為了應(yīng)對(duì)太空失火,人類是如何“見招拆招”的?
來(lái)源:科普中國(guó)
發(fā)布時(shí)間:2023-11-13
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對(duì)火的控制和利用是人類的一件大事。利用火的功能,人類發(fā)明了火柴、火車、火輪、火藥,以及火箭和飛船,借此脫離地球,進(jìn)入了太空??梢哉f(shuō),火是人類進(jìn)化、發(fā)展和文明道路上的發(fā)動(dòng)機(jī)與助推器。


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(fā)威一次,人類就要經(jīng)歷一次火中取栗,甚至玩火自焚。由此造成的結(jié)果,人類把它稱之為“火災(zāi)”。為增加全民的消防安全意識(shí),我國(guó)從1992年起把每年的11月9日定為全國(guó)消防日。


1+3=0

1972年,蘇聯(lián)莫斯科電影制片廠出品了一部名叫《馴火記》的彩色傳記電影。它在頌揚(yáng)航天總設(shè)計(jì)師科羅廖夫傳奇人生的同時(shí)告訴人們,航天科技的發(fā)展是一部曲折艱難的馴火史。


早在航天時(shí)代初期,航天專家們就清醒地意識(shí)到這是一種高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)。等到載人航天活動(dòng)開始后,他們的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)就更強(qiáng)了,因?yàn)楹教祜w行的未知領(lǐng)域和技術(shù)太多太雜,哪怕一個(gè)細(xì)枝末節(jié)意識(shí)不到或者疏忽大意,結(jié)果就可能是災(zāi)難性的。


這種擔(dān)憂沒(méi)過(guò)幾年就成了現(xiàn)實(shí)。1961年3月,蘇聯(lián)空軍少尉、第一批航天員之一的邦達(dá)連科,在一次地面訓(xùn)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(guó)在發(fā)射臺(tái)上試驗(yàn)的阿波羅1號(hào)載人飛船發(fā)生火災(zāi),3名航天員全部遇難。


在地面訓(xùn)練火災(zāi)中身亡的蘇聯(lián)航天員邦達(dá)連科


阿波羅1號(hào)飛船火災(zāi)中遇難的3名航天員(左起:格斯·格里索姆、愛德華·懷特、羅杰·查菲)


兩起火災(zāi),四人死亡。專家們由此聯(lián)想到飛船在太空軌道上發(fā)生火災(zāi)的艱難處境與嚴(yán)重后果。地球上發(fā)生火災(zāi)時(shí),我們可以采取各種有效辦法撲救,并且撥打119火警電話,隨即消防車就會(huì)風(fēng)馳電掣一般趕來(lái)滅火??墒翘諞](méi)有這種好戲,那里撥不通119電話,消防車更是鞭長(zhǎng)莫及,開不到那里去,因此航天員完全處于孤立無(wú)援的境地。地球上著火后,人們可以立即逃離火場(chǎng);可是太空不行,在航天飛機(jī)、空間站等大型載人航天器問(wèn)世之前,載人飛船是空間狹小的密閉環(huán)境,航天員簡(jiǎn)直無(wú)處可逃。


阿波羅1號(hào)飛船失火后的內(nèi)部照片


太空火災(zāi)并非杞人憂天。1997年,俄羅斯的和平號(hào)空間站就因一臺(tái)氧氣發(fā)生器故障發(fā)生火災(zāi),使站內(nèi)充滿了嗆人的煙霧,好在十幾分鐘后熄滅了,沒(méi)有釀成大禍。美國(guó)的航天飛機(jī)也曾多次發(fā)生火情。值得慶幸的是,在迄今為止整整60年的載人航天活動(dòng)中,太空火情、火險(xiǎn)、火警為數(shù)不多,重大火災(zāi)事故一直保持零紀(jì)錄。這種喜人的局面應(yīng)該歸功于多年來(lái)扎實(shí)有效的太空消防安全。


聯(lián)盟TMA-4飛船發(fā)射前,消防車在火箭附近保駕護(hù)航


防患于“未燃”

