原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第 10期《空間站微重力燃燒研究分析與展望》

微重力燃燒研究通過消除浮力對(duì)流的影響，揭示了燃燒現(xiàn)象的本征特性與深層機(jī)理。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)清華大學(xué)燃燒能源中心、能源與動(dòng)力工程系、熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉有晟副教授撰寫文章，深入剖析了美國國家航空航天局（NASA）主導(dǎo)國際空間站燃燒研究的具體規(guī)劃，并結(jié)合燃燒科學(xué)中的重要問題以及空間實(shí)驗(yàn)的必要性，分析了NASA和國際各國在國際空間站建成前后的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)部署模式，以及國際空間站燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功案例。最后回顧了中國空間站燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域當(dāng)前的規(guī)劃和發(fā)展方向，并提供一些分析建議。

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從落塔到航天飛機(jī)的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)

20世紀(jì)50年代，研究人員開始以數(shù)值方式求解反應(yīng)流問題。Godsave于1953年對(duì)此模型進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液滴火焰由于強(qiáng)浮力效應(yīng)表現(xiàn)出尖銳的火焰尖端，顯然違反了“球?qū)ΨQ一維系統(tǒng)”的模型假設(shè)。20世紀(jì)50年代后期，東京大學(xué)Kumagai等為驗(yàn)證一維液滴燃燒模型，進(jìn)行了首次微重力實(shí)驗(yàn)。圖1為Kumagai等進(jìn)行的系列微重力燃燒實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與火焰圖像。

圖1 Kumagai等的首次系列微重力液滴燃燒實(shí)驗(yàn)

NASA最早的微重力研究課題之一源于低重力下推進(jìn)劑罐中液體分布不受控制的問題。NASA開始使用自由落體設(shè)施和拋物線飛機(jī)研究航天器材料的可燃性、太空艙內(nèi)火勢的增長、滅火和火災(zāi)探測方法，這些開創(chuàng)性的研究為1968—1972年阿波羅任務(wù)的成功奠定了基礎(chǔ)。

自1981年以來，美國使用航天飛機(jī)完成一系列太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括空間實(shí)驗(yàn)室（Spacelab，1983—1998年）、航天飛機(jī)和平號(hào)空間站計(jì)劃（Shuttle?Mir Program，1994—1998年）和國際空間站（ISS，1998—2011年）的建設(shè)。這些記錄表明，美國當(dāng)時(shí)已對(duì)固體材料、液滴和預(yù)混氣體燃燒進(jìn)行了充分的地面和空間實(shí)驗(yàn)。圖2為航天飛機(jī)時(shí)代微重力燃燒實(shí)驗(yàn)的精選照片。

圖2 航天飛機(jī)時(shí)代的微重力燃燒實(shí)驗(yàn)

回顧20世紀(jì)90年代的微重力燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在數(shù)量和質(zhì)量方面都代表了世界微重力燃燒研究的第一次巨大飛躍。1995年，NASA報(bào)道了世界上第1個(gè)在探空火箭中的液池火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)（SAL）。1990年建造的德國不萊梅落塔極大地促進(jìn)了歐洲的微重力燃燒研究以及他們與日本研究人員的合作，歐洲研究人員還使用位于西班牙國家太空科技研究所（INTA）的2 s落塔進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn)。

探空火箭項(xiàng)目“TEXUS”自1990年以來一直支持歐洲的微重力燃燒研究。自1994年以來，NASA一直將DC?9飛機(jī)用于微重力實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，由于微重力燃燒研究的主要參與者來自美國、日本和法國的研究團(tuán)隊(duì)。基于這些國家微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的多樣化，這些國家的微重力燃燒研究在多個(gè)方向取得重要的成果。

NASA在1999年微重力燃燒研究報(bào)告中指出，微重力燃燒研究的首要目標(biāo)是利用空間環(huán)境擴(kuò)展科學(xué)知識(shí)的邊界，相關(guān)技術(shù)將用于促進(jìn)商業(yè)航天與共享人類空間探索的知識(shí)與技術(shù)，提高地球居民的生活品質(zhì)，研究成果可用于提高燃燒系統(tǒng)的效率、降低污染物排放，并通過只能從微重力環(huán)境得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，為航天器和地外定居所需的工程材料可燃特性發(fā)展測試方法，并形成數(shù)據(jù)庫。相應(yīng)規(guī)劃在以下3個(gè)方向重點(diǎn)投入：（1）燃燒學(xué)基礎(chǔ)研究；（2）航天器火災(zāi)及其他應(yīng)用；（3）空間站燃燒實(shí)驗(yàn)通用測量與診斷。

