「火に火を」宇宙燃焼実験 - 宇宙の火はなぜこんなにも面白いのか？

今年2月、中国の宇宙ステーションの孟天実験モジュール内の燃焼科学実験キャビネットは、軌道上での初の点火実験に成功した。この実験ではメタンを燃料として用い、2回の点火実験は合計約30秒間続き、宇宙ステーションの燃焼科学実験システム機能の完全性と実験プロセス全体の正確性と科学性を検証し、その後の宇宙科学燃焼実験プロジェクトのための良好な基礎を築きました。では、宇宙における微小重力燃焼の特徴は何でしょうか?宇宙の微小重力環境で燃焼実験を行う目的は何ですか?

宇宙ステーションの燃焼科学実験キャビネット内でのメタン燃焼の画像（左）と地上での同じ条件下でのメタン燃焼の画像（右）。写真: 中国科学院工学熱物理研究所、清華大学燃焼エネルギーセンター

微小重力燃焼実験は半世紀にわたって続けられてきた

微小重力燃焼実験を最初に行ったのは日本の東京大学で、ドロップタワーなどの自由落下施設を使用して液滴燃焼実験を行いました。その後、米国も落下塔や航空機の無重力状態を利用して、数多くの微小重力燃焼実験を行った。

1967年、アポロ1号宇宙船で火災が発生し、3人の宇宙飛行士が死亡しました。これにより、航空宇宙産業は宇宙船の火災予防に大きな注意を払うようになり、微小重力燃焼実験の安全性はますます注目されるようになりました。

1974年、米国はスカイラブ宇宙ステーションで人類初の宇宙微小重力燃焼実験を実施した。スペースシャトルの時代、米国は宇宙での炎の着火、自然発火、伝播、消滅のプロセスを研究することを目的として、微小重力燃焼実験を継続しました。

国際宇宙ステーションの建設・完成に伴い、米国、欧州宇宙機関（ESA）、日本は、宇宙ステーションの燃焼統合キャビネットなどの設備を用いて微小重力燃焼実験を実施してきました。彼らは、空気浄化燃焼実験、固体燃焼消火実験、火炎消火実験および実験2、火炎構造および火炎揚力実験、煙測定実験および燃焼速度、火炎拡散、球状冷炎などの一連の実験を実施しました。これらの研究は、火炎の基本的な燃焼プロセスに関する人類の知識と理解を深め、実りある研究成果を達成しました。

2006年、我が国が打ち上げた宇宙試験衛星「実践8号」は2回の燃焼実験を成功裏に完了し、我が国初の微小重力宇宙燃焼実験となった。我が国は2016年に回収型科学実験衛星「実践10号」を打ち上げ、微小重力下での石炭燃焼や汚染物質生成特性の研究、微小重力環境下での非金属材料の着火・燃焼特性の研究など、微小重力燃焼実験も実施した。

中国の宇宙ステーションの孟天実験モジュールの打ち上げ後、独立燃焼実験キャビネットは我が国が宇宙で微小重力燃焼実験を実施するための強固な基礎を築きました。

燃焼実験には明確な特徴がある

炎に代表される燃焼反応は現代文明の礎です。燃焼プロセスをより深く理解することは、燃料消費量と汚染物質の排出を削減する上で非常に重要です。

炎は単純に見えるかもしれませんが、燃焼は実際には非常に複雑で、化学と流体力学が関わる複雑なプロセスです。重力が燃焼プロセスに大きな影響を与えることは、古くから認識されてきました。重力が燃焼プロセスに与える影響を排除できれば、燃焼プロセスをよりよく理解し、分析することができ、燃焼反応のモデルと理論研究を向上させることができます。

微小重力燃焼実験の最大の特徴は、自由落下状態で地球の重力の影響が基本的に排除されることです。無重力または微小重力環境では、炎の燃焼によってまったく異なる多くの現象が発生します。

微小重力下での燃焼後に生成される生成物も異なります。例えば、ヘプタンは地上では燃焼して煙、二酸化炭素、水を生成しますが、微小重力環境では独特の冷炎燃焼状態になります。この時、裸火はありませんが、低温炎燃焼により一酸化炭素やホルムアルデヒドが発生します。

