从地面向上，随着与球心距离增大，物 体受到的重力越来越小，当进入太空环境， 物体受到的重力几乎为零，我们把这种环境 称之为微重力环境。太空环境中，浮力对流 非常微弱，在这种特殊的环境中，还会发生 和地球上一样的现象吗？

　　我们以地球和微重力环境中的蜡烛火焰[1] 状态为例(如图 1 所示) ，地球上的蜡烛火 焰呈红黄色的长矛形，称为泪滴形火焰；而 微重力环境下的火焰则是蓝色的球形。这是 因为地面环境，亦称为常重力环境，蜡烛被 点燃后，火焰周围的温度升高，低密度的高 温已燃气体上升，而远离火焰、密度较高的 冷空气补充进来，形成了对流，将火焰拉成 长条形，并且由于不完全燃烧产生碳黑，因 此火焰呈红黄色。而微重力环境下，由于几 乎没有浮力对流，火焰只能安静的燃烧，且 能以更低温度维持燃烧，产生的碳烟含量较 少，因此火焰呈蓝色的球形。

　　假如你身处太空环境中，不小心碰倒一 杯水，不要担心水会亲吻你的脚，因为它会 趋于球形悬浮在空中(如图 2 所示) 。2013 年 6 月 20 日，神舟十号女航天员王亚平在天 宫一号开展了水膜和水球制作实验(图 3) ， 演示了液体表面张力的作用。首先，她将一 个金属圈插入装满水的饮水袋中，抽出后在金属圈上便形成了一个水膜。为了验证该水 膜是否结实， 她轻晃金属圈， 水膜并未破裂， 只是甩出了一个小水滴。当她继续将一个画 有中国结图案的塑料片贴在水膜表面时，水 膜也依然完好。当在水膜上继续注水时，水 膜甚至会长成一个晶莹剔透的大水球。这些 魔法般的现象是如何发生的呢？地面常重力下，由于重力作用很强，分子与分子之间微 小的引力或斥力(称为表面张力)可以忽略 不计，水膜会在重力作用下四分五裂而难以 维持；但在微重力环境下，重力作用很弱， 这时微小的表面张力便充分显示它的能力— 使物体具有表面收缩到最小面积的倾向(最 小表面自由能) [2] 。由于球形的表面自由能 最小， 因此微重力下的水滴形状趋向于球形。

图 1 蜡烛燃烧(NASA)

图 2 太空中的水

(a)太空水膜

(b)太空水球

图 3 神舟十号太空授课照片(水膜与水球实验)

图 4 对冲湍流预混火焰示意图

　　在地球上，许多被重力(或浮力)效应 掩盖的“次级效应”在微重力这个特殊的环 境中往往会演变为主要因素，由此产生很多 奇妙的现象。从古至今，人类对于宇宙未知 领域的探索从未停止，而微重力下各种课题 的研究也成为近年来的研究热点。

　　这里再介绍一种对冲火焰。对冲火焰示 意图如图4所示[3]，两个喷嘴固定在喷嘴架上， 上下对称布置的两个喷口几何尺寸相同。整 个喷嘴包括进气段、整流段、收缩段、出口 段和保护气段。湍流预混气体对冲实验是将 预先混合好的燃料和氧化剂同时从上下两个 喷嘴喷出，相遇后在两喷嘴之间形成稳定的 轴对称流场。点火之后，两个火焰稳定在自 由滞止点附近且被产物区域隔离，火焰出现图 5 微重力下的对冲火焰平台并且与喷嘴轴向方向垂直。

图 6 常重力下的对冲火焰

　　我们再对比一下微重力环境和常重力环 境下的预混气体对冲火焰 [3] 的不同形态， 如图 5 和图 6，与地面实验相比，微重力环 境下火焰更平坦、更对称；而常重力下的对 冲预混火焰边缘向上卷曲、翘起。两种环境 下的这种差异就是由是否具有浮力对流引起 的。

　　微重力与地面常重力存在的环境差异往 往导致各种不同的现象。就燃烧而言，当太 空环境中发生火灾时，不能再采取与地面火 灾相同的处理方式。因此，研究物质在微重 力环境下的特性和规律对于指导微重力环境 下的各种设计具有重要意义，这需要我们新 一代的研究者继续不断地努力。

　　参考文献：

　　[1] http: // www. New scientist. com/gallery /dn17734-space-station-science /2．

　　[2] 冯伟泉 , 柯受全 , 于东波 , 黎厉伟 . 航天飞机 G417 载荷研制及油滴与水滴接触微重力实验 . 航天器 环境工程 , 2014, 31: 115- 121.

　　[3] 王绥德 , 王双峰 , 王强 . 湍流预混火焰熄灭特 性的实验研究 . 燃烧科学与技术 , 2014, 20: 466-470.

　　作者简介：李丹，中国科学院 微重力实验室 2015 级硕博生， 导师 : 王双峰研究员。