此報(bào)告中提到了NASA在1999年以前，已經(jīng)資助了微重力燃燒相關(guān)的13項(xiàng)飛行驗(yàn)證研究、58項(xiàng)地面微重力研究、6個(gè)飛行任務(wù)，以及多個(gè)與日本和俄羅斯空間站的國際合作項(xiàng)目。這些規(guī)劃為國際空間站的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置提供全面的支撐。表1展示了NASA在1993—1997年支持的國內(nèi)微重力科學(xué)項(xiàng)目情況，包括對(duì)于學(xué)生的獎(jiǎng)學(xué)金支持。結(jié)合表1中1994年的年度預(yù)算總額進(jìn)行概算，微重力燃燒領(lǐng)域當(dāng)年的年度經(jīng)費(fèi)預(yù)算高達(dá)4.5千萬美元。如此巨額的投資，使美國在國際空間站開始實(shí)驗(yàn)之前，微重力燃燒研究的成果在全世界范圍內(nèi)占絕對(duì)主導(dǎo)地位（圖3）。

表1 1993—1997年度NASA支持的微重力實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目情況

圖3 截至2023年美國、日本和中國在Web of Science的微重力燃燒研究論文累計(jì)與發(fā)展歷程

NASA在1990—2004年共組織了7次國際微重力燃燒論壇，匯聚了全球微重力燃燒研究的核心團(tuán)隊(duì)，為國際空間站微重力燃燒實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的國際合作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有效提升了美國研究人員對(duì)微重力燃燒研究的國際視野和前瞻性。

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國際空間站時(shí)代的微重力燃燒實(shí)驗(yàn)

國際空間站自1998年開始建造，隨著2008年燃燒集成柜（CIR）和多用戶液滴燃燒裝置（MDCA）的成功發(fā)射，國際空間站上的微重力燃燒實(shí)驗(yàn)開始展現(xiàn)活力。2009—2013年，使用CIR內(nèi)的MDCA實(shí)施了用于單液滴燃燒的滅火（FLEX和FLEX?2）項(xiàng)目，這是ISS的第一個(gè)系列燃燒實(shí)驗(yàn)。利用MDCA的單纖維細(xì)絲支撐液滴的功能，在2013—2015年期間支持了FLEX?2J（與JAXA合作）項(xiàng)目，研究了一維液滴陣列的火焰蔓延和相應(yīng)的液滴運(yùn)動(dòng)。2013年，F(xiàn)LEX意大利燃燒實(shí)驗(yàn)?綠色空氣（FLEX?IGE?GA）項(xiàng)目研究了生物燃料（正庚烷/乙醇和正癸烷/正己醇）單液滴的燃燒行為。基于FLEX和FLEX?2的液滴冷焰實(shí)驗(yàn)證據(jù)，美國和俄羅斯合作實(shí)施了冷火焰研究（CFI）的延續(xù)項(xiàng)目。

2010年，ISS上的微重力科學(xué)手套箱（MSG）使用航天飛機(jī)時(shí)代LSP實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的類似設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單燃燒實(shí)驗(yàn)。MSG的第一個(gè)燃燒實(shí)驗(yàn)是2010年啟動(dòng)的同流火焰煙點(diǎn)實(shí)驗(yàn)（SPICE）和燃燒結(jié)構(gòu)與升舉實(shí)驗(yàn)（SLICE）。MSG自2011年以來用于固體燃燒和抑制（BASS）項(xiàng)目。這些研究的結(jié)果證實(shí)，材料在常重力環(huán)境下就算通過了NASA?STD?6001可燃性測試，在微重力下這些材料仍可能發(fā)生著火和火蔓延。此問題挑戰(zhàn)了NASA現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空間環(huán)境的材料可燃性評(píng)估正確性。自2016年以來，天鵝座貨運(yùn)飛船離開國際空間站后進(jìn)行了一系列大規(guī)模材料燃燒實(shí)驗(yàn)，如航天器火災(zāi)安全演示（Saffire）項(xiàng)目。

