天宫二号要上天!空间实验提前看
出品:科普中国
制作:熊猫侠团队
监制:中国科学院计算机网络信息中心
 

  2016年注定是不平凡的一年,不仅因为这一年是我国十三五计划的开局之年,更是因为今年也即将成为我国空间科学发展的转折点。之所以这么说,是因为我国将于9月中旬发射天宫二号空间实验室,打造中国第一个真正意义上的空间实验室,为我国空间站的建立奠定基础。
  作为“天宫一号”的“继承者”,天宫二号即将进行的各类实验达到了史无前例的14项,堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。那么即将“上岗”的天宫二号都搭载了哪些让人不明觉厉的科学实验项目?科学家“上天入地”不辞劳苦探索的科学问题究竟有怎样的价值?针对其中的“热毛细对流空间实验项目”,我们请到了天宫二号该项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员,来为我们揭秘天宫二号上不可思议的科学实验。


图1 天宫二号热毛细对流空间实验项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员

奇特的热毛细对流现象
  在空间环境完全失重的特殊条件下,由表面张力驱动的热毛细流动成为主要的自然对流形式,它也是影响空间流体热、质输运过程的主要因素。那么,热毛细现象是一种怎样奇妙的物理过程呢?段俐研究员解释说,热毛细对流,是一种与流体表面或者界面相关的热对流现象。众所周知,在流体的交界面上存在着分子与分子之间的相互作用力也就是表面张力,而随着温度的变化,表面张力的大小也会发生相应的变化。所以,当流体交界面上的温度分布不均匀时,就会造成在不同的位置表面张力的大小不同,从而形成驱动流体流动的现象,这就是热毛细对流。
  此外,热毛细对流现象在实际工业生产中有着广泛的应用,特别是高质量晶体生长过程。然而,时至今日科学家对热毛细流动的认知仍然十分有限。因此,开展热毛细对流的研究有助于人类更好地进行空间探索和应用。
精妙的“液桥”实验装置
  液桥作为一种典型的热毛细流动体系,也是晶体生长重要的方法-浮区法的模型,也是此次天宫二号热毛细对流空间实验项目的主要实验装置。


图2 液桥实验装置示意图

  图2是液桥模型的简要示意,液体位于上下两个碟片之间,分别对上下两个碟片进行不同温度加热形成温度差,从而在液体表面形成热毛细对流。段俐介绍说,该实验设备可通过控制完成注液、拉桥、清桥、温度控制、温度和图像采集及打包传输等操作。其中,实验用的流体介质-硅油被储存在液缸内,空间实验时,通过高精度PI电机牵引实现注液、拉桥,最后完成建桥这一过程,液桥的高径比和体积比参数由拉桥和注液电机控制实现。同时,段俐特别介绍说,这个设备里设计安装了清桥系统,一旦在太空实验过程中出现断桥现象,可以通过电机驱动清桥系统擦洗桥柱实现再建桥过程,这也是此次项目实验装置的重要特色之一。
  段俐表示,整个实验过程,将被位于液桥一左一右一近景一远景的两个CCD图像传感器进行图像的采集,观测液桥的形貌,判断液桥体积变化和断桥与否。空间实验过程中,科学家将通过控制软件同时完成数据下传和指令上传的双向传输,不仅可以通过提前输入程序来进行实验,也可以根据实验实际需求注入指令进行科学操作,从而实现天地互动。
必不可少的地面实验
  除了随天宫二号“上天”的实验装置,在地面还预先设置了相同的实验装置,那么设置地面实验的必要原因又是什么呢?段俐研究员解释说,鉴于空间实验机会少且费用极高,而且热毛细对流现象与其影响因素之间的关系并不是用简单公式就可以准确描述的,这就需要地面实验为空间实验的顺利进行提供科学合理的参考范围,为空间实验的顺利进行奠定基础。
  在地面环境中,科学家们搭建了大尺寸液桥对比实验平台,采用和空间实验一样的多路温度采集装置。此外,为了更加全面的观测液桥的流动机制,针对实验需求,加工了蓝宝石和红外桥柱,分别采用粒子图像测速技术和红外热像仪观测液桥流动的速度场和温度场。通过地面实验,科学家们积累了大量实验数据,为空间实验的顺利开展“预热”:首先,在地面大尺寸液桥实验首次验证了胡文瑞院士提出的体积比效应,测定了晶体几何参数对于临界条件的影响;第二,测定液桥界面温度场,得到对流模式转换:得到了较完整的流场模式转换过程;第三,观测液桥速度场,得到流场结构和两次转捩;第四,分析和研究流体流动体系失稳和分岔转捩过程及其振荡行为。这些精准的数据都将成为天宫二号空间实验过程中的重要支撑。


图3 天宫二号热毛细对流空间实验项目部分实验装置

  “功成身退”的天宫一号值得纪念,今夏接力“上岗”的天宫二号空间实验室则将开创更多的“第一次”,在此基础上,中国将在2020年前后建成永久性空间站,并在2022年全面运行。回想当年国际空间站项目将中国拒之门外,如今中国却表示:“我们欢迎国际合作。” 随着科技实力的不断增强,中国正在实现由航天“大”国到航天“强”国的华丽转身。

关闭