為了應對太空失火,人類是如何“見招拆招”的?
來源:科普中國
發布時間:2023-11-13
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對火的控製和利用是人類的一件大事。利用火的功能,人類發明了火柴、火車、火輪、火藥,以及火箭和飛船,借此脫離地球,進入了太空。可以說,火是人類進化、發展和文明道路上的發動機與(yu) 助推器。


但是火總是桀驁不馴,它如同一柄雙刃劍,既造福人類也危害人類。它每發威一次,人類就要經曆一次火中取栗,甚至玩火自焚。由此造成的結果,人類把它稱之為(wei) “火災”。為(wei) 增加全民的消防安全意識,我國從(cong) 1992年起把每年的11月9日定為(wei) 全國消防日。


1+3=0

1972年,蘇聯莫斯科電影製片廠出品了一部名叫《馴火記》的彩色傳(chuan) 記電影。它在頌揚航天總設計師科羅廖夫傳(chuan) 奇人生的同時告訴人們(men) ,航天科技的發展是一部曲折艱難的馴火史。


早在航天時代初期,航天專(zhuan) 家們(men) 就清醒地意識到這是一種高風險行業(ye) 。等到載人航天活動開始後,他們(men) 的風險意識就更強了,因為(wei) 航天飛行的未知領域和技術太多太雜,哪怕一個(ge) 細枝末節意識不到或者疏忽大意,結果就可能是災難性的。


這種擔憂沒過幾年就成了現實。1961年3月,蘇聯空軍(jun) 少尉、第一批航天員之一的邦達連科,在一次地麵訓練中因酒精棉球引起高壓純氧艙起火而身亡。1967年1月,美國在發射台上試驗的阿波羅1號載人飛船發生火災,3名航天員全部遇難。


在地麵訓練火災中身亡的蘇聯航天員邦達連科


阿波羅1號飛船火災中遇難的3名航天員(左起:格斯·格裏索姆、愛德華·懷特、羅傑·查菲)


兩(liang) 起火災,四人死亡。專(zhuan) 家們(men) 由此聯想到飛船在太空軌道上發生火災的艱難處境與(yu) 嚴(yan) 重後果。地球上發生火災時,我們(men) 可以采取各種有效辦法撲救,並且撥打119火警電話,隨即消防車就會(hui) 風馳電掣一般趕來滅火。可是太空沒有這種好戲,那裏撥不通119電話,消防車更是鞭長莫及,開不到那裏去,因此航天員完全處於(yu) 孤立無援的境地。地球上著火後,人們(men) 可以立即逃離火場;可是太空不行,在航天飛機、空間站等大型載人航天器問世之前,載人飛船是空間狹小的密閉環境,航天員簡直無處可逃。


阿波羅1號飛船失火後的內(nei) 部照片


太空火災並非杞人憂天。1997年,俄羅斯的和平號空間站就因一台氧氣發生器故障發生火災,使站內(nei) 充滿了嗆人的煙霧,好在十幾分鍾後熄滅了,沒有釀成大禍。美國的航天飛機也曾多次發生火情。值得慶幸的是,在迄今為(wei) 止整整60年的載人航天活動中,太空火情、火險、火警為(wei) 數不多,重大火災事故一直保持零紀錄。這種喜人的局麵應該歸功於(yu) 多年來紮實有效的太空消防安全。


聯盟TMA-4飛船發射前,消防車在火箭附近保駕護航


防患於(yu) “未燃”

“預防為(wei) 主,防消結合”是中國的消防安全工作方針。世界各國太空消防安全的思路和做法與(yu) 其基本一致。


載人航天器是高科技的結晶,裏麵各種電路、氣路、液路縱橫交錯,可燃物、易燃物隨處可見,因此釀成火災的三個(ge) 條件——可燃物、助燃物、引火源,無一缺少,處處皆備。要想在這種危險的環境裏避免火災發生,最好的辦法就是預防為(wei) 主。具體(ti) 說就是從(cong) 地麵做起,從(cong) 源頭防範,從(cong) 根本上杜絕火災隱患,把它扼殺在萌芽狀態。


首先,要在航天器的設計過程中努力減少可燃物、助燃物和引火源。


為(wei) 了減少可燃物,在選擇隔熱、絕緣、密封和裝飾等材料時應嚴(yan) 格選用難燃或不燃材料,否則將助火為(wei) 虐。這是來自阿波羅4A飛船血的教訓,那場大火就是由電火花引燃拉舍爾材料網袋釀成的。


火災的助燃物主要是艙內(nei) 氧氣,它是航天員的生命之源,所以要科學地利用好。阿波羅載人飛船曾使用百分之百的純氧,結果它在“阿波羅4A”火災中無異於(yu) 火上澆油,事故後才改用氧氣氮氣混合氣體(ti) 。