2008年左右，日本JAXA通過STS?123、124和127航天飛機(jī)發(fā)射Kibo模塊。Kibo模塊中包含了許多以日本科學(xué)家為主設(shè)計(jì)的微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)。自2022年起，JAXA、NASA和ESA通過國際合作在SCEM中執(zhí)行了低重力可燃性極限實(shí)驗(yàn)（FLARE）項(xiàng)目。這些項(xiàng)目中使用的許多實(shí)驗(yàn)方法已在落塔和拋物線飛行實(shí)驗(yàn)中得到充分驗(yàn)證。

2017—2020年，國際空間站的CIR內(nèi)進(jìn)行了燃燒前沿項(xiàng)目的系列研究（ACME）。這些實(shí)驗(yàn)揭示了在落塔實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到氣體射流火焰準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象，揭示了氣態(tài)層流火焰的熄滅極限、臨界火焰離子流和氣態(tài)穩(wěn)態(tài)冷火焰等。

自2021年以來，國際空間站的CIR已開始用于固體燃料點(diǎn)火和熄滅（SoFIE）實(shí)驗(yàn)。圖4總結(jié)了國際空間站通過CIR、MSG、天鵝座貨運(yùn)飛船以及日本的Kibo模組進(jìn)行的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 截至2025年國際空間站進(jìn)行的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

除了在國際空間站上的活動(dòng)外，2000年后，國際上許多團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步推動(dòng)了燃燒中的微重力和弱重力實(shí)驗(yàn)研究。一般自由落體實(shí)驗(yàn)臺(tái)的微重力水平可以通過真空或風(fēng)阻艙提升，K?nemann等為德國不萊梅落塔系統(tǒng)提出了一個(gè)新型設(shè)施概念，該概念在落艙兩側(cè)采用直線電機(jī)組來主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)裝置加速度，并能實(shí)現(xiàn)基于月球和火星應(yīng)用場景的“弱重力”環(huán)境。NASA格林研究中心（GRC）的零重力落塔也啟動(dòng)了類似設(shè)施的研制，稱為電動(dòng)落塔項(xiàng)目。未來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及中國科學(xué)院空間應(yīng)用技術(shù)與工程中心將在此技術(shù)基礎(chǔ)上建設(shè)更大規(guī)模的自由落體實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

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微重力燃燒研究重要成果與潛在應(yīng)用

作為最早開展微重力科學(xué)項(xiàng)目的航天機(jī)構(gòu)之一，NASA在1989年就向公眾公布了微重力燃燒科學(xué)的項(xiàng)目情況。20世紀(jì)90年代舉行的系列國際微重力燃燒研討會(huì)以及計(jì)劃報(bào)告中詳細(xì)記錄了大量落塔實(shí)驗(yàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。微重力燃燒研究不僅可以對(duì)各種太空任務(wù)的火災(zāi)預(yù)測和預(yù)防產(chǎn)生直接影響，同時(shí)，在各種地基燃燒應(yīng)用相關(guān)的燃燒過程中，最大限度地減少浮力的影響已成為獲得基礎(chǔ)燃燒特性的重要手段。NASA資助的微重力燃燒項(xiàng)目對(duì)航天器火災(zāi)煙霧探測和氣體診斷傳感器在地表上的應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生廣泛影響。

太空制造高附加價(jià)值產(chǎn)品也引起了研究人員的廣泛興趣。然而，空間站生產(chǎn)的材料或藥物尚未克服簡化工業(yè)化的極高成本。NASA曾嘗試?yán)梦⒅亓θ紵铣商沾煞勰┎牧希驗(yàn)楫a(chǎn)量問題目前仍無法形成商業(yè)化規(guī)模。以下總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)外微重力燃燒研究發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象及潛在應(yīng)用背景。

3.1 微重力下揭示的基本燃燒極限

物質(zhì)的可燃性極限是防火安全最重要的特性之一。Ronney等在1985年首次使用落塔實(shí)驗(yàn)獲得了甲烷/空氣混合物的可燃性極限。研究發(fā)現(xiàn)，在微重力下，近可燃極限的層流火焰速度明顯低于在常重力下測得的速度，從而導(dǎo)致可燃性極限存在差異。Wang等使用微重力下測量的層流火焰速度重新審視了甲烷/空氣混合物的可燃極限，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)最準(zhǔn)確的甲烷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型仍然無法準(zhǔn)確預(yù)測可燃極限（圖5（a））。這些研究表明，對(duì)于航天器防火安全等微重力應(yīng)用，氣體混合物的可燃性極限不能直接通過常重力實(shí)驗(yàn)獲得，即使現(xiàn)階段的數(shù)值仿真仍會(huì)誤導(dǎo)航天器運(yùn)行緊急情況下爆炸閾值的判斷。

