Expérience spatiale de convection thermocapillaire sur le satellite récupérable SJ-10

Dans des conditions de microgravité dans l’espace, de nombreux phénomènes physiques intéressants sont présentés en raison de l’absence de gravité. Dans un liquide à surface libre, il existe un nouveau système d’écoulement (c.-à-d. flux thermocapillaire) qui est causé par le gradient de température ou le gradient de concentration. Différente de la convection traditionnelle au sol, la convection thermocapillaire est un phénomène omniprésent dans les environnements spatiaux. Comme il s’agit d’un sujet de recherche très important dans la physique des fluides de microgravité, un certain nombre d’expériences ont été menées dans l’espace ainsi que sur le terrain. Récemment, des études expérimentales spatiales ont été réalisées sur la convection thermocapillaire sur le satellite d’expérience scientifique récupérable SJ-10. La charge utile de l’expérience spatiale se composait de huit systèmes, à savoir un système d’expérimentation fluide, un système de stockage et d’injection liquide, un système de contrôle de la température, un système de mesure du thermocouple, une caméra thermique infrarouge, des capteurs de déplacement, un système d’acquisition d’images CCD et un système de contrôle électrique, comme le montre la figure 1 (à gauche). La charge utile de l’expérience spatiale pour la recherche sur les ondes de surface de convection thermocapillaire est montrée dans la figure 1 (à droite). Cette étude s’est concentrée sur l’instabilité du flux, les phénomènes d’oscillation et les transitions, qui sont des caractéristiques importantes dans le processus de transition du flux laminaire au chaos. Les études sur ces sujets fondamentaux ont une grande importance pour la recherche concernant un fort flux non linéaire.

Contrairement à la convection de flottabilité entraînée par la force du volume, la convection thermocapillaire est un phénomène causé par la tension de surface dans l’interface entre deux fluides immiscibles. L’ampleur de la tension de surface change avec certains paramètres scalaires, y compris la température, la concentration de soluté et la force du champ électrique. Lorsque ces champs échaudés se répartissent inégalement dans l’interface, il y aura un gradient de tension de surface présent sur la surface libre. Le fluide sur la surface libre est entraîné par le gradient de tension de surface pour se déplacer de l’emplacement avec une tension de surface moindre à celle avec une plus grande tension de surface. Ce flux a d’abord été interprété par un physicien italien, Carlo Marangoni. Par conséquent, il a été nommé “l’effet Marangoni”¹. Le flux de Marangoni sur la surface libre s’étend au liquide intérieur par la viscosité et génère ainsi ce qu’on appelle la convection Marangoni.

Strictement parlant, pour le système fluide avec une surface libre, la convection thermocapillaire et la convection de flottabilité apparaissent toujours simultanément sous la gravité normale. En général, pour un système de convective macroscopique, la convection thermocapillaire est un effet mineur et est généralement ignorée par rapport à la convection de flottabilité. Cependant, à l’état d’un système de convective à petite échelle ou dans l’environnement de microgravité, la convection de flottabilité sera considérablement affaiblie, voire disparaîtra, et la convection thermocapillaire deviendra dominante dans le système d’écoulement. Pendant une longue période de temps, la recherche a été axée sur la convergence de flottabilité macro-échelle en raison des limitations dans les activités humaines et les méthodes de recherche^2,3,4. Cependant, au cours des dernières décennies, avec le développement rapide de la science et de la technologie modernes telles que l’aérospatiale, le cinéma, le MEMS et la science non linéaire, la nécessité de poursuivre les recherches sur la convection thermocapillaire est devenue de plus en plus urgente.

Les études concernant l’hydrodynamique de microgravité ont une signification académique importante et des perspectives d’application. De nombreux dynamiques, chimistes physiques, biologistes et scientifiques des matériaux se sont réunis pour travailler dans ce domaine. Kamotani et Ostrach ont terminé des expériences sur la convection thermocapillaire dans un pool liquide annulaire dans des conditions de microgravité^2,5,6,7,8 et observé le flux régulier, le flux oscillatoire, et les conditions critiques. Schwabe et coll. ont étudié la convection flottante-thermocapillaire dans une piscine liquide annulaire^{similaire 3,9} et ont constaté que le débit oscillatoire est d’abord apparu comme des ondes thermocapillaires, puis s’est tourné vers un flux plus complexe avec l’augmentation de la différence de température. En 2002, Schwabe et Benz et coll. ont signalé un groupe d’expériences sur la convection thermocapillaire dans une piscine liquide annulaire réalisée sur le satellite russe FOTON-12^4,10. Leurs résultats expérimentaux spatiaux étaient compatibles avec les résultats expérimentaux du sol. Certains scientifiques japonais ont effectué trois séries d’expériences sur la convection thermocapillaire de pont liquide, nommée l’expérience Marangoni dans l’espace (MEIS), sur la Station spatiale internationale^11,12,13. Certains équipements expérimentaux, y compris la caméra, l’imageur thermique, les capteurs thermocouples, et la technologie 3D-PTV et photochromique, ont été appliqués dans ces trois tâches. Les conditions critiques de la convection thermocapillaire à différents rapports d’aspect ont été déterminées, et des structures tridimensionnelles (3D) de débit ont été observées.