火災引火源主要來自航天器上的大量電氣設備,它們(men) 發生的短路、過載和接觸不良造成的過熱等故障都可能引起火災。在這方麵,“阿波羅4A”火災同樣提供了慘痛教訓。飛船的環境控製設備艙裏裝有一扇金屬艙門,當航天員開艙門時,門的鋒利邊緣擦破了下麵敷設的電纜的絕緣層,造成短路打火。所以,航天器的電氣設備一定要安全可靠,避免形成引火源。


其次,在航天器的生產(chan) 、試驗和裝配過程中,嚴(yan) 格對所有零部組件的質量控製,確保產(chan) 品的高質量和高可靠性,杜絕各種電路、氣路和液路出現泄漏,以及推進劑的跑冒滴漏。


航天器+滅火器

盡管本著“預防為(wei) 主”的方針,采取了各種預防措施,但是發生火災的可能性仍然存在,因此“防消結合”必不可少。


多年來,為(wei) 了迅速高效地撲滅太空火災,航天專(zhuan) 家和消防專(zhuan) 家針對載人航天器的環境與(yu) 地球完全不同的特殊情況,對微重力下火災的發生、蔓延等現象進行了大量試驗、分析和研究。結果表明,火在太空的燃燒現象和地球上不太一樣。在地球上,火焰表現為(wei) 圓錐形;而在太空,它因為(wei) 微重力的作用近似球形。而且陰燃現象較多,燃燒局限在較小區域,擴散和傳(chuan) 播速度較慢。這些情況說明微重力環境對火災的發生和蔓延具有一定抑製作用,有助於(yu) 滅火工作的施展,同時為(wei) 太空火災的預防、探測和撲救提供了理論依據。


航天員在KC-135飛機上練習(xi) 在失重環境下使用滅火器


就像及早發現人體(ti) 的病變,對於(yu) 拯救人的生命意義(yi) 重大一樣,及早發現初起火情對於(yu) 迅速撲滅火災至關(guan) 重要。因此載人航天器上大多裝有包括煙感報警器在內(nei) 的火災報警係統,用於(yu) 密切監視各部位各係統的安全狀況。一旦哪裏出現火情,報警器就會(hui) 立即發出警報並顯示具體(ti) 部位。航天員和地麵控製中心接到警報後會(hui) 立即采取應急措施。


這些報警器的安裝位置和地球上不太一樣。在地球上,火災的煙霧是向上擴散,最後聚積在屋頂下,所以報警器大多裝在天花板中間。而在太空的航天器裏,煙霧不是向上而是向四周擴散,所以報警器既要裝在天花板上,也要裝在牆壁等其他地方。


值得注意的是,這些高度靈敏的報警器有時候也會(hui) 誤事。1985年9月,剛進入禮炮7號空間站的3名蘇聯航天員,正在忙著檢查和試驗儀(yi) 器儀(yi) 表時突然警鈴大作。2001年3月,在國際空間站的第二批3名航天員進站工作的第二天,命運號科學實驗艙也突發火警。這兩(liang) 起火警讓航天員們(men) 虛驚一場,原來站內(nei) 根本沒有火災跡象,是報警器出現了誤警,原因都是站內(nei) 的塵埃和懸浮顆粒觸發了報警器。


除火災報警係統以外,載人航天器上還配備了防毒麵具、氧氣瓶、滅火器等消防器材。


1981年4月,航天員約翰·楊(左)和羅伯特·克裏平在首次試飛的哥倫(lun) 比亞(ya) 號航天飛機上


滅火器是地球上除了消防車以外,最常見的消防器材,裏麵裝著水、泡沫、幹粉、二氧化碳、鹵代烷等滅火劑。同樣,滅火器也是太空最便捷好用的消防武器。不過,它對滅火劑的要求卻很挑剔,畢竟太空火災的撲滅環境與(yu) 地球上不盡相同。例如,地球上滅火最常用的水在太空一般不用,因為(wei) 水噴出後在微重力條件下難以集中到火焰上,隻會(hui) 形成水滴水霧在艙內(nei) 四處飄浮,一旦滲進儀(yi) 器設備有可能造成短路故障。


幹粉滅火器更不適用,因為(wei) 造成的汙染太嚴(yan) 重,用它滅火,儀(yi) 器設備倒是不會(hui) 短路,可是座艙還能用嗎?泡沫滅火器曾在阿波羅飛船的指令艙和天空實驗室上配備過,不過一直沒有滅火機會(hui) ,否則產(chan) 生的汙染也不會(hui) 小。


航天飛機STS-114機組的航天員在學習(xi) 滅火器使用方法


相比之下,二氧化碳滅火器對於(yu) 撲滅航天器這種充滿精密儀(yi) 器的火災來說更好用,特點是滅火後很幹淨,不留汙染痕跡;隻是當它在空氣中達到一定含量時會(hui) 危及人的生命。說不定,火被滅的同時,航天員也被“滅”了。