圖5 微重力實(shí)驗(yàn)揭示燃燒極限

對(duì)沖火焰的熄滅極限定義了火焰因流體過度拉伸或輻射而熄滅的條件。Guo等報(bào)道了一系列關(guān)于甲烷?空氣對(duì)沖火焰的低拉伸熄滅極限的微重力實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析。低拉伸速率下的下限由輻射控制，即輻射熄滅極限，這只能使用微重力實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。Ju等發(fā)現(xiàn)，由于輻射引起的不穩(wěn)定性，輻射熄滅極限表現(xiàn)出分叉，這使得“跳躍極限”存在于輻射熄滅極限之上，使原C形曲線成為G形，如圖5（b）所示。這些火焰與流體交互作用極限的基礎(chǔ)研究具有其理論貢獻(xiàn)，可用于指導(dǎo)湍流燃燒建模中的小火焰制表方法，用于更廣泛的能源與動(dòng)力系統(tǒng)燃燒控制與設(shè)計(jì)。

固體材料的燃燒極限是航天器防火安全設(shè)計(jì)的基石。在航天器所處的微重力環(huán)境中，NASA?STD?6001B中提出的極限氧濃度（LOC）可能無法準(zhǔn)確預(yù)測固體材料可燃性邊界，NASA因此提出了上極限氧指數(shù)（ULOI）和最大氧濃度（MOC）的判斷準(zhǔn)則。以外部流動(dòng)下的熱薄材料為例，Takahashi等的理論模型預(yù)測表明，在微重力下，實(shí)際極限甚至更低，如圖5（c）中微重力中出現(xiàn)的熱區(qū)。由于落塔實(shí)驗(yàn)一般無法提供火焰穩(wěn)定在固體材料傳播所需的時(shí)間，空間防火安全仍需要利用空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行指導(dǎo)，這仍然是該領(lǐng)域的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)及挑戰(zhàn)。

3.2 微重力下的層流到湍流火焰轉(zhuǎn)捩

發(fā)動(dòng)機(jī)需對(duì)液體或氣體燃料進(jìn)行單獨(dú)儲(chǔ)存，因此，圍繞燃料射流形成的射流擴(kuò)散火焰的行為一直是基礎(chǔ)燃燒的重要研究領(lǐng)域之一。圖6（a）為Hegde等在1994年使用落塔實(shí)驗(yàn)獲得的微重力和常重力射流火焰結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)表明，正常和微重力下，在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，火焰高度存在明顯差異。當(dāng)雷諾數(shù)超過臨界值時(shí)，流動(dòng)和火焰轉(zhuǎn)捩為湍流，從而產(chǎn)生更好的混合和閉口火焰（圖6（b））。浮力對(duì)流體摻混的影響顯著，導(dǎo)致在常重力下湍流射流擴(kuò)散火焰的火焰高度要短得多。Hegde等也報(bào)道了從層流到湍流的流動(dòng)轉(zhuǎn)變呈“間歇性”（圖6（c））影響整體火焰的行為。該研究結(jié)果可廣泛用于常重力和微重力環(huán)境下各類燃燒器中推舉火焰穩(wěn)定情況的評(píng)估分析，同時(shí)可為大規(guī)模火焰微結(jié)構(gòu)演化行為提供有效預(yù)測。

圖6 微重力和常重力的射流火焰轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象代表性研究

3.3 液滴火焰中的煙灰“殼”

液滴燃燒的經(jīng)典理論模型可用于在噴霧燃燒數(shù)值仿真中的子模型，此理論模型可直接預(yù)測液滴蒸發(fā)速率和火焰半徑。微重力液滴燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳煙顆粒在液滴擴(kuò)散火焰中的富燃區(qū)形成，并受到史蒂芬力、熱泳和擴(kuò)散泳等力影響，決定了聚集的位置，形成具有確定直徑的碳煙“殼”，為研究火焰碳煙提供了獨(dú)特機(jī)會(huì)。1996年，Choi等在落塔液滴燃燒實(shí)驗(yàn)中使用激光背光成像（圖7(a)），揭示了在微重力下正庚烷液滴燃燒過程中碳煙體積分?jǐn)?shù)的演變。此外，由于碳煙尺寸一般在微米量級(jí)以下，在流動(dòng)中呈現(xiàn)較小的斯托克斯數(shù)，當(dāng)碳煙的“殼”無法保持球?qū)ΨQ性時(shí)，可以用來揭示液滴掛絲結(jié)構(gòu)引起的異常對(duì)流（圖7(b)）。基于以上研究，微重力環(huán)境對(duì)于碳煙和液滴燃燒基礎(chǔ)研究具有重要價(jià)值，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模擬所需子模型的驗(yàn)證平臺(tái)。

