小火箭出品
本文作者：邢強博士
本文共4358字，33圖。預(yù)計閱讀時間：40分鐘。
公元2018年4月17日上午10點43分，美國西南航空公司一架載有144名乘客和5名機組人員的波音737-700客機的左側(cè)發(fā)動機在空中突然發(fā)生爆炸事故。
高速飛出的發(fā)動機碎片擊碎了該機左側(cè)的一塊舷窗。
空氣從破碎的舷窗快速泄出，致使機艙內(nèi)迅速失壓。一名乘客被巨大的壓力差吸附在破碎舷窗處。
英勇的機長在5分鐘之內(nèi)將飛機的飛行高度從1萬米迅速降低至3900米，駕駛只剩1臺發(fā)動機提供動力的飛機于當日上午11時20分迫降成功。
雖然那位差點被吸出飛機的乘客在大家的奮力救助下，被拉回了座位，并在迫降后迅速被送去搶救，但最終還是身亡了。
這次事故造成1人死亡，7人受傷，是自2009年的美國3407號航班空難發(fā)生以來，時隔9年，美國再次發(fā)生有人員喪生的航空事故。
在民航客機起飛前，空乘人員通常會站在過道的顯眼位置，向大家演示在緊急情況下救生衣穿戴方法和氧氣面罩的使用方法。
在現(xiàn)實生活或者影視作品中，大家能看到飛機在突遇客艙失壓等緊急情況的時候，金黃色的氧氣面罩從乘客頭頂?shù)奶旎ò迳贤蝗宦湎隆?/p>
那么問題來了，艙內(nèi)失壓的時候，為什么要趕緊戴上氧氣面罩？為乘客在緊急情況下提供的氧氣是從什么地方來的呢？
嚴酷
大氣壓力和空氣的含氧量是隨高度的增加而逐漸減小的。
小火箭風(fēng)格：
在海拔1000米處，大氣壓力為海平面處的88.1%，含氧量為海平面處的92.4%。在海拔3000米處，大氣壓力進一步減小為海平面處的51.4%，含氧量則減少為海平面的61.8%。
長期在平原地區(qū)生活的人剛剛來到海拔3000米以上的高原時，會出現(xiàn)頭痛、失眠、疲倦、呼吸困難等癥狀，這就是因人體暴露在低壓低氧環(huán)境而產(chǎn)生的高原反應(yīng)。
早期的客機飛行高度比較低，乘客還沒有對低壓低氧的環(huán)境表現(xiàn)出明顯的異常，優(yōu)雅得很。
但是，為了避開低空復(fù)雜而混亂的氣流，后來設(shè)計的客機開始越飛越高，于是低壓低氧的問題變得不容忽視了。
1938年首飛的波音307客機率先采用了客艙增壓系統(tǒng)，使得該機在6000米的高度上巡航時，客艙內(nèi)的氣壓可以維持在海拔2438米的水平，由此開啟了客艙增壓的時代。
密封且增壓的客艙給乘客創(chuàng)造了一個舒適安全的乘坐環(huán)境，也使民航客機在設(shè)計時不必考慮乘客對艙外環(huán)境的適應(yīng)能力，從而能在更高的天空選擇效率最高的方式進行巡航飛行。
現(xiàn)代大型民航客機采用噴氣式發(fā)動機，其巡航高度通常在9000米至12500米之間，而客艙內(nèi)則始終保持著相當于海拔2000米到2100米高度的大氣壓力和適宜的氧氣濃度。（最低氣壓不得低于海拔2438米，是的，波音307客機創(chuàng)造的艙內(nèi)壓力的事實標準沿用到了今天。）
另外，有的客機為了讓乘客有更舒適的乘坐體驗，客艙內(nèi)的氣壓更高。比如波音787的艙內(nèi)壓力為海拔1830米，與我國的春城云南省昆明市相當。
考驗
但是，無論客機設(shè)計得有多好，終歸還是有個萬一。于是，艙內(nèi)的氣壓和氧氣系統(tǒng)就會面臨嚴峻的考驗了！
一旦客艙出現(xiàn)破損或泄漏，那么艙內(nèi)氣壓和氧氣就有降低的危險。
在6700米高空出現(xiàn)這種狀況后，機組人員和乘客只能保持5分鐘的清醒意識；在10000米高空，這個時間縮短為1分鐘左右；而在14000米的高空，留給人的時間則只有12至15秒。
可見，應(yīng)急的氧氣供應(yīng)在民航客機上是很有必要的。
早期民航客機上對客艙進行應(yīng)急供氧的氧氣來源是傳統(tǒng)的高壓氧氣瓶。但是，在使用過程中，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了氧氣瓶的一些缺點。
它們供應(yīng)氧氣給機組人員的時候表現(xiàn)得還不錯，但是客艙的座位很多，要把氧氣送到每名乘客那里，需要復(fù)雜的管路。
