空间站微重力燃烧：全球研究进展、对比分析与发展展望|nasa|太空|燃烧|科学实验|空间站|航天器|载人飞船

原文发表于《科技导报》2026 年第 10期《空间站微重力燃烧研究分析与展望》

微重力燃烧研究通过消除浮力对流的影响，揭示了燃烧现象的本征特性与深层机理。《科技导报》邀请清华大学燃烧能源中心、能源与动力工程系、热科学与动力工程教育部重点实验室刘有晟副教授撰写文章，深入剖析了美国国家航空航天局（NASA）主导国际空间站燃烧研究的具体规划，并结合燃烧科学中的重要问题以及空间实验的必要性，分析了NASA和国际各国在国际空间站建成前后的燃烧科学实验部署模式，以及国际空间站燃烧科学实验的成功案例。最后回顾了中国空间站燃烧科学实验领域当前的规划和发展方向，并提供一些分析建议。

从落塔到航天飞机的燃烧科学实验

20世纪50年代，研究人员开始以数值方式求解反应流问题。Godsave于1953年对此模型进行验证实验发现，液滴火焰由于强浮力效应表现出尖锐的火焰尖端，显然违反了“球对称一维系统”的模型假设。20世纪50年代后期，东京大学Kumagai等为验证一维液滴燃烧模型，进行了首次微重力实验。图1为Kumagai等进行的系列微重力燃烧实验设计与火焰图像。

图1 Kumagai等的首次系列微重力液滴燃烧实验

NASA最早的微重力研究课题之一源于低重力下推进剂罐中液体分布不受控制的问题。NASA开始使用自由落体设施和抛物线飞机研究航天器材料的可燃性、太空舱内火势的增长、灭火和火灾探测方法，这些开创性的研究为1968—1972年阿波罗任务的成功奠定了基础。

自1981年以来，美国使用航天飞机完成一系列太空科学实验任务，包括空间实验室（Spacelab，1983—1998年）、航天飞机和平号空间站计划（Shuttle−Mir Program，1994—1998年）和国际空间站（ISS，1998—2011年）的建设。这些记录表明，美国当时已对固体材料、液滴和预混气体燃烧进行了充分的地面和空间实验。图2为航天飞机时代微重力燃烧实验的精选照片。

图2 航天飞机时代的微重力燃烧实验

回顾20世纪90年代的微重力燃烧科学实验，在数量和质量方面都代表了世界微重力燃烧研究的第一次巨大飞跃。1995年，NASA报道了世界上第1个在探空火箭中的液池火焰传播实验（SAL）。1990年建造的德国不莱梅落塔极大地促进了欧洲的微重力燃烧研究以及他们与日本研究人员的合作，欧洲研究人员还使用位于西班牙国家太空科技研究所（INTA）的2 s落塔进行了燃烧实验。

探空火箭项目“TEXUS”自1990年以来一直支持欧洲的微重力燃烧研究。自1994年以来，NASA一直将DC−9飞机用于微重力实验。当时，由于微重力燃烧研究的主要参与者来自美国、日本和法国的研究团队。基于这些国家微重力科学实验基础设施的多样化，这些国家的微重力燃烧研究在多个方向取得重要的成果。

NASA在1999年微重力燃烧研究报告中指出，微重力燃烧研究的首要目标是利用空间环境扩展科学知识的边界，相关技术将用于促进商业航天与共享人类空间探索的知识与技术，提高地球居民的生活品质，研究成果可用于提高燃烧系统的效率、降低污染物排放，并通过只能从微重力环境得到的实验结论降低火灾风险，为航天器和地外定居所需的工程材料可燃特性发展测试方法，并形成数据库。相应规划在以下3个方向重点投入：（1）燃烧学基础研究；（2）航天器火灾及其他应用；（3）空间站燃烧实验通用测量与诊断。

