中国将领先欧空局一步 揭秘空间情况下的蒸发与冷凝
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天舟一号中国将领先欧空局一步 揭秘空间情形下的蒸发与冷凝 出品：科普中国 制作：中国科学院空间运用工程与技巧中间 中国科学院力学研究所刘秋生不雅光剧旅行剧团队 中国科普博览 监制：中国科学院盘算机网络消息中间 编者按： 方才发射胜利的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实行推动剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技巧试验的义务。 中国科学院空间运用工程与技巧中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位，代表中国科学院抓总负责载人航天穹间科学与运用任务的计划、实行及结果产出与推广，详细累赘工程研制的组织管理，系统设想、集成、测试，靠得住性包管，在轨技巧支持，无效载荷运控治理，数据获取及运用功能的推广办事等系统技巧支持、支撑、包管、办事事情。 在此出格感谢中国科学院空间运用工程与技巧中间的支持！ 中国首艘货运飞船天舟一号刚刚发射胜利。 除了货运，天舟一号还累赘着不少科学任务。其中一个项目，已经引起了欧空局的留心。 这个项目包括两个部分，空间蒸发与冷凝科学试验，和两相体系实验平台症结技巧研究，负责人是中国科学院力学研讨所刘秋生研讨员。参与研究的除了中国科学院力学所，还有中山大学、中国科学院空间运用中心和东南大学。 这是我国首次空间冷凝与蒸发相变传热科学与热控技巧实验研究，也是我国首次在一个空间试验装配中开展2种以上科学与技巧试验的多目标流体物理空间试验。 试验有两个目标，在科学上，可望能够探讨空间蒸发与冷凝相变传热非常规律；在技巧上，可望验证本次试验中采取的空间两相回路热控与试验流体治理等关键试验技巧。 为什么这个项目能够惹起欧空局的留意呢？这个项目毕竟要做什么，又有什么意义呢？ 为什么要研究空间的冷凝与蒸发？
蒸发与冷凝是天然界中普遍具有的现象，其相变传热过程也是物理学历久研究的范例问题。 如水挥发（蒸发）与降雨（冷凝）是我们地球人类保留情况坚持的根本包管，谁人轮回进程时时刻刻都遭到重力惹起的自然（浮力）对流的极大影响。 在地球上，如许的蒸发与对流对咱们的生活发生了异常多的影响。例如，空调、热管等热装备都是应用相变传热道理假想的换热器。 空间飞行器（如载人空间站、卫星）中所处的微重力情况，没有自然对流，这将极大影响蒸发与冷凝相变过程，热设备的事情情况也将与咱们地球上完全差异。 那么，地球上的空调和热管等散热器可否能够间接用到太空中？ 它们在太空还能够正常的事情吗？ 如果不克不及够照搬地球上的现有热设备，那么“太空空调、太空热管”等空间热装备应当若何假想或若何应用？才能更好用或更耐用？
此刻咱们对微（变）重力情况中的相变界面热毛细流动、空间两相流体界面的瑞利-泰勒（R-T）不稳定性、毛细输运稳固性等新问题和新征象的相关理论能够说是认知匮乏，可是，上图中所展示的空间热流体设备和空间在轨流体治理都需要这方面研讨的支持。 以是这项研究对于空间站的培植、宇航员在太空的生活都有侧主要意义。 前期西洋的空间试验曾经初步觉察，空间微重力情况中的一些热装备事情情况恶化，导致换热效力显著下降、应用寿命不如地面预期等技巧问题。 剖析原因重要是空间与地面过程具有显著差异。 那么空间蒸发与冷凝进程中产生了什么变化？影响相变传热的热交流系数有多大改变？是变高了仍是低了？如果变低了，是哪些要素形成的？ 要想科学准确的答复上述问题，须要应用空间微重力情形开展空间实验，研究空间相变传热的特别征象，熟悉其非常规律，进而控制克服空间相变传热晦气影响的新方法和新技巧，用于研制能很好合用于太空情况中的热设备。
如美国空间局在2010年的“空间模型热管”实验中觉察热管换热器显著“发烧”。经研究，开始剖断是蒸发与冷凝相变过程比拟地基上面的有显著的差异。浮力对流缺失使热管内部蒸发与冷凝相变换热减弱，导致热管在空间变热。 在空间研究蒸发与冷凝相更改有劣势 Marangoni-Bénard对流是流体物理范例问题之一，已有长达一百多年的丰富研讨汗青。非牛顿流体层在一定的温度梯度驱动下会发生天然对流，如果流体层上外面是自在外面，且由概况张力引发的对流流动称为Marangoni-Bénard对流或热毛细对流。对付不斟酌外面具有蒸发相变液层涌现出规矩的六角形Marangoni-Bénard对流涡胞来说（见下面左图），能够用范例理论能够很好的说明；但对于有较强外面蒸发液层（如酒精）内出现的Marangoni-Bénard对流涡胞不再坚持规矩情势（如下面右图所示），现有理论却不克不及够很好解释具有蒸发效应的液层中对流形式变化的原因。惹起上述这一理论与试验现象之间的明显差别，只是由于液层概况的蒸发。