圖7 微重力液滴燃燒實(shí)驗(yàn)中的碳煙“殼”代表性工作

3.4 冷火焰

液滴冷火焰的發(fā)現(xiàn)被評(píng)為“ISS 20年科學(xué)研究的20項(xiàng)突破”之一。冷火焰是一種由低溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)維持的火焰結(jié)構(gòu)，在600~900 K中尤為明顯，一般也稱為低溫燃燒（LTC）。自20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與詳細(xì)燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的快速發(fā)展，基于長期微重力環(huán)境獲取的液滴燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，已可以通過結(jié)合液相與氣相傳遞、相平衡理論以及最為關(guān)鍵的氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值仿真對(duì)比。根據(jù)Web of Science的統(tǒng)計(jì)，2012年關(guān)于冷火焰的文章少于每年1000篇，而在ISS實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冷火焰之后5年，相關(guān)研究達(dá)到了每年3000篇以上（圖8），表明微重力冷火焰的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。2023年，導(dǎo)致相鄰液滴異常點(diǎn)火的群燃實(shí)驗(yàn)（在Kibo中）和ACME氣態(tài)火焰實(shí)驗(yàn)也報(bào)道了冷火焰現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的自維持冷火焰表明低溫氧化可能不僅是瞬態(tài)過程的一瞥，在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中，有效控制冷火焰進(jìn)程可進(jìn)一步降低NOx和碳煙污染（如圖8（b）中的LTC區(qū)所示），這也是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)前沿技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

圖8 微重力液滴燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冷火焰的領(lǐng)域影響

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中國空間站燃燒研究規(guī)劃與展望

中國載人航天工程項(xiàng)目于1992年1月獲得批準(zhǔn)（921工程）。中國國家微重力實(shí)驗(yàn)室于1995年獲得批準(zhǔn)，其3.6 s落塔于2000年左右完工，可支持一系列微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)。神舟一號(hào)飛船于1999年成功發(fā)射并回收，2003年中國首位航天員繞地球飛行。這些微重力設(shè)施和計(jì)劃對(duì)中國論證微重力基礎(chǔ)研究產(chǎn)生了直接而深遠(yuǎn)的影響。

中國空間站的燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)立項(xiàng)始于2014年前后。2022年發(fā)射的中國空間站夢天艙搭載了燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，目前通過燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的氣體實(shí)驗(yàn)插件支持進(jìn)行各類射流火焰實(shí)驗(yàn)。2024年，中國第一篇空間站微重力燃燒研究論文在國際期刊發(fā)表，同時(shí)在個(gè)別燃燒子領(lǐng)域有更多綜述性的文章。根據(jù)中國載人航天工程辦公室2023年發(fā)布的《空間站應(yīng)用與發(fā)展工程空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目指南》，中國的空間燃燒科學(xué)計(jì)劃納入空間微重力物理范疇，目前已初步劃分為3個(gè)子領(lǐng)域，并明確了相應(yīng)的關(guān)鍵科學(xué)問題。1）近可燃極限和基礎(chǔ)燃燒研究。2）微重力下材料著火特性和防護(hù)研究。3）重要應(yīng)用燃燒機(jī)理及轉(zhuǎn)化研究。

上述研究方向以基礎(chǔ)燃燒研究為主，同時(shí)涵蓋了與載人航天防火以及地面重要應(yīng)用交叉科學(xué)相關(guān)的內(nèi)容。表2列出了中國空間站燃燒實(shí)驗(yàn)裝置的初步規(guī)劃以及應(yīng)用科學(xué)項(xiàng)目領(lǐng)域。

如表2所示，在當(dāng)前的3個(gè)指南領(lǐng)域中，中國空間微重力燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置在安全的壓力條件下規(guī)劃了較為多樣的裝置，能較為全面地服務(wù)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，此初步規(guī)劃將隨著在軌燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展進(jìn)行更新迭代。

