Question d'origine :
Bonjour cher guichet,
On sait qu'une flamme en apesanteur se présente sous forme de sphère.
Quelle influence a cette caractéristique sur la combustion des braises en apesanteur ?
(Exemple : une cigarette de l'espace qui se consumerait dans une station spatiale...)
Merci d'avance pour votre réponse et longue vie à vous !
Cordialement,
Nico
Réponse du Guichet
bml_sci
- Département : Sciences et Techniques
Le 25/07/2008 à 09h21
Il n’y a pas si longtemps on disait que les cosmonautes étaient en état d’apesanteur ou d’impesanteur. Aujourd’hui on préfère utiliser le terme de microgravité, car dans un vaisseau spatial il existe toujours de très faibles accélérations susceptibles d’avoir une action dans certaines expériences. Cependant, dans la plupart des cas, les forces de microgravité sont si petites que les objets, comme les astronautes qui « flottent » dans la cabine, sont pratiquement en apesanteur.
En microgravité, le principe d’Archimède est sans objet, le « volume déplacé » n’ayant plus de poids. Aussi, les courants de convection qui contribuaient à donner à la flamme de la bougie terrestre sa forme allongée, ne peuvent exister : la flamme de la bougie est alors approximativement sphérique. L’air chaud ne monte pas, il se mélange simplement à l’air ambiant dans toutes les directions grâce à l’agitation moléculaire. En outre, la flamme est plus large qu’en présence de convection. Pour simplifier, on peut dire que la flamme se positionne là où la quantité d’oxygène est suffisante pour que la réaction ait lieu, en fait il s’agit d’un fragile équilibre qui fait également intervenir la propagation de la chaleur vers la bougie nécessaire à la vaporisation du combustible.
(Centre de Recherche Glenn)
A gauche, une flamme de bougie sur Terre. A droite, la même en apesanteur à bord de la navette spatiale.
En microgravité, la flamme de la bougie est bleue. C’est parce qu’il s’agit d’une réaction qui s’effectue avec un mélange équilibré, dans lequel il y a juste la quantité d’oxygène pour brûler le combustible. La flamme de la bougie n’éclaire qu’en présence de gravité.
Il a été également montré que la combustion lente, comme celle de la cigarette, déjà pernicieuse sur la Terre est bien plus dangereuse en apesanteur. Si le danger de la cigarette semble écarté dans les vaisseaux spatiaux pour des raisons de sécurité évidentes, les autres risques, dus pour l’essentiel à des défauts d’isolation ou de contact électrique sont nécessairement présents là-haut comme ailleurs. Mais en microgravité leur dangerosité est décuplée car le feu ne se manifeste pas immédiatement par des fumées et des odeurs : il n’y a pas de fumée qui s’élève signalant l’existence du feu. Les seuls transports possibles sont diffusifs (ou convectifs forcés). Un simple échauffement, de type effet Joule, peut-être à l’origine d’un allumage intempestif plus probable en microgravité que sur Terre. En effet les pertes thermiques étant limitées aux pertes par diffusion, l’évacuation de la chaleur est alors bien plus difficile et bien moins efficace que dans les conditions habituelles. Ainsi les détecteurs de fumée classiques sont inopérants et d’autres protocoles doivent être élaborés.
Feu et flammes, par Louis Boyer.
Les recherches sur la combustion en microgravité sont importantes à deux titres : la recherche fondamentale et la sécurité.
La NASA a jusqu’ici soutenu fortement sa recherche dans les vols en orbite ; celle-ci est également effectuée dans les vols paraboliques de l’airbus A-300 ou encore dans les laboratoires possédant des systèmes de chute libre, tours verticales ou puits dans lesquels la chute est contrôlée.
Sécurité incendie en apesanteur, par Sciences@NASA
Certains laboratoires français du CNRS sont très actifs dans le domaine de la combustion en microgravité.
Flammes de diffusion laminaires représentatives des incendies dans les conditions de microgravité , Pr P. Joulain (CNRS, Poitiers, F) et Dr J.L. Torero (Université du Maryland, Etats-Unis).
Cette expérience portée sur l'étude et la caractérisation de la structure des flammes de diffusion laminaires en microgravité. Etudier les flammes de diffusion en l'absence de convection naturelle, laquelle favorise le remplacement des gaz chauds du site de combustion par des gaz froids, permet de mieux comprendre le déplacement des composants chimiques des flammes en microgravité lié à la diffusion uniquement. Une flamme d'éthane soumise à un écoulement d'air forcé dans une chambre de combustion sera observée au moyen de techniques de diagnostic de pointe incluant visualisation par CCD, spectroscopie, mesures de flux rayonné et thermocouples. Le but ultime de cette expérience est de recueillir les connaissances scientifiques nécessaires à l'évaluation de la flammabilité de matériaux en microgravité, de façon à réduire le risque d'incendie à bord des véhicules spatiaux habités.
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