空間站微重力燃燒：全球研究進展、對比分析與發展展望

原文發表于《科技導報》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流的影響，揭示了燃燒現象的本征特性與深層機理。《科技導報》邀請清華大學燃燒能源中心、能源與動力工程系、熱科學與動力工程教育部重點實驗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）主導國際空間站燃燒研究的具體規劃，并結合燃燒科學中的重要問題以及空間實驗的必要性，分析了NASA和國際各國在國際空間站建成前后的燃燒科學實驗部署模式，以及國際空間站燃燒科學實驗的成功案例。最后回顧了中國空間站燃燒科學實驗領域當前的規劃和發展方向，并提供一些分析建議。

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從落塔到航天飛機的燃燒科學實驗

20世紀50年代，研究人員開始以數值方式求解反應流問題。Godsave于1953年對此模型進行驗證實驗發現，液滴火焰由于強浮力效應表現出尖銳的火焰尖端，顯然違反了“球對稱一維系統”的模型假設。20世紀50年代后期，東京大學Kumagai等為驗證一維液滴燃燒模型，進行了首次微重力實驗。圖1為Kumagai等進行的系列微重力燃燒實驗設計與火焰圖像。

圖1 Kumagai等的首次系列微重力液滴燃燒實驗

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

自1981年以來，美國使用航天飛機完成一系列太空科學實驗任務，包括空間實驗室（Spacelab，1983—1998年）、航天飛機和平號空間站計劃（Shuttle?Mir Program，1994—1998年）和國際空間站（ISS，1998—2011年）的建設。這些記錄表明，美國當時已對固體材料、液滴和預混氣體燃燒進行了充分的地面和空間實驗。圖2為航天飛機時代微重力燃燒實驗的精選照片。

圖2 航天飛機時代的微重力燃燒實驗

回顧20世紀90年代的微重力燃燒科學實驗，在數量和質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報道了世界上第1個在探空火箭中的液池火焰傳播實驗（SAL）。1990年建造的德國不萊梅落塔極大地促進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落塔進行了燃燒實驗。

探空火箭項目“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飛機用于微重力實驗。當時，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隊。基于這些國家微重力科學實驗基礎設施的多樣化，這些國家的微重力燃燒研究在多個方向取得重要的成果。

NASA在1999年微重力燃燒研究報告中指出，微重力燃燒研究的首要目標是利用空間環境擴展科學知識的邊界，相關技術將用于促進商業航天與共享人類空間探索的知識與技術，提高地球居民的生活品質，研究成果可用于提高燃燒系統的效率、降低污染物排放，并通過只能從微重力環境得到的實驗結論降低火災風險，為航天器和地外定居所需的工程材料可燃特性發展測試方法，并形成數據庫。相應規劃在以下3個方向重點投入：（1）燃燒學基礎研究；（2）航天器火災及其他應用；（3）空間站燃燒實驗通用測量與診斷。

此報告中提到了NASA在1999年以前，已經資助了微重力燃燒相關的13項飛行驗證研究、58項地面微重力研究、6個飛行任務，以及多個與日本和俄羅斯空間站的國際合作項目。這些規劃為國際空間站的燃燒科學實驗裝置提供全面的支撐。表1展示了NASA在1993—1997年支持的國內微重力科學項目情況，包括對于學生的獎學金支持。結合表1中1994年的年度預算總額進行概算，微重力燃燒領域當年的年度經費預算高達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驗之前，微重力燃燒研究的成果在全世界范圍內占絕對主導地位（圖3）。

表1 1993—1997年度NASA支持的微重力實驗項目情況

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與發展歷程

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隊，為國際空間站微重力燃燒實驗項目的國際合作奠定了堅實基礎，有效提升了美國研究人員對微重力燃燒研究的國際視野和前瞻性。

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國際空間站時代的微重力燃燒實驗

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）的成功發射，國際空間站上的微重力燃燒實驗開始展現活力。2009—2013年，使用CIR內的MDCA實施了用于單液滴燃燒的滅火（FLEX和FLEX?2）項目，這是ISS的第一個系列燃燒實驗。利用MDCA的單纖維細絲支撐液滴的功能，在2013—2015年期間支持了FLEX?2J（與JAXA合作）項目，研究了一維液滴陣列的火焰蔓延和相應的液滴運動。2013年，FLEX意大利燃燒實驗?綠色空氣（FLEX?IGE?GA）項目研究了生物燃料（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的液滴冷焰實驗證據，美國和俄羅斯合作實施了冷火焰研究（CFI）的延續項目。