“預(yù)防為主,防消結(jié)合”是中國(guó)的消防安全工作方針。世界各國(guó)太空消防安全的思路和做法與其基本一致。


載人航天器是高科技的結(jié)晶,里面各種電路、氣路、液路縱橫交錯(cuò),可燃物、易燃物隨處可見,因此釀成火災(zāi)的三個(gè)條件——可燃物、助燃物、引火源,無(wú)一缺少,處處皆備。要想在這種危險(xiǎn)的環(huán)境里避免火災(zāi)發(fā)生,最好的辦法就是預(yù)防為主。具體說(shuō)就是從地面做起,從源頭防范,從根本上杜絕火災(zāi)隱患,把它扼殺在萌芽狀態(tài)。


首先,要在航天器的設(shè)計(jì)過(guò)程中努力減少可燃物、助燃物和引火源。


為了減少可燃物,在選擇隔熱、絕緣、密封和裝飾等材料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格選用難燃或不燃材料,否則將助火為虐。這是來(lái)自阿波羅4A飛船血的教訓(xùn),那場(chǎng)大火就是由電火花引燃拉舍爾材料網(wǎng)袋釀成的。


火災(zāi)的助燃物主要是艙內(nèi)氧氣,它是航天員的生命之源,所以要科學(xué)地利用好。阿波羅載人飛船曾使用百分之百的純氧,結(jié)果它在“阿波羅4A”火災(zāi)中無(wú)異于火上澆油,事故后才改用氧氣氮?dú)饣旌蠚怏w。


火災(zāi)引火源主要來(lái)自航天器上的大量電氣設(shè)備,它們發(fā)生的短路、過(guò)載和接觸不良造成的過(guò)熱等故障都可能引起火災(zāi)。在這方面,“阿波羅4A”火災(zāi)同樣提供了慘痛教訓(xùn)。飛船的環(huán)境控制設(shè)備艙里裝有一扇金屬艙門,當(dāng)航天員開艙門時(shí),門的鋒利邊緣擦破了下面敷設(shè)的電纜的絕緣層,造成短路打火。所以,航天器的電氣設(shè)備一定要安全可靠,避免形成引火源。


其次,在航天器的生產(chǎn)、試驗(yàn)和裝配過(guò)程中,嚴(yán)格對(duì)所有零部組件的質(zhì)量控制,確保產(chǎn)品的高質(zhì)量和高可靠性,杜絕各種電路、氣路和液路出現(xiàn)泄漏,以及推進(jìn)劑的跑冒滴漏。


航天器+滅火器

盡管本著“預(yù)防為主”的方針,采取了各種預(yù)防措施,但是發(fā)生火災(zāi)的可能性仍然存在,因此“防消結(jié)合”必不可少。


多年來(lái),為了迅速高效地?fù)錅缣栈馂?zāi),航天專家和消防專家針對(duì)載人航天器的環(huán)境與地球完全不同的特殊情況,對(duì)微重力下火災(zāi)的發(fā)生、蔓延等現(xiàn)象進(jìn)行了大量試驗(yàn)、分析和研究。結(jié)果表明,火在太空的燃燒現(xiàn)象和地球上不太一樣。在地球上,火焰表現(xiàn)為圓錐形;而在太空,它因?yàn)槲⒅亓Φ淖饔媒魄蛐巍6谊幦棘F(xiàn)象較多,燃燒局限在較小區(qū)域,擴(kuò)散和傳播速度較慢。這些情況說(shuō)明微重力環(huán)境對(duì)火災(zāi)的發(fā)生和蔓延具有一定抑制作用,有助于滅火工作的施展,同時(shí)為太空火災(zāi)的預(yù)防、探測(cè)和撲救提供了理論依據(jù)。