此报告中提到了NASA在1999年以前，已经资助了微重力燃烧相关的13项飞行验证研究、58项地面微重力研究、6个飞行任务，以及多个与日本和俄罗斯空间站的国际合作项目。这些规划为国际空间站的燃烧科学实验装置提供全面的支撑。表1展示了NASA在1993—1997年支持的国内微重力科学项目情况，包括对于学生的奖学金支持。结合表1中1994年的年度预算总额进行概算，微重力燃烧领域当年的年度经费预算高达4.5千万美元。如此巨额的投资，使美国在国际空间站开始实验之前，微重力燃烧研究的成果在全世界范围内占绝对主导地位（图3）。

表1 1993—1997年度NASA支持的微重力实验项目情况

图3 截至2023年美国、日本和中国在Web of Science的微重力燃烧研究论文累计与发展历程

NASA在1990—2004年共组织了7次国际微重力燃烧论坛，汇聚了全球微重力燃烧研究的核心团队，为国际空间站微重力燃烧实验项目的国际合作奠定了坚实基础，有效提升了美国研究人员对微重力燃烧研究的国际视野和前瞻性。

国际空间站时代的微重力燃烧实验

国际空间站自1998年开始建造，随着2008年燃烧集成柜（CIR）和多用户液滴燃烧装置（MDCA）的成功发射，国际空间站上的微重力燃烧实验开始展现活力。2009—2013年，使用CIR内的MDCA实施了用于单液滴燃烧的灭火（FLEX和FLEX−2）项目，这是ISS的第一个系列燃烧实验。利用MDCA的单纤维细丝支撑液滴的功能，在2013—2015年期间支持了FLEX−2J（与JAXA合作）项目，研究了一维液滴阵列的火焰蔓延和相应的液滴运动。2013年，FLEX意大利燃烧实验−绿色空气（FLEX−IGE−GA）项目研究了生物燃料（正庚烷/乙醇和正癸烷/正己醇）单液滴的燃烧行为。基于FLEX和FLEX−2的液滴冷焰实验证据，美国和俄罗斯合作实施了冷火焰研究（CFI）的延续项目。

2010年，ISS上的微重力科学手套箱（MSG）使用航天飞机时代LSP实验项目的类似设计进行简单燃烧实验。MSG的第一个燃烧实验是2010年启动的同流火焰烟点实验（SPICE）和燃烧结构与升举实验（SLICE）。MSG自2011年以来用于固体燃烧和抑制（BASS）项目。这些研究的结果证实，材料在常重力环境下就算通过了NASA−STD−6001可燃性测试，在微重力下这些材料仍可能发生着火和火蔓延。此问题挑战了NASA现有标准和国际标准对空间环境的材料可燃性评估正确性。自2016年以来，天鹅座货运飞船离开国际空间站后进行了一系列大规模材料燃烧实验，如航天器火灾安全演示（Saffire）项目。

2008年左右，日本JAXA通过STS−123、124和127航天飞机发射Kibo模块。Kibo模块中包含了许多以日本科学家为主设计的微重力科学实验。自2022年起，JAXA、NASA和ESA通过国际合作在SCEM中执行了低重力可燃性极限实验（FLARE）项目。这些项目中使用的许多实验方法已在落塔和抛物线飞行实验中得到充分验证。

2017—2020年，国际空间站的CIR内进行了燃烧前沿项目的系列研究（ACME）。这些实验揭示了在落塔实验中无法达到气体射流火焰准稳态的现象，揭示了气态层流火焰的熄灭极限、临界火焰离子流和气态稳态冷火焰等。

自2021年以来，国际空间站的CIR已开始用于固体燃料点火和熄灭（SoFIE）实验。图4总结了国际空间站通过CIR、MSG、天鹅座货运飞船以及日本的Kibo模组进行的燃烧科学实验研究。

图4 截至2025年国际空间站进行的燃烧科学实验项目

除了在国际空间站上的活动外，2000年后，国际上许多团队进一步推动了燃烧中的微重力和弱重力实验研究。一般自由落体实验台的微重力水平可以通过真空或风阻舱提升，Könemann等为德国不莱梅落塔系统提出了一个新型设施概念，该概念在落舱两侧采用直线电机组来主动控制实验装置加速度，并能实现基于月球和火星应用场景的“弱重力”环境。NASA格林研究中心（GRC）的零重力落塔也启动了类似设施的研制，称为电动落塔项目。未来，中国科学技术大学及中国科学院空间应用技术与工程中心将在此技术基础上建设更大规模的自由落体实验设施。