周知のように、重力は炎の燃焼中に浮力対流を発生させる鍵であり、炎の構造、燃焼の安定性、炎の伝播と消滅、その他の燃焼現象に直接影響を及ぼします。従来の重力下での炎の燃焼の性質に関する研究は、霧の中で花を見るようなもので、より深い理解を得ることは困難です。

また、炎は重力の作用により重心を持ち、液滴状に現れますが、微小重力環境での燃焼は大きく異なります。炎はより短く丸くなり、半球状または球状に見えます。重力の消失により対流現象は著しく弱まるか消失し、微小重力環境は液滴や粒子の沈降も阻害します。同時に、地上で炎が燃えるときには強い対流によって隠される燃焼現象、例えば炎燃焼の熱放射、拡散、毛細管効果、静電気力などの弱い基礎効果も宇宙空間では明瞭に現れ、炎の基本的な燃焼過程を深く研究するためのより良い環境を提供します。

さらに、微小重力環境では浮遊する液滴や粒子も燃焼し、炎は球形に見えます。これらはすべて地上では炎が示すことのできない驚異であり、炎の燃焼プロセスに対する人々の理解を深めています。

微小重力燃焼実験は、独特の微小重力環境のおかげで、炎燃焼の基本的なプロセスと理論を検証し、燃焼プロセスの物理的および化学的メカニズムを研究するためのより効果的な方法を提供します。

燃焼実験は将来大いに役立つだろう

燃焼科学研究、エネルギー、環境保護のニーズを満たすために、世界中の多くの国々が微小重力燃焼科学実験を行ってきました。

人類が宇宙時代、特に有人宇宙時代に入って以来、人間の生命に関わる事柄を軽視することはできません。アポロ1号宇宙船の火災は地上で発生し、宇宙飛行士は脱出できなかった。宇宙空間で宇宙船に火災が発生した場合、火災予防と消火の成否は宇宙飛行士の生命の安全にさらに直接的に関係します。

有人宇宙飛行の発展により、宇宙船の火災予防に対する要求が高まっています。微小重力燃焼実験を行う科学研究者の主な目的の一つは、宇宙の微小重力環境における炎の燃焼過程を深く理解し、火災予防・消火技術の開発のための理論的研究を行うことです。

国際宇宙ステーションの宇宙飛行士は、炎の消火実験で、目に見える炎が消えた後もヘプタンやその他の液体燃料の液滴が低温、つまり冷炎で燃え続けることを発見した。冷たい炎が消えるまで、液滴の急速な蒸発は止まりませんでした。これは、微小重力下での裸火の消滅が燃焼プロセスの終わりではないことを意味します。したがって、宇宙ステーションの消火設備では、炎の二次燃焼の問題を考慮する必要があります。

微小重力燃焼実験によるこれらの新たな発見は、より完全な宇宙船の火災検知技術とより安全な宇宙消火技術の開発に役立つでしょう。微小重力燃焼実験における炎の燃焼過程を理解することは、地上の内燃機関の燃焼効率の向上や燃焼排ガスからの汚染排出の削減にも役立つため、省エネや排出削減において重要な価値を持っています。

わが国の科学衛星「実況10号」が実施する微小重力下での石炭燃焼と汚染物質の研究実験は、微小重力環境での燃焼の比較を通じて石炭燃焼と汚染物質生成の法則をより深く解明し、より優れた石炭燃焼理論と技術を開発し、人々が石炭資源をより効率的に利用できるようにすることを目的としています。

さらに、国際宇宙ステーションのFLEX-2実験に代表される微小重力環境における炎の燃焼プロセスに関する詳細な研究は、惑星間探査ミッションにおけるロケットエンジンの燃焼効率の向上、より高い比推力と効率を備えたロケットエンジンの開発、打ち上げ質量とミッションコストの削減にも役立ちます。

そのため、炎微小重力燃焼実験は科学技術の発展や資源の利用に大きな意義を持っています。 （著者：張雪松）