表2 中國空間站燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)劃情況

與NASA支持微重力燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)的力度和資助范圍相比，中國空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的征集和實(shí)施目前僅限于在空間站開展的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于需要利用落塔等地基實(shí)驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究來說，目前仍需要通過科學(xué)技術(shù)部的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國家自然科學(xué)基金委員會(huì)進(jìn)行資助。盡管如此，中國在當(dāng)前的資助力度條件下，已經(jīng)凝聚了較多的燃燒領(lǐng)域科學(xué)家，通過地面落塔和空間站實(shí)驗(yàn)逐步開展具有重大科學(xué)意義的微重力燃燒實(shí)驗(yàn)。

隨著中國、美國和印度等國相繼公布月球探測和載人登月計(jì)劃，以及2030年俄羅斯軌道服務(wù)空間站（ROSS）和2035年的印度空間站（BAS）預(yù)計(jì)陸續(xù)完成建設(shè)，微重力燃燒科學(xué)有望再度迎來全球范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，進(jìn)而攻克一系列更具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題。2023年，美國國家科學(xué)院出版社發(fā)表了《在太空中蓬勃發(fā)展：確保生物和物理科學(xué)研究的未來：2023—2032年的十年調(diào)查》。報(bào)告中指出，微重力燃燒的重要研究對(duì)象仍然是消防安全、冷火焰、超臨界燃燒，因?yàn)樗鼈冇锌赡墚a(chǎn)生新的燃燒機(jī)制或行為，從而推動(dòng)創(chuàng)新燃燒技術(shù)的發(fā)展，如極壓和低溫推進(jìn)，通過超臨界燃燒處理廢水（即水熱火焰），更深入地理解新型推進(jìn)劑、等離子體輔助點(diǎn)火，以及更高效、污染更少的燃燒應(yīng)用中的基礎(chǔ)科學(xué)等。

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結(jié)論

微重力燃燒研究依托地基和空間站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，揭示了被浮力掩蓋的燃燒本征規(guī)律，推動(dòng)了基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)知與技術(shù)應(yīng)用的雙重突破。

ISS實(shí)驗(yàn)揭示了液滴和氣相冷火焰的自維持性，拓展了低溫化學(xué)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知邊界，還為地面工業(yè)燃燒器設(shè)計(jì)（如內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒技術(shù)）提供了關(guān)鍵參數(shù)依據(jù)。另一方面，材料可燃性在微重力下的低氧極限特性，暴露了現(xiàn)有航天防火標(biāo)準(zhǔn)的不足，促使NASA更新完善火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。NASA通過近30年高強(qiáng)度投入（年資助規(guī)模達(dá)數(shù)億美元），構(gòu)建了覆蓋基礎(chǔ)研究—航天應(yīng)用—技術(shù)轉(zhuǎn)化的全鏈條體系。其特色包括：（1）培育國際學(xué)術(shù)共同體（如ISS多國實(shí)驗(yàn)），強(qiáng)化學(xué)科交叉；（2）專注長周期項(xiàng)目，構(gòu)建從地面落塔、航天飛機(jī)到空間站實(shí)驗(yàn)等，積累數(shù)據(jù)庫；（3）推動(dòng)空間站研究成果的商業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化。相較而言，中國雖已完成空間站燃燒實(shí)驗(yàn)柜的初步部署，并且規(guī)劃了多樣化的在軌實(shí)驗(yàn)裝置，但在地基配套研究（如落塔模擬弱重力）及國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)機(jī)制建設(shè)方面仍有提升空間。未來，需進(jìn)一步強(qiáng)化跨部門協(xié)作，探索與商業(yè)航天的技術(shù)協(xié)同，降低研究成本，以及更大量地資助空間和地面微重力燃燒研究，以在國際空間燃燒研究的激烈競爭中，彰顯中國科學(xué)家在關(guān)鍵科學(xué)問題上的創(chuàng)新活力。

微重力燃燒研究是保障航天安全與地面能源創(chuàng)新的“催化劑”。中國需立足空間站的長周期實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢，以關(guān)鍵科學(xué)問題為牽引，系統(tǒng)性布局基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)，同時(shí)深化國際合作，為人類探索深空提供安全保障與創(chuàng)新動(dòng)力。

本文作者：劉有晟

作者簡介：劉有晟，清華大學(xué)燃燒能源中心、清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系、清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副教授，研究方向?yàn)榭臻g和地基微重力燃燒實(shí)驗(yàn)與理論建模。

文章來 源 ： 劉有晟. 空間站微重力燃燒研究分析與展望[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(10): 127?142.

本文有刪改，

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