2010年，ISS上的微重力科學手套箱（MSG）使用航天飛機時代LSP實驗項目的類似設計進行簡單燃燒實驗。MSG的第一個燃燒實驗是2010年啟動的同流火焰煙點實驗（SPICE）和燃燒結構與升舉實驗（SLICE）。MSG自2011年以來用于固體燃燒和抑制（BASS）項目。這些研究的結果證實，材料在常重力環境下就算通過了NASA?STD?6001可燃性測試，在微重力下這些材料仍可能發生著火和火蔓延。此問題挑戰了NASA現有標準和國際標準對空間環境的材料可燃性評估正確性。自2016年以來，天鵝座貨運飛船離開國際空間站后進行了一系列大規模材料燃燒實驗，如航天器火災安全演示（Saffire）項目。

2008年左右，日本JAXA通過STS?123、124和127航天飛機發射Kibo模塊。Kibo模塊中包含了許多以日本科學家為主設計的微重力科學實驗。自2022年起，JAXA、NASA和ESA通過國際合作在SCEM中執行了低重力可燃性極限實驗（FLARE）項目。這些項目中使用的許多實驗方法已在落塔和拋物線飛行實驗中得到充分驗證。

2017—2020年，國際空間站的CIR內進行了燃燒前沿項目的系列研究（ACME）。這些實驗揭示了在落塔實驗中無法達到氣體射流火焰準穩態的現象，揭示了氣態層流火焰的熄滅極限、臨界火焰離子流和氣態穩態冷火焰等。

自2021年以來，國際空間站的CIR已開始用于固體燃料點火和熄滅（SoFIE）實驗。圖4總結了國際空間站通過CIR、MSG、天鵝座貨運飛船以及日本的Kibo模組進行的燃燒科學實驗研究。

圖4 截至2025年國際空間站進行的燃燒科學實驗項目

除了在國際空間站上的活動外，2000年后，國際上許多團隊進一步推動了燃燒中的微重力和弱重力實驗研究。一般自由落體實驗臺的微重力水平可以通過真空或風阻艙提升，K?nemann等為德國不萊梅落塔系統提出了一個新型設施概念，該概念在落艙兩側采用直線電機組來主動控制實驗裝置加速度，并能實現基于月球和火星應用場景的“弱重力”環境。NASA格林研究中心（GRC）的零重力落塔也啟動了類似設施的研制，稱為電動落塔項目。未來，中國科學技術大學及中國科學院空間應用技術與工程中心將在此技術基礎上建設更大規模的自由落體實驗設施。

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微重力燃燒研究重要成果與潛在應用

作為最早開展微重力科學項目的航天機構之一，NASA在1989年就向公眾公布了微重力燃燒科學的項目情況。20世紀90年代舉行的系列國際微重力燃燒研討會以及計劃報告中詳細記錄了大量落塔實驗的科學發現。微重力燃燒研究不僅可以對各種太空任務的火災預測和預防產生直接影響，同時，在各種地基燃燒應用相關的燃燒過程中，最大限度地減少浮力的影響已成為獲得基礎燃燒特性的重要手段。NASA資助的微重力燃燒項目對航天器火災煙霧探測和氣體診斷傳感器在地表上的應用及相關產業產生廣泛影響。

太空制造高附加價值產品也引起了研究人員的廣泛興趣。然而，空間站生產的材料或藥物尚未克服簡化工業化的極高成本。NASA曾嘗試利用微重力燃燒合成陶瓷粉末材料，但因為產量問題目前仍無法形成商業化規模。以下總結了當前國內外微重力燃燒研究發現的新現象及潛在應用背景。

3.1 微重力下揭示的基本燃燒極限

物質的可燃性極限是防火安全最重要的特性之一。Ronney等在1985年首次使用落塔實驗獲得了甲烷/空氣混合物的可燃性極限。研究發現，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，發現當時最準確的甲烷反應動力學模型仍然無法準確預測可燃極限（圖5（a））。這些研究表明，對于航天器防火安全等微重力應用，氣體混合物的可燃性極限不能直接通過常重力實驗獲得，即使現階段的數值仿真仍會誤導航天器運行緊急情況下爆炸閾值的判斷。

圖5 微重力實驗揭示燃燒極限

對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等報道了一系列關于甲烷?空氣對沖火焰的低拉伸熄滅極限的微重力實驗和數值分析。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驗的數據進行驗證。Ju等發現，由于輻射引起的不穩定性，輻射熄滅極限表現出分叉，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研究具有其理論貢獻，可用于指導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力系統燃燒控制與設計。

