Вогонь у невагомості горить зовсім не так, як на землі – вчені зіткнулися з дивним явищем. Як полум'я горить у невагомості

Багато фізичних процесів протікають інакше, ніж Землі, і горіння не виняток. Полум'я в невагомості поводиться зовсім по-іншому, набуваючи сферичної форми. На фото-горінні крапельки етилену на повітрі в умовах мікрогравітації. Цей знімок зроблено під час експерименту з вивчення фізики горіння у спеціальній 30-метровій вежі (2.2-Second Drop Tower) Дослідницького центру імені Джона Гленна (Glenn Research Center), створеної для відтворення умов мікрогравітації при вільному падінні. Багато експериментів, які потім було поставлено на космічних апаратах, проходили попереднє тестування в цій вежі, тому її називають «ворітами в космос» (a gateway to space).

Куляста форма полум'я пояснюється тим, що в умовах невагомості немає висхідного руху повітря і не відбувається конвекція теплих і холодних шарів, яка на Землі «витягує» полум'я у форму краплі. Полум'я для горіння не вистачає припливу свіжого повітря, що містить кисень, і воно виходить менше і не гаряче. Звичний для нас на Землі жовто-жовтогарячий колір полум'я викликаний свіченням частинок сажі, які піднімаються вгору з гарячим потоком повітря. У невагомості ж полум'я набуває блакитного кольору, тому що сажі утворюється мало (для цього потрібна температура більше 1000°С), та й та сажа, що є, через нижчу температуру світитиметься тільки в інфрачервоному діапазоні. На верхньому фото в полум'ї ще є жовто-жовтогарячий колір, оскільки знята рання стадія займання, коли кисню ще достатньо.

Дослідження горіння в умовах невагомості є особливо важливими для забезпечення безпеки космічних апаратів. Експерименти з придушення вогню (Flame Extinguishment Experiment, FLEX) вже кілька років проводять у спеціальному відсіку на борту МКС. Дослідники спалахують невеликі краплі палива (наприклад, гептану та метанолу) у контрольованій атмосфері. Маленька кулька палива горить приблизно 20 секунд, оточена сферою вогню діаметром 2,5-4 мм, після чого крапля зменшується доки або не згасне полум'я, або не скінчиться паливо. Найнесподіванішим результатом виявилося те, що крапля гептану після видимого згоряння перейшла в так звану холодну фазу - полум'я стало настільки слабким, що його неможливо було побачити. І все ж таки це було горіння: вогонь міг миттєво спалахнути при взаємодії з киснем або паливом.

Як пояснюють дослідники, при звичайному горінні температура полум'я коливається між 1227°С і 1727°С - при цій температурі в експерименті був видимий вогонь. У міру згоряння палива починалося «холодне горіння»: полум'я остигало до 227-527 ° С і виробляло не сажу, вуглекислий газ і воду, а більш токсичні матеріали - формальдегід і монооксид вуглецю. У ході експерименту FLEX також підбирали найменш вогненебезпечну атмосферу на основі вуглекислого газу та гелію, що допоможе у майбутньому знизити ризик загоряння космічних апаратів.

Про горіння та полум'я на Землі та в невагомості див.
Костянтин Богданов «Де собака заритий?» - «5. Що таке вогонь? .

Янаш Банніков

Марина Позднякова

Багато хто з тих, хто дивився культовий американський фільм «Зоряні війни», досі пам'ятають вражаючі кадри з вибухами, язиками полум'я, що летять на всі боки уламками… А чи може така страшна сцена повторитися в реальному космосі? У просторі, повністю позбавленому повітря? Щоб відповісти на це питання, спробуємо розібратися для початку, як горітиме звичайна свічка на космічній станції.

Що таке горіння? Це хімічна реакція окиснення з виділенням великої кількості тепла та утворенням розпечених продуктів згоряння. Процес горіння може відбуватися лише за наявності палива, кисню і за умови, що продукти окислення будуть відводитися із зони горіння.

Подивимося, як влаштовано свічку і що саме в ній горить. Свічка - скручений з бавовняних ниток гніт, залитий воском, парафіном або стеарином. Багато хто думає, що горить сам гніт, але це не так. Горить якраз речовина навколо ґноту, точніше, його пари. Гніт ж потрібен для того, щоб віск, що розплавився від тепла полум'я (парафін, стеа-рин), піднімався по його капілярах в зону горіння.

Щоб перевірити це можна провести невеликий експеримент. Задуйте свічку і тут же піднесіть сірник, що горить, в точку вище ґнота сантиметра на два-три, туди, де піднімаються вгору пари воску. Від сірника вони спалахнуть, після чого вогонь опуститься на гніт і свічка загориться знову (детальніше див.).