微重力燃烧研究重要成果与潜在应用

作为最早开展微重力科学项目的航天机构之一，NASA在1989年就向公众公布了微重力燃烧科学的项目情况。20世纪90年代举行的系列国际微重力燃烧研讨会以及计划报告中详细记录了大量落塔实验的科学发现。微重力燃烧研究不仅可以对各种太空任务的火灾预测和预防产生直接影响，同时，在各种地基燃烧应用相关的燃烧过程中，最大限度地减少浮力的影响已成为获得基础燃烧特性的重要手段。NASA资助的微重力燃烧项目对航天器火灾烟雾探测和气体诊断传感器在地表上的应用及相关产业产生广泛影响。

太空制造高附加价值产品也引起了研究人员的广泛兴趣。然而，空间站生产的材料或药物尚未克服简化工业化的极高成本。NASA曾尝试利用微重力燃烧合成陶瓷粉末材料，但因为产量问题目前仍无法形成商业化规模。以下总结了当前国内外微重力燃烧研究发现的新现象及潜在应用背景。

3.1 微重力下揭示的基本燃烧极限

物质的可燃性极限是防火安全最重要的特性之一。Ronney等在1985年首次使用落塔实验获得了甲烷/空气混合物的可燃性极限。研究发现，在微重力下，近可燃极限的层流火焰速度明显低于在常重力下测得的速度，从而导致可燃性极限存在差异。Wang等使用微重力下测量的层流火焰速度重新审视了甲烷/空气混合物的可燃极限，发现当时最准确的甲烷反应动力学模型仍然无法准确预测可燃极限（图5（a））。这些研究表明，对于航天器防火安全等微重力应用，气体混合物的可燃性极限不能直接通过常重力实验获得，即使现阶段的数值仿真仍会误导航天器运行紧急情况下爆炸阈值的判断。

图5 微重力实验揭示燃烧极限

对冲火焰的熄灭极限定义了火焰因流体过度拉伸或辐射而熄灭的条件。Guo等报道了一系列关于甲烷−空气对冲火焰的低拉伸熄灭极限的微重力实验和数值分析。低拉伸速率下的下限由辐射控制，即辐射熄灭极限，这只能使用微重力实验的数据进行验证。Ju等发现，由于辐射引起的不稳定性，辐射熄灭极限表现出分叉，这使得“跳跃极限”存在于辐射熄灭极限之上，使原C形曲线成为G形，如图5（b）所示。这些火焰与流体交互作用极限的基础研究具有其理论贡献，可用于指导湍流燃烧建模中的小火焰制表方法，用于更广泛的能源与动力系统燃烧控制与设计。

固体材料的燃烧极限是航天器防火安全设计的基石。在航天器所处的微重力环境中，NASA−STD−6001B中提出的极限氧浓度（LOC）可能无法准确预测固体材料可燃性边界，NASA因此提出了上极限氧指数（ULOI）和最大氧浓度（MOC）的判断准则。以外部流动下的热薄材料为例，Takahashi等的理论模型预测表明，在微重力下，实际极限甚至更低，如图5（c）中微重力中出现的热区。由于落塔实验一般无法提供火焰稳定在固体材料传播所需的时间，空间防火安全仍需要利用空间实验结果进行指导，这仍然是该领域的一个风险及挑战。