航天員在KC-135飛機(jī)上練習(xí)在失重環(huán)境下使用滅火器


就像及早發(fā)現(xiàn)人體的病變,對(duì)于拯救人的生命意義重大一樣,及早發(fā)現(xiàn)初起火情對(duì)于迅速撲滅火災(zāi)至關(guān)重要。因此載人航天器上大多裝有包括煙感報(bào)警器在內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),用于密切監(jiān)視各部位各系統(tǒng)的安全狀況。一旦哪里出現(xiàn)火情,報(bào)警器就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)并顯示具體部位。航天員和地面控制中心接到警報(bào)后會(huì)立即采取應(yīng)急措施。


這些報(bào)警器的安裝位置和地球上不太一樣。在地球上,火災(zāi)的煙霧是向上擴(kuò)散,最后聚積在屋頂下,所以報(bào)警器大多裝在天花板中間。而在太空的航天器里,煙霧不是向上而是向四周擴(kuò)散,所以報(bào)警器既要裝在天花板上,也要裝在墻壁等其他地方。


值得注意的是,這些高度靈敏的報(bào)警器有時(shí)候也會(huì)誤事。1985年9月,剛進(jìn)入禮炮7號(hào)空間站的3名蘇聯(lián)航天員,正在忙著檢查和試驗(yàn)儀器儀表時(shí)突然警鈴大作。2001年3月,在國(guó)際空間站的第二批3名航天員進(jìn)站工作的第二天,命運(yùn)號(hào)科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙也突發(fā)火警。這兩起火警讓航天員們虛驚一場(chǎng),原來(lái)站內(nèi)根本沒(méi)有火災(zāi)跡象,是報(bào)警器出現(xiàn)了誤警,原因都是站內(nèi)的塵埃和懸浮顆粒觸發(fā)了報(bào)警器。


除火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以外,載人航天器上還配備了防毒面具、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·克里平在首次試飛的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上


滅火器是地球上除了消防車以外,最常見的消防器材,里面裝著水、泡沫、干粉、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(guò),它對(duì)滅火劑的要求卻很挑剔,畢竟太空火災(zāi)的撲滅環(huán)境與地球上不盡相同。例如,地球上滅火最常用的水在太空一般不用,因?yàn)樗畤姵龊笤谖⒅亓l件下難以集中到火焰上,只會(huì)形成水滴水霧在艙內(nèi)四處飄浮,一旦滲進(jìn)儀器設(shè)備有可能造成短路故障。


干粉滅火器更不適用,因?yàn)樵斐傻奈廴咎珖?yán)重,用它滅火,儀器設(shè)備倒是不會(huì)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(shí)驗(yàn)室上配備過(guò),不過(guò)一直沒(méi)有滅火機(jī)會(huì),否則產(chǎn)生的污染也不會(huì)小。


航天飛機(jī)STS-114機(jī)組的航天員在學(xué)習(xí)滅火器使用方法


相比之下,二氧化碳滅火器對(duì)于撲滅航天器這種充滿精密儀器的火災(zāi)來(lái)說(shuō)更好用,特點(diǎn)是滅火后很干凈,不留污染痕跡;只是當(dāng)它在空氣中達(dá)到一定含量時(shí)會(huì)危及人的生命。說(shuō)不定,火被滅的同時(shí),航天員也被“滅”了。


鹵代烷曾是一種性能良好的滅火劑,美國(guó)航天飛機(jī)裝備的哈龍1301滅火器就屬于這種類型。它的滅火效果很好,而且火后不留痕跡,曾在世界上廣泛應(yīng)用。但是,它雖然對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害,卻對(duì)大氣臭氧層有破壞作用,多年前已經(jīng)不再生產(chǎn)使用。


目前,科學(xué)家們還在研究試驗(yàn)適合各種火災(zāi),既高能高效又無(wú)毒無(wú)污染的滅火劑,有的已經(jīng)取得重大成果,例如細(xì)水霧滅火技術(shù)。它是用泵壓或氣壓噴出水流,形成霧一樣的水滴,對(duì)火焰產(chǎn)生冷卻、窒息作用,在太空可以有效地?fù)錅绺鞣N火災(zāi)。由于使用的滅火劑就是普通的水,所以這種滅火技術(shù)不會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成危害。也就是說(shuō),等到細(xì)水霧技術(shù)成熟后正式應(yīng)用時(shí),以前不適用的水也可以在太空滅火中大顯神威了。