Отже, пальне є. Кисню в повітрі теж цілком достатньо. А як бути із відведенням продуктів згоряння? На землі із цим проблем немає. Повітря, нагріте теплом полум'я свічки, стає менш щільним, ніж навколишній холодний, і піднімається вгору разом з продуктами згоряння (вони утворюють язичок полум'я). Якщо ж продукти згоряння, а це вуглекислий газ CO 2 і пари води залишаться в зоні реакції, горіння швидко припиниться. Переконатися в цьому легко: поставте свічку, що горить, у високу склянку - вона згасне.

А тепер подумаємо, що станеться зі свічкою на космічній станції, де всі предмети перебувають у стані невагомості. Різниця в щільності гарячого та холодного повітря вже не викликатиме природну конвекцію, і через нетривалий час у зоні горіння не залишиться кисню. Зате утворюється надлишок окису вуглецю (чадного газу) CO. Однак ще кілька хвилин свічка горітиме, а полум'я набуде форми кулі, що оточує гніт.

Не менш цікаво дізнатися, якого кольору буде полум'я свічки на космічній станції. На землі в ньому переважає жовтий відтінок, зумовлений свіченням розжарених частинок сажі. Зазвичай вогонь горить при температурі 1227-1721 про З. У невагомості було помічено, що з вичерпання пального речовини починається «холодне» горіння за нормальної температури 227-527 про З. У умовах суміш граничних вуглеводнів у складі воску виділяє водень Н 2 ; який надає полум'ю голубуватий відтінок.

А чи запалював хтось справжні свічки в космосі? Виявляється, запалювали – на орбіті. Вперше це було зроблено в 1992 році в експериментальному модулі космічного корабля Spece Shattle, потім в космічному кораблі NASA Колумбія, в 1996 досвід повторили на станції Світ. Звичайно, цією роботою займалися не просто цікаво, а для того, щоб зрозуміти, до яких наслідків може призвести пожежа на борту станції і як з ним боротися.

З жовтня 2008 по травень 2012 року подібні експерименти проводилися за проектом NASA на Міжнародній космічній станції. Цього разу космонавти досліджували горючі речовини в ізольованій камері за різних тисків та різного вмісту кисню. Тоді і було встановлено холодне горіння при низьких температурах.

Нагадаємо, що продукти згоряння на землі – це, як правило, вуглекислий газ та пари води. У невагомості ж, за умов горіння за низьких температур, виділяються високотоксичні речовини, переважно чадний газ і формальдегід.

Дослідники продовжують вивчати горіння у невагомості. Можливо, результати цих експериментів ляжуть в основу розробки нових технологій, адже майже все, що робиться для космосу, за деякий час знаходить застосування на землі.

Тепер ми розуміємо, що режисер Джордж Лукас, який зняв «Зоряні війни», таки сильно помилився, зображуючи апокаліптичний вибух космічної станції. Насправді станція, що вибухнула, буде виглядати як короткий яскравий спалах. Після неї залишиться величезна блакитна куля, яка дуже швидко згасне. А якщо раптом на станції щось спалахне по-справжньому, потрібно негайно автоматично відключити штучну циркуляцію повітря. І тоді пожежа не станеться.

Віск- непрозора, жирна на дотик, тверда маса, що плавиться при нагріванні. Складається зі складних ефірів жирних кислот рослинного та тваринного походження.

Парафін- воскоподібна суміш насичених вуглеводнів.

Стеарін- воскоподібна суміш стеаринової та пальмітинової кислот з домішкою інших насичених та ненасичених жирних кислот.

Природна конвекція- процес теплопередачі, зумовлений циркуляцією повітряних мас при їх нерівномірному нагріванні у полі тяжіння. Коли нижні шари нагріваються, вони стають легшими і піднімаються, а верхні шари, навпаки, остигають, стають важчими і опускаються вниз, після чого процес повторюється знову і знову.

Вогонь виникає тоді, коли є три складові. По-перше, це паливо у вигляді дерева, паперу, спирту, газу і т.д. По-друге, необхідний кисень, який взаємодіє з паливом, внаслідок горіння кисень входить у реакцію з паливом. Третя необхідна складова – це тепло. Тільки нагріте до певної температури паливо горітиме на повітрі.

Вогонь у невагомості September 12th, 2015

Зліва - свічка горить Землі, а праворуч - у невагомості.

Ось подробиці …

Експеримент, проведений на борту Міжнародної космічної станції, дав несподівані результати – відкрите полум'я повело себе зовсім не так, як очікували вчені.

Як люблять говорити деякі вчені, вогонь - це найдавніший і найуспішніший хімічний експеримент людства. Справді, вогонь йшов із людством завжди: від перших вогнищ, на яких смажили м'ясо, до полум'я ракетного двигуна, який доставив людину на Місяць. За великим рахунком, вогонь є символом та знаряддям прогресу нашої цивілізації.