固體材料的燃燒極限是航天器防火安全設計的基石。在航天器所處的微重力環境中，NASA?STD?6001B中提出的極限氧濃度（LOC）可能無法準確預測固體材料可燃性邊界，NASA因此提出了上極限氧指數（ULOI）和最大氧濃度（MOC）的判斷準則。以外部流動下的熱薄材料為例，Takahashi等的理論模型預測表明，在微重力下，實際極限甚至更低，如圖5（c）中微重力中出現的熱區。由于落塔實驗一般無法提供火焰穩定在固體材料傳播所需的時間，空間防火安全仍需要利用空間實驗結果進行指導，這仍然是該領域的一個風險及挑戰。

3.2 微重力下的層流到湍流火焰轉捩

發動機需對液體或氣體燃料進行單獨儲存，因此，圍繞燃料射流形成的射流擴散火焰的行為一直是基礎燃燒的重要研究領域之一。圖6（a）為Hegde等在1994年使用落塔實驗獲得的微重力和常重力射流火焰結果。該實驗表明，正常和微重力下，在很寬的雷諾數范圍內，火焰高度存在明顯差異。當雷諾數超過臨界值時，流動和火焰轉捩為湍流，從而產生更好的混合和閉口火焰（圖6（b））。浮力對流體摻混的影響顯著，導致在常重力下湍流射流擴散火焰的火焰高度要短得多。Hegde等也報道了從層流到湍流的流動轉變呈“間歇性”（圖6（c））影響整體火焰的行為。該研究結果可廣泛用于常重力和微重力環境下各類燃燒器中推舉火焰穩定情況的評估分析，同時可為大規模火焰微結構演化行為提供有效預測。

圖6 微重力和常重力的射流火焰轉捩現象代表性研究

3.3 液滴火焰中的煙灰“殼”

液滴燃燒的經典理論模型可用于在噴霧燃燒數值仿真中的子模型，此理論模型可直接預測液滴蒸發速率和火焰半徑。微重力液滴燃燒實驗發現，碳煙顆粒在液滴擴散火焰中的富燃區形成，并受到史蒂芬力、熱泳和擴散泳等力影響，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特機會。1996年，Choi等在落塔液滴燃燒實驗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數的演變。此外，由于碳煙尺寸一般在微米量級以下，在流動中呈現較小的斯托克斯數，當碳煙的“殼”無法保持球對稱性時，可以用來揭示液滴掛絲結構引起的異常對流（圖7(b)）。基于以上研究，微重力環境對于碳煙和液滴燃燒基礎研究具有重要價值，可作為發動機燃燒模擬所需子模型的驗證平臺。

圖7 微重力液滴燃燒實驗中的碳煙“殼”代表性工作

3.4 冷火焰

液滴冷火焰的發現被評為“ISS 20年科學研究的20項突破”之一。冷火焰是一種由低溫反應動力學維持的火焰結構，在600~900 K中尤為明顯，一般也稱為低溫燃燒（LTC）。自20世紀90年代以來，隨著計算機技術與詳細燃燒化學反應動力學模型的快速發展，基于長期微重力環境獲取的液滴燃燒實驗數據，已可以通過結合液相與氣相傳遞、相平衡理論以及最為關鍵的氣相反應動力學模型進行數值仿真對比。根據Web of Science的統計，2012年關于冷火焰的文章少于每年1000篇，而在ISS實驗發現冷火焰之后5年，相關研究達到了每年3000篇以上（圖8），表明微重力冷火焰的發現極大地促進了基礎和應用研究。2023年，導致相鄰液滴異常點火的群燃實驗（在Kibo中）和ACME氣態火焰實驗也報道了冷火焰現象。實驗發現的自維持冷火焰表明低溫氧化可能不僅是瞬態過程的一瞥，在內燃機燃燒過程中，有效控制冷火焰進程可進一步降低NOx和碳煙污染（如圖8（b）中的LTC區所示），這也是當前內燃機前沿技術發展的重要方向之一。

圖8 微重力液滴燃燒實驗發現冷火焰的領域影響

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中國空間站燃燒研究規劃與展望

中國載人航天工程項目于1992年1月獲得批準（921工程）。中國國家微重力實驗室于1995年獲得批準，其3.6 s落塔于2000年左右完工，可支持一系列微重力科學實驗。神舟一號飛船于1999年成功發射并回收，2003年中國首位航天員繞地球飛行。這些微重力設施和計劃對中國論證微重力基礎研究產生了直接而深遠的影響。

