Акутагава Рюноскэ однажды подметил: «Человеческая жизнь подобна коробке спичек. Относиться к ней серьезно — нелепо, относиться легкомысленно — крайне опасно». Вдохновившись этим афоризмом, я решил поднять на SE7ENе тему одной из самых редких, но при этом фатальных угроз в космонавтике — специфику пожара в условиях микрогравитации.
Ранее этот вопрос уже поднимал на SE7ENе Филипп Терехов @lozga в своей публикации «Как зажигали в космосе». В том материале подробно описывался единственный в истории орбитальный пожар 1997 года на станции «Мир», длившийся около полутора минут. Однако физико-химические аспекты горения в невесомости представляют самостоятельный научный интерес, особенно в контексте протекания сложных реакций. Руслан @Travis_Macrif также упоминал об актуальных исследованиях NASA на МКС в начале текущего десятилетия. Давайте разберемся, в чем уникальность этого процесса и поддается ли он контролю.
В условиях орбитального полета огонь ведет себя иначе, чем в земной лаборатории. Понимание этих метаморфоз критически важно не только для фундаментальной науки, но и для обеспечения безопасности будущих межпланетных миссий, включая экспедиции на Марс.
Морфология пламени в невесомости
Для возникновения огня необходима классическая триада: горючее, окислитель и источник инициации. Процесс окисления напрямую зависит от парциального давления кислорода и параметров атмосферы — эти нюансы я разбирал в статье «Укрощение кислорода и подводные камни терраформирования».
Рассмотрим обычную свечу. На Земле в процессе горения выделяется тепло, свет, водяной пар и углекислый газ. Нагретые продукты сгорания расширяются, их плотность падает, и под действием гравитации они устремляются вверх.
Этот градиент плотности порождает естественную конвекцию — постоянный приток свежего кислорода к фитилю. В микрогравитации этот механизм отсутствует: продукты горения обволакивают пламя, препятствуя доступу окислителя, что приводит к быстрому самозатуханию реакции.
При горении свечи на Земле парафин распадается на летучие фрагменты, которые подхватываются конвективным потоком, формируя вытянутый, привычный глазу «язык» пламени.
В невесомости картина меняется: пламя принимает форму идеальной сферы. Поскольку кислород поступает в зону реакции исключительно путем медленной диффузии, горение локализуется строго на границе раздела фаз топлива и воздуха.
Реакция протекает крайне медленно и только там, где диффузия обеспечивает минимальный приток кислорода. Без принудительной вентиляции углекислый газ быстро «душит» источник огня, скапливаясь вокруг него неподвижным облаком.
Изменяется и спектр излучения: из-за низкой скорости расхода кислорода пламя становится тусклым и приобретает синеватый оттенок, что свидетельствует о его относительно невысокой температуре. Желтые искры возникают лишь при случайном выбросе микрочастиц несгоревшего углерода.
Цели орбитальных исследований горения
На борту МКС состав воздуха максимально приближен к земному. Однако на заре космонавтики, например, в американской программе «Аполлон», использовалась чисто кислородная атмосфера при низком давлении. Это решение привело к катастрофе: 27 января 1967 года во время наземных испытаний «Аполлона-1» вспыхнул пожар, унесший жизни Вирджила Гриссома, Эдварда Уайта и Роджера Чаффи. Позже концентрацию кислорода снизили до 40%, но и это оставалось рискованным. Этой трагической странице посвящен материал Михаила Белокскова @Sterpa «Памятник павшим астронавтам».
Сегодня изучение огня в космосе преследует две цели: пожарную безопасность и оптимизацию ракетных двигателей. Идеальное смешивание компонентов топлива для получения максимального КПД требует понимания динамики сферического фронта пламени.
Значительный вклад в эту область внес Пол Ронни из Университета Южной Калифорнии. Он исследовал, как температура влияет на скорость реакций: повышение всего на 10 градусов может ускорить процесс вдвое, а образование токсичных оксидов азота — втрое.
В 1997 году в рамках миссии «Колумбия» был проведен эксперимент «SOFBALL» (Structure of Flame Balls at Low Lewis-number). Смесь водорода и кислорода горела в течение 500 секунд, создавая сверххолодное пламя, которое в земных условиях просто не смогло бы существовать.