3.2 微重力下的层流到湍流火焰转捩

发动机需对液体或气体燃料进行单独储存，因此，围绕燃料射流形成的射流扩散火焰的行为一直是基础燃烧的重要研究领域之一。图6（a）为Hegde等在1994年使用落塔实验获得的微重力和常重力射流火焰结果。该实验表明，正常和微重力下，在很宽的雷诺数范围内，火焰高度存在明显差异。当雷诺数超过临界值时，流动和火焰转捩为湍流，从而产生更好的混合和闭口火焰（图6（b））。浮力对流体掺混的影响显著，导致在常重力下湍流射流扩散火焰的火焰高度要短得多。Hegde等也报道了从层流到湍流的流动转变呈“间歇性”（图6（c））影响整体火焰的行为。该研究结果可广泛用于常重力和微重力环境下各类燃烧器中推举火焰稳定情况的评估分析，同时可为大规模火焰微结构演化行为提供有效预测。

图6 微重力和常重力的射流火焰转捩现象代表性研究

3.3 液滴火焰中的烟灰“壳”

液滴燃烧的经典理论模型可用于在喷雾燃烧数值仿真中的子模型，此理论模型可直接预测液滴蒸发速率和火焰半径。微重力液滴燃烧实验发现，碳烟颗粒在液滴扩散火焰中的富燃区形成，并受到史蒂芬力、热泳和扩散泳等力影响，决定了聚集的位置，形成具有确定直径的碳烟“壳”，为研究火焰碳烟提供了独特机会。1996年，Choi等在落塔液滴燃烧实验中使用激光背光成像（图7(a)），揭示了在微重力下正庚烷液滴燃烧过程中碳烟体积分数的演变。此外，由于碳烟尺寸一般在微米量级以下，在流动中呈现较小的斯托克斯数，当碳烟的“壳”无法保持球对称性时，可以用来揭示液滴挂丝结构引起的异常对流（图7(b)）。基于以上研究，微重力环境对于碳烟和液滴燃烧基础研究具有重要价值，可作为发动机燃烧模拟所需子模型的验证平台。

图7 微重力液滴燃烧实验中的碳烟“壳”代表性工作

3.4 冷火焰

液滴冷火焰的发现被评为“ISS 20年科学研究的20项突破”之一。冷火焰是一种由低温反应动力学维持的火焰结构，在600~900 K中尤为明显，一般也称为低温燃烧（LTC）。自20世纪90年代以来，随着计算机技术与详细燃烧化学反应动力学模型的快速发展，基于长期微重力环境获取的液滴燃烧实验数据，已可以通过结合液相与气相传递、相平衡理论以及最为关键的气相反应动力学模型进行数值仿真对比。根据Web of Science的统计，2012年关于冷火焰的文章少于每年1000篇，而在ISS实验发现冷火焰之后5年，相关研究达到了每年3000篇以上（图8），表明微重力冷火焰的发现极大地促进了基础和应用研究。2023年，导致相邻液滴异常点火的群燃实验（在Kibo中）和ACME气态火焰实验也报道了冷火焰现象。实验发现的自维持冷火焰表明低温氧化可能不仅是瞬态过程的一瞥，在内燃机燃烧过程中，有效控制冷火焰进程可进一步降低NOx和碳烟污染（如图8（b）中的LTC区所示），这也是当前内燃机前沿技术发展的重要方向之一。

图8 微重力液滴燃烧实验发现冷火焰的领域影响

中国空间站燃烧研究规划与展望

中国载人航天工程项目于1992年1月获得批准（921工程）。中国国家微重力实验室于1995年获得批准，其3.6 s落塔于2000年左右完工，可支持一系列微重力科学实验。神舟一号飞船于1999年成功发射并回收，2003年中国首位航天员绕地球飞行。这些微重力设施和计划对中国论证微重力基础研究产生了直接而深远的影响。

中国空间站的燃烧科学实验立项始于2014年前后。2022年发射的中国空间站梦天舱搭载了燃烧科学实验柜，目前通过燃烧实验系统中的气体实验插件支持进行各类射流火焰实验。2024年，中国第一篇空间站微重力燃烧研究论文在国际期刊发表，同时在个别燃烧子领域有更多综述性的文章。根据中国载人航天工程办公室2023年发布的《空间站应用与发展工程空间科学与应用项目指南》，中国的空间燃烧科学计划纳入空间微重力物理范畴，目前已初步划分为3个子领域，并明确了相应的关键科学问题。1）近可燃极限和基础燃烧研究。2）微重力下材料着火特性和防护研究。3）重要应用燃烧机理及转化研究。