守旧热动力学均衡态模型无奈解释蒸发表面温度梯度驱动流动征象，须要引进相变界面非均衡态模子，还需要斟酌气体情形对界面能量传输的影响，若气体为该液体的纯蒸汽，拥有热毛细对流，若气体为两种或多种气体的混杂物，状态加倍宏大。
微重力前提也使得许多因重力而产生的力项得以减弱，对冷凝进程的影响因子相对削减，无益于对冷凝进程机理的深刻商量。 蒸发与冷凝相变流体界面具有比一般流体界面更为庞杂的流体动力学现象，如安闲概况流动更无规律可循，热界限前提不再遵守简略的工程热力学模型，空间微重力情形使得流体界面效应获得相对的放大，并同时剥离了地面重力惹起的浮力效应答相变界面流动与传热的重要影响。 因此，咱们在空间可以或许实现对液体酿成气体的蒸发界面和蒸汽酿成液体的冷凝界面热、质交换物理模子的精准验证和理论分析，给出更普适的相变界面热动力学理论模型。 本次项目搜罗哪些内容？ 本次蒸发和冷凝空间试验研究的两个模型如下图所示：
本次实验的内容重要包括： （1）空间蒸发与冷凝流体界面热质传输特点， （2）重力对相变流体传热传质进程的影响规律 （3）空间相变传热强化机制 项目除了试验部门，还会有技巧方面的验证。 重要是空间实验工质供给、汽/液分离和收受接管技巧验证，和空间热治理与两相回路控制症结技巧验证。
本项目开展的两相热控与实验流体管理技巧验证将为我国空间站两相系统科学实验柜的研制供应名贵的先期症结技巧验证和主要的设想根据。 相干实验成果将指点我国后续两相热流体科学试验载荷的假想与在轨试验计划的制订。 发射后就开始试验吗？ 本项目并不是在天舟一号发射后就进行蒸发与冷凝科学试验。
本项目将在这两个阶段20多天内进行在轨科学试验，分离在轨开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝三品种型的科学研讨、两相流体控制技巧验证四个阶段的空间试验，实验时光共计200多小时。 起首阶段： 处于组合体飞行段，实验2天。 相继开展蒸发液层/滴试验，冷凝，和两相回路调试等共计10次试验。 第二阶段： 处于组合体飞翔段，实验10天。 筹划开展蒸发液层、蒸发液滴，冷凝试验，和两相回路调试共计45次试验。 第三阶段： 处于自主飞翔段，实验5天。 开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝实验共计22次实验。 第四阶段： 处于自立飞行段，实验连续3天半。 接踵开展蒸发液层、蒸发液滴、冷凝实验和两相回路技巧验证等共计16次实验。 ? 这是国内首次实现对微重力蒸发与冷凝过程中多物理量场的实时不雅观测，可望得到空间蒸发和冷凝液膜的时空演变规律、相变非安稳热动力学特色等研究方面的新功能；预期能够验证多项空间在轨两相流体管理与热控等关键技巧，为空间站两相体系实验柜的工程研制奠基技巧基本；在此领域内率先获得科学研究结果和实验技巧打破。 为什么谁人项目能引起欧空局留心？ 在国际上，微重力流体物理的研究筹划曾经排到了2020年。
空间两相流体与传热是国际空间站的科学研讨热门课题，西洋日等国的空间研究机构都有空间试验计划和在轨实验装配。 本项组合式相变传热空间实验筹划由我国科学家初次提出，并将在我国首艘货运飞船上实施，早于欧空局等相干项目的实施时光。 （欧空局：很好，你曾经惹起了我的留心。） 欧洲科学家曾经表现希望与咱们在该项目上开展科学竞争，如与ARLES、CIMEX和SAFIR等ESA的科学成果进行比较。 项目担任人—中科院力学研讨所刘秋生研究员是国际寰宇两相应用系统（ITT）前辈研究结合组织的中方科学成员和联系人，经过进程开展该项试验研究，将进步我国在微重力流体物理研讨领域的国际影响和存眷度。
最初，感谢所有科研人员的付出，感激载人航天工程的项目支持，感谢中科院空间应用系统总体部的工程组织与指导！
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