Au cours des 30 dernières années, la science de la microgravité a subi un développement prolifique en Chine^14,15,16, et un certain nombre d’expériences de microgravité ont été menées dans l’espace^17,18. Dans le domaine de la physique des fluides, la première expérience de microgravité a été l’étude du liquide à deux couches sur le satellite récupérable SJ-5 en 1999, et la structure de débit a été obtenue par la méthode de traçage des particules¹⁴. En 2004, l’étude sur la migration thermocapillaire d’une gouttelette a été réalisée sur le SZ-4, et la relation entre la vitesse de migration et le nombre critique de Mach (Ma) a été obtenue^15,16. En 2005, l’étude expérimentale sur la migration thermocapillaire multi-bulles a été réalisée sur le JB-4¹⁷, et les règles de migration ont été obtenues car le nombre de Ma a été porté à 8.000. Pendant ce temps, des problèmes tels que la fusion des bulles ont également été étudiés. En 2006, l’étude sur le transfert de masse de diffusion a été réalisée sur le satellite récupérable SJ-8, l’interféromètre Mach-Zehnder a été appliqué pour la première fois dans l’expérience spatiale, le processus de transfert de masse de diffusion a été observé, et le coefficient de diffusion a été évalué¹⁸.

Ces dernières années, une série d’études expérimentales au sol axées sur les processus d’oscillation et de bifurcation dans la convection thermocapillaire ont été réalisées, et l’effet couplé de la flottabilité et de la force thermocapillaire a été analysé. Les résultats expérimentaux montrent que l’effet de flottabilité ne peut pas être ignoré dans les expériences au sol, car il joue un rôle dominant dans de nombreux cas^19,20,21,22. En 2016, deux expériences de microgravité ont été menées pour rechercher la convection thermocapillaire dans le pont liquide sur le TG-2, et la convection thermocapillaire dans la piscine liquide annulaire sur le satellite récupérable SJ-10^23,24. Le présent article introduit la charge utile expérimentale de la convection thermocapillaire sur le SJ10, et les résultats de l’expérience spatiale. Ces méthodes seront utiles pour explorer le mécanisme de l’oscillation thermocapillaire.

Afin d’observer la transition du modèle convectif, l’oscillation de température, et la déformation de surface sans liquide, six thermocouples, une caméra thermique infrarouge, et un capteur de déplacement pour quantifier la fréquence, l’amplitude, et d’autres quantités physiques de l’oscillation ont été utilisés. Grâce à des études sur l’oscillation et la transition dans la convection thermocapillaire dans l’espace, le mécanisme de convection thermocapillaire dans l’environnement de microgravité, qui fournit des orientations scientifiques pour la croissance des matériaux dans l’espace, peut être découvert et compris. En outre, les percées technologiques dans de telles expériences spatiales, telles que les techniques de maintenance de surface liquide et d’injection liquide sans bulles, amélioreront encore la simplicité et le niveau technique des expériences de microgravité dans les fluides Physique.

Cet article présente l’expérience de développement de charge utile et d’espace du projet d’onde de surface thermocapillaire réalisé sur le satellite expérimental scientifique SJ-10. En tant que charge utile d’expérience spatiale, ce système de convection thermocapillaire a une forte capacité anti-vibration pour prévenir les chocs violents, en particulier pendant le processus de lancement par satellite. Afin de répondre aux exigences du fonctionnement à distance, le processus d’expérience spatiale est contrôlé automatiquement, et les données expérimentales spatiales peuvent être transmises à la station de réception des signaux au sol de l’engin spatial, puis à l’expérimental des scientifiques. Plate-forme.