鹵代烷曾是一種性能良好的滅火劑,美國航天飛機裝備的哈龍1301滅火器就屬於(yu) 這種類型。它的滅火效果很好,而且火後不留痕跡,曾在世界上廣泛應用。但是,它雖然對人體(ti) 無毒無害,卻對大氣臭氧層有破壞作用,多年前已經不再生產(chan) 使用。


目前,科學家們(men) 還在研究試驗適合各種火災,既高能高效又無毒無汙染的滅火劑,有的已經取得重大成果,例如細水霧滅火技術。它是用泵壓或氣壓噴出水流,形成霧一樣的水滴,對火焰產(chan) 生冷卻、窒息作用,在太空可以有效地撲滅各種火災。由於(yu) 使用的滅火劑就是普通的水,所以這種滅火技術不會(hui) 對人員和設備造成危害。也就是說,等到細水霧技術成熟後正式應用時,以前不適用的水也可以在太空滅火中大顯神威了。


測試細水霧便攜式滅火器


不管是哪種滅火器或者哪種消防器材,都必須保證性能良好,隨時可用。不能像和平號空間站那樣,等到失火時才發現有的氧氣罩是壞的,還有的滅火器竟然拿不下來,貽誤了滅火時機。


航天員=消防員


有句話叫“水火無情”。太空一旦發生火災,載人航天器上的儀(yi) 器設備都可能遭到破壞,重大火災還將危及航天器的安全,以及航天員的健康和生命。所以發生火災時,火警就是命令,火場就是戰場,航天器就是消防車,航天員就是消防員。


國際空間站上,日本航天員星出秋彥正在檢查便攜式滅火器


危急關(guan) 頭,航天員都會(hui) 挺身而出,但是一定要保持鎮靜,切忌驚慌失措,隻有這樣才能對火情做出準確判斷。其實,這對具有良好心理素質的航天員來說不難,難的是太空滅火要比地球上難得多。舉(ju) 例來說,在地球上使用滅火器很簡單,先拔掉保險銷,再將噴嘴對準火苗按下手柄就行,可是在太空,你剛按下手柄就可能向後飛出很遠,因為(wei) 噴出的滅火劑會(hui) 產(chan) 生反作用力。所以,航天員太空飛行前都要認真學好太空消防這門必修課,包括嚴(yan) 格的滅火培訓。滅火前,航天員首先要做好個(ge) 人防護,包括佩戴防毒麵具或氧氣瓶,因為(wei) 火焰和煙霧中包含多種危及人的健康甚至生命的有毒氣體(ti) ,確保安全後才能根據應急預案和具體(ti) 情況實施撲救。


歐洲航天員弗蘭(lan) 克·德溫尼在國際空間站上對便攜式呼吸器進行每月的定期檢查


滅火方法可以借鑒地球上的隔離法、窒息法、冷卻法和抑製法。


按照隔離法,要關(guan) 閉可燃氣體(ti) 和液體(ti) 管道的閥門,搬開火源附近的可燃物。按照窒息法,要在第一時間切斷通風係統,以免形成空氣對流,為(wei) 燃燒提供所需的空氣;可以用不燃物或難燃物蒙蓋燃燒物,阻止空氣進入燃燒區。窒息法最有效的是座艙緊急減壓,就是泄除航天器內(nei) 的空氣,給火焰一個(ge) 釜底抽薪,使它因缺少空氣自行熄滅,最後再恢複正常艙壓。美國的雙子星座、阿波羅飛船、航天飛機,俄羅斯的聯盟號載人飛船,還有國際空間站都具備這種減壓功能。當火災用盡各種方法仍然撲不滅時,座艙減壓將成為(wei) 太空滅火的一柄殺手鐧,前提是嚴(yan) 格穿戴好專(zhuan) 用航天服等防護設備。滅火的另外兩(liang) 種方法——冷卻法和抑製法都是向燃燒物噴射滅火劑,前者是把燃燒物的溫度降低到燃點以下,後者是通過抑製燃燒的化學反應過程,使燃燒終止。


當一切辦法用盡,仍不能控製火勢時,航天員當然不能坐以待斃,他們(men) 可以棄船(站)逃生。和平號空間站和國際空間站都備有救援飛船,航天員可以借此緊急撤離,返回地球。當然,這是誰都不願看到的結果。


載人航天技術的發展需要消防技術並駕齊驅。或許將來有一天,當太空中的載人航天器像地球上的建築一樣鱗次櫛比時,太空“消防車”會(hui) 奔馳其中,警笛長鳴地駛向失火的航天器。不用說,那時太空119火警電話一定也早已開通。


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