Современные опыты фокусируются на скорости распространения фронта пламени, динамике тепловыделения и подборе эффективных антипиренов — веществ, замедляющих горение. Ученые тестируют полимерные материалы, определяя критические условия, при которых они перестают быть пожароопасными.
Коварство микрогравитации заключается в том, что из-за отсутствия конвекции перегретые газы не отводятся от места возгорания, вызывая локальный перегрев конструкций. Особенно опасно скрытое тление в кабельных каналах: пластиковая изоляция может плавиться и деформироваться долгое время, оставаясь незамеченной из-за отсутствия дымового шлейфа. Учитывая дефицит ресурсов на борту, о котором писал @AntoBro в статье «Откуда берутся вода и кислород на МКС», любая нештатная ситуация с огнем становится критической.
Вспомним инцидент на станции «Мир» 24 февраля 1997 года. В тот момент на борту находилось шесть человек. Александр Лазуткин активировал дублирующую систему генерации кислорода в модуле «Квант-1», которая внезапно превратилась в «огнемет», выбрасывая искры и расплавленный металл. Дым мгновенно заполнил отсек, перекрыв путь к спасательному кораблю «Союз». Космонавты Валерий Корзун и Александр Калери при поддержке коллег Джерри Линенджера и Райнхольда Эвальда вступили в схватку с огнем. Благодаря хладнокровию экипажа и тому, что продукты горения в итоге заблокировали доступ кислорода к очагу, катастрофы удалось избежать. Этот случай наглядно показал, насколько непредсказуемой может быть огненная стихия на орбите.
Научная программа на МКС: от ACME до SoFIE
Поскольку дым и пламя в невесомости распространяются хаотично, традиционные датчики дыма могут оказаться бесполезными. Для решения этой проблемы в 2008 году на МКС была доставлена специализированная установка Combustion Integrated Rack (CIR).
Спустя год стартовал проект «FLEX» (Flame Extinguishment Experiment), в ходе которого изучались методы тушения жидкого топлива (гептана и метанола). Выяснилось, что в космосе возможно существование «холодного пламени», которое незаметно для глаза и может привести к повторному самовозгоранию после кажущегося тушения.
Продолжением стала серия экспериментов ACME (Advanced Combustion via Microgravity Experiments), в рамках которой с 2017 года было проведено более 1500 запусков. Вот ключевые направления:
-
BRE (Burning Rate Emulator) — изучение способности материалов поддерживать горение без активного притока воздуха.
-
CLD Flame — анализ горения в условиях сильного разрежения и задымленности для создания точных цифровых моделей.
-
CFI-G — получение «холодного» газового пламени с использованием озона и плазменных разрядов.
-
E-FIELD Flames — исследование управления формой пламени и его выбросами с помощью внешних электрических полей.
-
Flame Design — создание стабильного сферического пламени и изучение механизмов потери энергии через излучение.
-
s-Flame — сбор данных о динамике зажигания и угасания диффузионного пламени.
В 2024 году фокус сместился на проект SoFIE (Solid Fuel Ignition and Extinction). В его рамках проводится подпроект MIST, изучающий горение твердых синтетиков (пластика, оргстекла), преобладающих в интерьерах кораблей. Результаты поражают: в невесомости порог воспламенения материалов снижается. Если на Земле для горения нужно 18% кислорода, то на орбите достаточно 15%. Это заставляет ученых искать новые огнеупорные полимеры и экспериментировать с составом дыхательных смесей. Например, замена азота на гелий могла бы не только снизить пожароопасность, но и облегчить конструкцию аппарата, что уже давно практикуется в глубоководных аппаратах.
Итоги
Безопасность в космосе оплачена жизнями героев, таких как Валентин Бондаренко или экипаж «Аполлона-1». Сегодня каждый эксперимент с огнем на МКС — это шаг к созданию безопасных систем жизнеобеспечения для дальнего космоса. Помимо вопросов защиты, эти исследования открывают неожиданные перспективы: в микрогравитации сажа кристаллизуется в идеально упорядоченные структуры, что может стать ключом к промышленному синтезу высококачественных углеродных нанотрубок. К этой многообещающей теме я обязательно вернусь в будущих статьях.