測(cè)試細(xì)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(shí)可用。不能像和平號(hào)空間站那樣,等到失火時(shí)才發(fā)現(xiàn)有的氧氣罩是壞的,還有的滅火器竟然拿不下來(lái),貽誤了滅火時(shí)機(jī)。


航天員=消防員


有句話叫“水火無(wú)情”。太空一旦發(fā)生火災(zāi),載人航天器上的儀器設(shè)備都可能遭到破壞,重大火災(zāi)還將危及航天器的安全,以及航天員的健康和生命。所以發(fā)生火災(zāi)時(shí),火警就是命令,火場(chǎng)就是戰(zhàn)場(chǎng),航天器就是消防車,航天員就是消防員。


國(guó)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(guān)頭,航天員都會(huì)挺身而出,但是一定要保持鎮(zhèn)靜,切忌驚慌失措,只有這樣才能對(duì)火情做出準(zhǔn)確判斷。其實(shí),這對(duì)具有良好心理素質(zhì)的航天員來(lái)說(shuō)不難,難的是太空滅火要比地球上難得多。舉例來(lái)說(shuō),在地球上使用滅火器很簡(jiǎn)單,先拔掉保險(xiǎn)銷,再將噴嘴對(duì)準(zhǔn)火苗按下手柄就行,可是在太空,你剛按下手柄就可能向后飛出很遠(yuǎn),因?yàn)閲姵龅臏缁饎?huì)產(chǎn)生反作用力。所以,航天員太空飛行前都要認(rèn)真學(xué)好太空消防這門必修課,包括嚴(yán)格的滅火培訓(xùn)。滅火前,航天員首先要做好個(gè)人防護(hù),包括佩戴防毒面具或氧氣瓶,因?yàn)榛鹧婧蜔熿F中包含多種危及人的健康甚至生命的有毒氣體,確保安全后才能根據(jù)應(yīng)急預(yù)案和具體情況實(shí)施撲救。


歐洲航天員弗蘭克·德溫尼在國(guó)際空間站上對(duì)便攜式呼吸器進(jìn)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、冷卻法和抑制法。


按照隔離法,要關(guān)閉可燃?xì)怏w和液體管道的閥門,搬開火源附近的可燃物。按照窒息法,要在第一時(shí)間切斷通風(fēng)系統(tǒng),以免形成空氣對(duì)流,為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(jìn)入燃燒區(qū)。窒息法最有效的是座艙緊急減壓,就是泄除航天器內(nèi)的空氣,給火焰一個(gè)釜底抽薪,使它因缺少空氣自行熄滅,最后再恢復(fù)正常艙壓。美國(guó)的雙子星座、阿波羅飛船、航天飛機(jī),俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)載人飛船,還有國(guó)際空間站都具備這種減壓功能。當(dāng)火災(zāi)用盡各種方法仍然撲不滅時(shí),座艙減壓將成為太空滅火的一柄殺手锏,前提是嚴(yán)格穿戴好專用航天服等防護(hù)設(shè)備。滅火的另外兩種方法——冷卻法和抑制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(diǎn)以下,后者是通過(guò)抑制燃燒的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,使燃燒終止。


當(dāng)一切辦法用盡,仍不能控制火勢(shì)時(shí),航天員當(dāng)然不能坐以待斃,他們可以棄船(站)逃生。和平號(hào)空間站和國(guó)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(dāng)然,這是誰(shuí)都不愿看到的結(jié)果。


載人航天技術(shù)的發(fā)展需要消防技術(shù)并駕齊驅(qū)?;蛟S將來(lái)有一天,當(dāng)太空中的載人航天器像地球上的建筑一樣鱗次櫛比時(shí),太空“消防車”會(huì)奔馳其中,警笛長(zhǎng)鳴地駛向失火的航天器。不用說(shuō),那時(shí)太空119火警電話一定也早已開通。


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