為防止管路泄漏，需要定期檢查管路，還要記得對泄漏的氧氣進行補充。笨重的氧氣瓶、復(fù)雜的氧氣管路和繁瑣的維護保養(yǎng)程序，這些與現(xiàn)代民航客機的設(shè)計理念顯然是背道而馳的。
而即使是非常先進的戰(zhàn)斗機，其氧氣系統(tǒng)也始終有著各種各樣的可靠性方面的問題。涉及到的事情，小火箭在此不再贅述。
這是小火箭好友提供的美國海軍航空母艦上的工作人員為艦載機準備氧氣瓶的場景。
上圖這位小哥兒正在準備把這個綠色氧氣罐子安裝到F/A-18C大黃蜂艦載戰(zhàn)斗機上。
如果每一位乘客的應(yīng)急供氧系統(tǒng)都要像艦載戰(zhàn)斗機這樣準備的話，我們在機場候機排隊的時間那可就得大大延長了。
有沒有一種裝置可以簡單高效地產(chǎn)生氧氣同時還不需要進行太多維護呢？答案是肯定的。
氧燭
工程師們通過大量試驗，發(fā)掘出了氯酸鈉這種化學(xué)物質(zhì)。氯酸鈉被加熱到260℃的時候開始熔化，進一步加熱到460℃時，就會分解，產(chǎn)生氯化鈉和氧氣。
這個反應(yīng)本身是大量放熱的，因此，一旦氯酸鈉被點燃，就會自己不斷重復(fù)熔化與分解的過程，很像蠟燭的燃燒。把氯酸鈉制成圓柱體狀，便能通過點燃其中一端的方式來持續(xù)供氧了。
從分子式上看，氯酸鈉含氧量為45%，而氯酸鈉的密度為2.35克/立方厘米 , 因此，通過簡單計算，小火箭給出：體積為1升的氯酸鈉藥柱在燃盡后，理論上可以產(chǎn)生798升的氧氣。相當不錯。
從實測的試驗數(shù)據(jù)來看，1升的氯酸鈉藥柱耗盡后，平均可以產(chǎn)生氧氣784升，這樣的供氧量大約為同體積高壓氧氣瓶的3倍。
有關(guān)氯酸鹽和高氯酸鹽，詳見小火箭的固體火箭發(fā)動機系列文章中的《聊聊固體火箭發(fā)動機的推進劑》一文。
但是，這樣的藥柱要想登上民航客機取代氧氣瓶還需要跨過兩道門檻。
第一道檻是氯酸鈉的分解溫度很高，這就使得通過點燃藥柱來產(chǎn)生的氧氣溫度過高。況且，在緊急情況下立刻產(chǎn)生460℃的高溫也是不太容易的。
其解決方案就是往藥柱里摻入一些起催化作用的添加劑。
常用的添加劑有鎂粉、鐵粉、鈦粉、錳粉等金屬粉末。它們能讓氯酸鈉的分解溫度降到280℃，同時讓反應(yīng)變得持續(xù)和穩(wěn)定。
第二道檻是氯酸鈉分解后的產(chǎn)物中混有一些氯氣。這種在二戰(zhàn)期間曾被廣泛用作毒氣戰(zhàn)的氣體對人的呼吸系統(tǒng)有較強的傷害。而且就算濃度很低不至于影響健康，那種濃郁的化學(xué)實驗室氣味也足以讓一些乘客感到不適了。
后來，人通過向藥柱中添加3%至5%的過氧化鋇、氧化鎂等化合物來吸收氯氣的方法解決了這個問題。
降低了分解溫度并減少了氯氣生成的藥柱被封裝在不銹鋼罐子里，加上點火裝置和過濾系統(tǒng)，成為了“氧燭”。
有試驗表明，氧燭在適宜的環(huán)境中存放20年后，其產(chǎn)氧量仍不會減少。這種含氧多、重量輕而又很可靠的設(shè)計逐漸替代了氧氣瓶，在民航客機中默默守護著旅客安全。
每當氧氣面罩落下，乘客拉動面罩之后，忠實的氧燭都能夠提供至少12分鐘的不間斷氧氣供應(yīng)。
實際上，小小的氧燭有著非常神秘的身世，也有著十分矯健的身手，可謂上天下海入地，無所不往。氧燭一開始并不是專門為民航客機研制的。
上世紀40年代，美國海軍為了尋找潛艇的應(yīng)急氧氣來源，重啟了處于暫停階段的氯酸鹽分解項目（二戰(zhàn)之前就有人設(shè)想通過分解氯酸鹽的方法來獲得氧氣，但是因技術(shù)水平的限制，當時生成的氧氣含雜質(zhì)太多，誰都不愿意用這種嗆人的氣體來充當自己生命最后的保障，不得已項目被中止）。
經(jīng)過20年的研究，終于做出了能夠?qū)嵱玫穆人猁}配方。第一批氧燭就這樣被悄悄地裝備到了潛艇中。
時至今日，按小火箭數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計，美國每艘核潛艇中平均備有200枚氯酸鹽氧燭作為氧氣的最后來源。每枚氧燭能燃燒45分鐘，產(chǎn)生3300升的氧氣。
目前應(yīng)用于民航客機的氧燭是1967年把潛艇氧燭技術(shù)民用化后的成果。