上述研究方向以基础燃烧研究为主，同时涵盖了与载人航天防火以及地面重要应用交叉科学相关的内容。表2列出了中国空间站燃烧实验装置的初步规划以及应用科学项目领域。

如表2所示，在当前的3个指南领域中，中国空间微重力燃烧科学实验装置在安全的压力条件下规划了较为多样的装置，能较为全面地服务于科学实验需求，此初步规划将随着在轨燃烧科学实验的发展进行更新迭代。

表2 中国空间站燃烧科学实验装置规划情况

与NASA支持微重力燃烧科学实验的力度和资助范围相比，中国空间站科学实验项目的征集和实施目前仅限于在空间站开展的实验，对于需要利用落塔等地基实验设施进行的实验研究来说，目前仍需要通过科学技术部的国家重点研发计划及国家自然科学基金委员会进行资助。尽管如此，中国在当前的资助力度条件下，已经凝聚了较多的燃烧领域科学家，通过地面落塔和空间站实验逐步开展具有重大科学意义的微重力燃烧实验。

随着中国、美国和印度等国相继公布月球探测和载人登月计划，以及2030年俄罗斯轨道服务空间站（ROSS）和2035年的印度空间站（BAS）预计陆续完成建设，微重力燃烧科学有望再度迎来全球范围内的蓬勃发展，进而攻克一系列更具挑战性的前沿科学问题。2023年，美国国家科学院出版社发表了《在太空中蓬勃发展：确保生物和物理科学研究的未来：2023—2032年的十年调查》。报告中指出，微重力燃烧的重要研究对象仍然是消防安全、冷火焰、超临界燃烧，因为它们有可能产生新的燃烧机制或行为，从而推动创新燃烧技术的发展，如极压和低温推进，通过超临界燃烧处理废水（即水热火焰），更深入地理解新型推进剂、等离子体辅助点火，以及更高效、污染更少的燃烧应用中的基础科学等。

结论

微重力燃烧研究依托地基和空间站实验平台，揭示了被浮力掩盖的燃烧本征规律，推动了基础科学认知与技术应用的双重突破。

ISS实验揭示了液滴和气相冷火焰的自维持性，拓展了低温化学动力学的认知边界，还为地面工业燃烧器设计（如内燃机低温燃烧技术）提供了关键参数依据。另一方面，材料可燃性在微重力下的低氧极限特性，暴露了现有航天防火标准的不足，促使NASA更新完善火灾风险评估体系。NASA通过近30年高强度投入（年资助规模达数亿美元），构建了覆盖基础研究—航天应用—技术转化的全链条体系。其特色包括：（1）培育国际学术共同体（如ISS多国实验），强化学科交叉；（2）专注长周期项目，构建从地面落塔、航天飞机到空间站实验等，积累数据库；（3）推动空间站研究成果的商业技术转化。相较而言，中国虽已完成空间站燃烧实验柜的初步部署，并且规划了多样化的在轨实验装置，但在地基配套研究（如落塔模拟弱重力）及国际联合实验机制建设方面仍有提升空间。未来，需进一步强化跨部门协作，探索与商业航天的技术协同，降低研究成本，以及更大量地资助空间和地面微重力燃烧研究，以在国际空间燃烧研究的激烈竞争中，彰显中国科学家在关键科学问题上的创新活力。

微重力燃烧研究是保障航天安全与地面能源创新的“催化剂”。中国需立足空间站的长周期实验优势，以关键科学问题为牵引，系统性布局基础理论与应用技术攻关，同时深化国际合作，为人类探索深空提供安全保障与创新动力。

本文作者：刘有晟

作者简介：刘有晟，清华大学燃烧能源中心、清华大学能源与动力工程系、清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，副教授，研究方向为空间和地基微重力燃烧实验与理论建模。

文章来源：刘有晟. 空间站微重力燃烧研究分析与展望[J]. 科技导报, 2026, 44(10): 127−142.

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