их потушить. В этом эксперименте в основном применялся гептан и метанол.

Этот эксперимент внезапно показал, что некоторые горючие жидкости в космосе мало «потушить» — они остаются разогретыми и могут спонтанно воспламеняться снова. Однако такое пламя, названное «холодным», горит при температуре гораздо более низкой, чем температура воспламенения, и поэтому невооружённым глазом его часто можно не заметить.

Для более глубокого и подробного изучения сгорания в невесомости была сформулирована ещё одна серия экспериментов, в которых исследовали горение газообразных веществ и смесей. Поставили эти эксперименты силами двух организаций в составе NASA: исследовательского центра им. Джона Гленна (Glenn Research Center) и отдела биологических и физических наук (Biological and Physical Sciences Division). В совокупности эти эксперименты назывались ACME (Advanced Combustion via Microgravity Experiments — «продвинутое экспериментальное изучение сгорания в условиях микрогравитации»). Серия из 6 опытов началась в 2017 году, в рамках проделанной работы огонь в невесомости зажигали 1500 раз. Ниже я кратко охарактеризую каждый из этих опытов.   

  • Имитатор скорости горения (BRE) — показал, что в атмосфере МКС вещества могут в течение нескольких минут гореть без притока свежего воздуха.

  • Ламинарное диффузное пламя совмещённого потока (CLD Flame) — позволил получить контрольные и эталонные данные, характеризующие, как происходит горение в условиях сильного задымления/присутствия сажи и в очень разреженной атмосфере. Впоследствии эти данные легли в основу компьютерных моделей.

  • Исследование холодного пламени при работе с газами (CFI‑G) — опыт дал холодное пламя от различного газообразного горючего без каких‑либо катализаторов — в ход шли нагретые реагенты, импульсные плазменные разряды, но вместо обычного кислорода в некоторых опытах применялся озон. 

  • Воздействие электрического поля на ламинарное диффузное пламя (E‑FIELD Flames) — исследовали, как при помощи электрических полей потенциально можно уменьшить выбросы от разных видов пламени от чистых газовых смесей (без примесей).

  • Дизайн пламени — впервые было продемонстрировано квазистационарное сферическое пламя от специально приготовленных газовых смесей, а также постепенное затухание такого пламени из‑за потери энергии через тепловое излучение.

  • Структура и отклик различных видов сферического диффузионного пламени (s‑Flame) — собраны данные о том, как разгорается и затухает пламя. В дальнейшем были использованы при совершенствовании компьютерных моделей.

Чистым в данных экспериментах называется такое пламя, при получении которого топливо и окислитель не смешиваются вплоть до момента зажигания — например, как у свечи. Напротив, пламя от газовой смеси возникает, когда горючее и окислитель успели смешаться до начала реакции.

В 2024 году на МКС начали проводить более сложные и масштабные эксперименты, материальную базу для которых предоставляет NASA, а теоретическую — специалисты из Калифорнийского университета в Беркли. В ходе этих экспериментов воспроизводятся атмосферные условия как обычных отсеков космических кораблей, так и потенциальных долговременных орбитальных жилищ. Проект называется Material Ignition and Suppression Test (MIST) («Испытание воспламенения материалов и подавления таких процессов»), он входит в более крупную серию экспериментов Solid Fuel Ignition and Extinction (SoFIE) («Воспламенение и сгорание твёрдого топлива»). В рамках этого эксперимента изучается, как в невесомости горят синтетические материалы, особенно активно используемые в космических полётах — различный пластик, хлопкосодержащие волокна, оргстекло. Наиболее интересные результаты свидетельствуют, что воспламенение обычных материалов в невесомости происходит при более низких температурах, чем на Земле. Так, при земных показателях атмосферного давления и гравитации для поддержания горения необходимо, чтобы в воздухе содержалось 18% кислорода, а на МКС этот показатель снижается до 15%. Кроме того, снижается температура, необходимая для воспламенения, хотя, тление всё равно развивается быстрее горения и поддерживается дольше. С практической точки зрения это означает, что для длительных космических экспедиций будут востребованы лёгкие сорта термопластика и огнеупорное стекло. Также целесообразно подбирать дыхательные смеси, состоящие из инертных газов и 20-22% кислорода. Гелиево-кислородные смеси давно используются на подводных лодках для снижения давления, а на космических аппаратах лёгкий гелий также позволил бы выиграть лишнюю массу, которую вместо азота и аргона, содержащихся в земной атмосфере, можно было бы отдать под полезную нагрузку.  

Заключение

Знания о практической космонавтике даются дорогой ценой, и лишь такие трагедии, как гибель советского космонавта № 0 Валентина Бондаренко и гибель экипажа Аполлона-1 заставили постепенно отказаться от чисто кислородной атмосферы на космических кораблях. Интуитивные представления об огне и катализаторах горения необходимо проверять, особенно с учётом того, что на орбите каждый грамм кислорода на счету, а добывать дополнительный кислород можно разве что электролизом не менее ценной воды и экспериментальными методами с использованием фотосинтеза. В то же время, изучение процессов горения на орбите даёт неожиданные результаты. В частности, в условиях невесомости образуется более упорядоченная и ровная сажа, которая может оказаться уникальным сырьём для получения углеродных нанотрубок. К рассказу о такой необычной саже я планирую вернуться в одной из следующих публикаций на Хабре.