中國空間站的燃燒科學實驗立項始于2014年前后。2022年發射的中國空間站夢天艙搭載了燃燒科學實驗柜，目前通過燃燒實驗系統中的氣體實驗插件支持進行各類射流火焰實驗。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表，同時在個別燃燒子領域有更多綜述性的文章。根據中國載人航天工程辦公室2023年發布的《空間站應用與發展工程空間科學與應用項目指南》，中國的空間燃燒科學計劃納入空間微重力物理范疇，目前已初步劃分為3個子領域，并明確了相應的關鍵科學問題。1）近可燃極限和基礎燃燒研究。2）微重力下材料著火特性和防護研究。3）重要應用燃燒機理及轉化研究。

上述研究方向以基礎燃燒研究為主，同時涵蓋了與載人航天防火以及地面重要應用交叉科學相關的內容。表2列出了中國空間站燃燒實驗裝置的初步規劃以及應用科學項目領域。

如表2所示，在當前的3個指南領域中，中國空間微重力燃燒科學實驗裝置在安全的壓力條件下規劃了較為多樣的裝置，能較為全面地服務于科學實驗需求，此初步規劃將隨著在軌燃燒科學實驗的發展進行更新迭代。

表2 中國空間站燃燒科學實驗裝置規劃情況

與NASA支持微重力燃燒科學實驗的力度和資助范圍相比，中國空間站科學實驗項目的征集和實施目前僅限于在空間站開展的實驗，對于需要利用落塔等地基實驗設施進行的實驗研究來說，目前仍需要通過科學技術部的國家重點研發計劃及國家自然科學基金委員會進行資助。盡管如此，中國在當前的資助力度條件下，已經凝聚了較多的燃燒領域科學家，通過地面落塔和空間站實驗逐步開展具有重大科學意義的微重力燃燒實驗。

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劃，以及2030年俄羅斯軌道服務空間站（ROSS）和2035年的印度空間站（BAS）預計陸續完成建設，微重力燃燒科學有望再度迎來全球范圍內的蓬勃發展，進而攻克一系列更具挑戰性的前沿科學問題。2023年，美國國家科學院出版社發表了《在太空中蓬勃發展：確保生物和物理科學研究的未來：2023—2032年的十年調查》。報告中指出，微重力燃燒的重要研究對象仍然是消防安全、冷火焰、超臨界燃燒，因為它們有可能產生新的燃燒機制或行為，從而推動創新燃燒技術的發展，如極壓和低溫推進，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劑、等離子體輔助點火，以及更高效、污染更少的燃燒應用中的基礎科學等。

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結論

微重力燃燒研究依托地基和空間站實驗平臺，揭示了被浮力掩蓋的燃燒本征規律，推動了基礎科學認知與技術應用的雙重突破。

ISS實驗揭示了液滴和氣相冷火焰的自維持性，拓展了低溫化學動力學的認知邊界，還為地面工業燃燒器設計（如內燃機低溫燃燒技術）提供了關鍵參數依據。另一方面，材料可燃性在微重力下的低氧極限特性，暴露了現有航天防火標準的不足，促使NASA更新完善火災風險評估體系。NASA通過近30年高強度投入（年資助規模達數億美元），構建了覆蓋基礎研究—航天應用—技術轉化的全鏈條體系。其特色包括：（1）培育國際學術共同體（如ISS多國實驗），強化學科交叉；（2）專注長周期項目，構建從地面落塔、航天飛機到空間站實驗等，積累數據庫；（3）推動空間站研究成果的商業技術轉化。相較而言，中國雖已完成空間站燃燒實驗柜的初步部署，并且規劃了多樣化的在軌實驗裝置，但在地基配套研究（如落塔模擬弱重力）及國際聯合實驗機制建設方面仍有提升空間。未來，需進一步強化跨部門協作，探索與商業航天的技術協同，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，彰顯中國科學家在關鍵科學問題上的創新活力。

微重力燃燒研究是保障航天安全與地面能源創新的“催化劑”。中國需立足空間站的長周期實驗優勢，以關鍵科學問題為牽引，系統性布局基礎理論與應用技術攻關，同時深化國際合作，為人類探索深空提供安全保障與創新動力。

本文作者：劉有晟

作者簡介：劉有晟，清華大學燃燒能源中心、清華大學能源與動力工程系、清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，副教授，研究方向為空間和地基微重力燃燒實驗與理論建模。

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

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