Доктор Форман А. Вільямс (Forman A. Williams), професор фізики в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, давно працює над вивченням полум'я. Зазвичай, вогонь – це найскладніший процес тисяч взаємопов'язаних хімічних реакцій. Наприклад, в полум'ї свічки вуглеводневі молекули випаровуються з гноту, розщеплюються під впливом тепла і з'єднуються з киснем, виробляючи світло, тепло, CO2 і воду. Деякі з вуглеводневих фрагментів у формі кільцеподібних молекул, які називають поліциклічними ароматичними вуглеводнями, утворюють сажу, яка може також згоріти або перетворитися на дим. Знайому краплеподібну форму вогнику свічки надає гравітація та конвекція: гаряче повітря піднімається вгору та затягує у полум'я свіже холодне повітря, завдяки чому полум'я тягнеться вгору.

Але, виявляється, у невагомості все відбувається інакше. Під час експерименту під назвою FLEX вчені вивчали вогонь на борту МКС, щоб розробити технології гасіння пожеж у невагомості. Дослідники підпалювали невеликі бульбашки гептану всередині спеціальної камери і дивилися, як поводиться полум'я.

Вчені зіткнулися з дивним явищем. В умовах мікрогравітації, полум'я горить інакше воно утворює маленькі кульки. Це явище було очікуваним, оскільки, на відміну від полум'я на Землі, в невагомості кисень і паливо зустрічаються в тонкому шарі на поверхні сфери, це проста схема, яка відрізняється від земного вогню. Проте виявилася дивина: вчені спостерігали продовження горіння вогняних кульок навіть після того, як за всіма розрахунками горіння мало припинитися. При цьому вогонь перейшов у так звану холодну фазу – він горів дуже слабко, настільки, що полум'я було неможливо побачити. Тим не менш, це було горіння, і полум'я могло миттєво спалахнути з великою силою при контакті з паливом та киснем.

Зазвичай видимий вогонь горить за високої температури між 1227 і 1727 градусами Цельсія. Гептанові бульбашки на МКС також яскраво горіли при цій температурі, але в міру вичерпання палива та остигання почалося зовсім інше горіння — холодне. Воно проходить при відносно низькій температурі 227-527 градусів за Цельсієм і виробляють не сажу, CO2 і воду, а більш токсичні моноксид вуглецю і формальдегід.

Схожі типи холодного полум'я в лабораторіях відтворювалися і на Землі, але в умовах гравітації сам по собі такий вогонь нестійкий і швидко загасає. На МКС проте холодне полум'я може стійко горіти кілька хвилин. Це не дуже приємне відкриття, оскільки холодний вогонь є підвищеною небезпекою: він легше запалюється, у тому числі мимоволі, його складніше виявити і, до того ж, він виділяє більше токсичних речовин. З іншого боку, відкриття може знайти практичне застосування, наприклад, у технології HCCI, яка передбачає запалювання палива в бензинових моторах не від свічок, а від холодного полум'я.

На Землі завдяки наявності гравітації виникають конвекційні потоки, які утворюють форму полум'я. Вони піднімають розпечені частинки сажі, які випромінюють видиме світло. Завдяки цьому ми бачимо полум'я.

У невагомості конвекційні потоки відсутні, частинки сажі не піднімаються, а полум'я свічки набуває сферичної форми.

Через те, що матеріал свічки є сумішшю вуглеводнів, вони при згорянні виділяють водень, який горить блакитним полум'ям.

Вчені намагаються зрозуміти, як і чому вогонь поширюється у невагомості. Вивчення полум'я за умов невагомості необхідне оцінки пожежостійкості космічного корабля і розробки спеціальних засобів пожежогасіння. Так можна забезпечити безпеку космонавтів та транспортних засобів.

В іншому експерименті вчені – дослідники із США. у наземних умовах запалили пластиковий диск розміром трохи більший за компакт-диск. Диск підпалили в центрі і полум'я поширювалося до його периферії. Коли диск почали обертати з частотою від 2-х до 20 об/с, полум'я набуло форми коми і почало переміщатися в протилежному напрямку обертанню.

За допомогою цього методу вчені досліджують поширення полум'я під час загоряння різних матеріалів.

Джерело: http://science.nasa.gov/

Чи знаєте ви?

Некорисні винаходи

Щоб отримати патент у низці зарубіжних країн, потрібно довести, що нічого подібного до тебе не винаходили. Користуванням винаходу ніхто не цікавиться. І ось що з цього часом виходить.

У Голландії якийсь Еварт узяв патент на автомобіль-ванну. Автор запевняє, що у ванну можна налити достатньо води, щоби викупатися на ходу.

Одного француза чудово побили, як тільки він надумав скористатися своїм винаходом. Справа в тому, що він сконструював фотоапарат, точнісінько схожий на револьвер. І коли горе-винахідник витягнув свою «зброю», щоб зробити кілька знімків у центрі Парижа, перехожі одразу накинулися на нього, взявши за грабіжника.