中國在上世紀80年代啟動了氧燭制備和應(yīng)用技術(shù)的研究，已經(jīng)掌握了氧燭的關(guān)鍵技術(shù)。
上上圖為潛艇中的氧燭燃燒籃，上圖為潛艇中的氧燭儲備罐。
氧燭不僅能從海里飛到空中，后來還飛到了太空，其穩(wěn)定性和可靠性得到了進一步發(fā)展。曾經(jīng)的和平號空間站使用高氯酸鋰氧燭作為電解水供氧系統(tǒng)的緊急備份，單發(fā)產(chǎn)氧量為600升，能夠燃燒5至20分鐘，可供一人一天所需的氧氣。
但是高氯酸鋰氧燭在使用過程中出現(xiàn)過熄火現(xiàn)象，在存放過程中還出現(xiàn)過著火事故，因此雖然其含氧量非常高，但終歸不適用于太空環(huán)境。
啥？和平號出現(xiàn)過火災(zāi)？而且是氧燭引起的？
是的。小火箭風(fēng)格：
事情是這樣的。1995年3月，美國宇航員到俄羅斯的和平號空間站做客，進行為期28個月的合作研究。
原本一切都挺好的。結(jié)果到了1997年2月23日，和平號空間站的1號電解制氧機突然報故障。俄方宇航員不以為然，踢了踢制氧機，果然沒反應(yīng)了。
這座核心艙在1986年蘇聯(lián)時期進入太空的空間站，已經(jīng)在軌運行了11年了，出點兒小故障，沒什么的。于是，俄方宇航員轉(zhuǎn)了個身，打開了2號電解制氧機的開關(guān)。這臺備份制氧機發(fā)出了一陣機械噪聲之后，就沒反應(yīng)了。
天！2臺制氧機全壞了。俄方宇航員有點兒著急了。眼看和平號空間站艙內(nèi)的二氧化碳濃度飆升，氧氣濃度則越來越低。
幸好還有氧燭！俄方宇航員打開艙門，進入和平號空間站的量子艙，拉出儲藏間的一根碩大的氧燭，取下保險，用力一擰開關(guān)。
頓時，高氯酸鋰快速反應(yīng)，和平號空間站的氧氣濃度迅速向正常水平恢復(fù)。
但是，這反應(yīng)速度實在是太快了！整個裝置爆炸了！
這可是高氯酸鋰??！頓時，量子艙就燃起了熊熊火焰。好在和平號空間站的空氣過濾系統(tǒng)和應(yīng)急滅火系統(tǒng)非常給力，3位宇航員也非常英勇，抓起防毒面具就奔向火場。這才在90秒后撲滅了明火，在7分鐘后濾走了濃煙。
美國工程師吸取了俄羅斯和平號空間站的經(jīng)驗教訓(xùn)。
1999年，美國宇航局NASA開始研制性能更加穩(wěn)定的氯酸鈉氧燭作為備用應(yīng)急氧源，并于2004年將其裝備到了國際空間站上面。這種氧燭的單發(fā)產(chǎn)氧速率為每分鐘33升，可以提供多達2600升的氧氣。
2005年5月13日，國際空間站的主要氧氣來源，俄羅斯艙段的電解制氧機壞掉了。后來，宇航員們第一次在國際空間站上點燃了氧燭來提供應(yīng)急供氧。當然，這次沒有引發(fā)火災(zāi)。
6月16日，一艘進步號貨運飛船帶來了大量氧氣罐，足夠宇航員們繼續(xù)呼吸使用。同年8月份，另一艘進步號貨運飛船送來了電解制氧機的備件，才終于讓國際空間站的主制氧設(shè)備恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
結(jié)束語
優(yōu)秀的設(shè)計理念往往能跨越學(xué)科的界限，形成廣泛的影響。用氧燭來取代氧氣瓶的趨勢也出現(xiàn)在了采礦產(chǎn)業(yè)和消防急救事業(yè)中。
一種能供10個人在煤礦礦井深處避險96小時的救生艙就用氧燭來提供氧氣。其多次啟動技術(shù)保證了在長時間內(nèi)救生艙的氧氣濃度都能夠維持在18.5%至23.0%之間。
經(jīng)分析，在火災(zāi)死亡的人數(shù)中，因煙霧中毒而失去逃生能力的占85%。一種基于氧燭技術(shù)的自救器已逐漸開始嶄露頭角。如果這種自救器能夠得到廣泛應(yīng)用的話，氧燭將能夠守護更多人的生命。
飛機在萬米高空失壓，這根小藥柱可以救你一命。這種燒出來的氧氣，還是蠻有趣的也是很有用的。而最新的氧燭系統(tǒng)，已經(jīng)開始在新型的野戰(zhàn)裝備中嶄露頭角了。
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