ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10

בתנאים מיקרו כבידה בחלל, תופעות פיזיות מעניינות רבות מוצגות בשל היעדר כוח הכבידה. בנוזל עם משטח חופשי, קיימת מערכת זרימה חדשה (כלומר זרימה תרמוקפילר) הנגרמת על ידי הטמפרטורה הדרגתי או ריכוז הדרגתי. שונה הסעה מסורתית על הקרקע, הסעה תרמוקפילר היא תופעה בכל מקום בסביבות החלל. כפי שהוא נושא מחקר חשוב מאוד בפיסיקה נוזל הכבידה microgravity מספר ניסויים נעשו בחלל, כמו גם על הקרקע. לאחרונה, מחקרים ניסיוניים שטח בוצעו על הסעה תרמו קפילר על הלווין SJ-10 ניסוי מדעי ההשבה. המשימה שטח הניסוי כללה שמונה מערכות, כלומר מערכת ניסוי נוזלים, אחסון נוזלי ומערכת הזרקה, מערכת בקרת טמפרטורה, מערכת מדידה תרמותרמיים, אינפרא אדום תרמית מצלמה, חיישני תזוזה, מערכת רכישת תמונה CCD, מערכת בקרת חשמל, כפי שמוצג באיור 1 (משמאל). מנת השטח של הניסוי למחקר על גלי פני השטח של הסעה תרמוקפילר מוצג באיור 1 (מימין). מחקר זה התמקד בחוסר היציבות של הזרימה, תופעת התנודות והמעברים, שהם מאפיינים חשובים בתהליך המעבר מזרימה מבינשכבתית ועד תוהו ובוהו. למחקרים על נושאים בסיסיים אלה יש חשיבות רבה למחקר בנוגע לזרימה חזקה לינארית.

שלא כמו הסעה לציפה המונעת על ידי כוח הנפח, הסעה תרמוקפילר היא תופעה הנגרמת על ידי מתח פני השטח בתוך הממשק בין שני נוזלים immiscible. הגודל של מתח פני השטח משתנה עם פרמטרים סקלריים, כולל טמפרטורה, ריכוז מסיסות וחוזק שדה חשמלי. כאשר שדות סקלריים אלה מפיצים באופן שווה בממשק, תהיה מעבר הדרגתי של מתח פני השטח על פני השטח החופשי. הנוזל על פני השטח החופשי מונע על ידי מעבר מתח הדרגתי כדי לעבור מהמיקום עם מתח משטח נמוך יותר עם מתח פני שטח גדול יותר. זרם זה התפרש לראשונה על ידי פיזיקאי איטלקי, קרלו מאראנגוני. מכאן, הוא נקרא “אפקט מראנגוני”¹. זרימת marangoni על משטח חופשי משתרע על הנוזל הפנימי על ידי צמיגות וכתוצאה מכך מייצר את מה שמכונה הסעה Marangoni.

באופן מדויק, עבור מערכת הנוזלים עם משטח חופשי, הסעה תרמו קפילר והסעה ציפה תמיד מופיעים בו זמנית תחת כבידה נורמלית. באופן כללי, עבור מערכת הקמיסקופיות המקרו, הסעה תרמוקפילר היא השפעה משנית והיא מתעלמת בדרך כלל בהשוואה להסעת ציפה. עם זאת, במצב של מערכת הקמיג’מיות הקטנה או בסביבה המיקרוכבידה, הסעה לציפה תהיה חלשה מאוד, או אפילו תיעלם, והסעה תרמוקפילר תהיה דומיננטית במערכת הזרימה. במשך תקופה ארוכה, המחקר התמקד הסעה בקנה מידה מאקרו הציפה בשל המגבלות של פעילות האדם ושיטות מחקר^2,3,4. עם זאת, בעשורים האחרונים, עם התפתחות מהירה של המדע המודרני וטכנולוגיה כגון אווירונאוטיקה, קולנוע, MEMS, ומדע לא לינארית, הצורך במחקר נוסף על הסעה התרמוקפילר הפך דחוף יותר ויותר.

ללימודים בנושא הידרודינמיקה המיקרוגרוטציה יש משמעות אקדמאית חשובה והזדמנויות ליישום. הרבה מדענים, כימאים פיזיים, ביולוגים ומדעני חומרים התאספו לעבודה בתחום זה. קמיטני ואוסטרץ ‘ השלימו ניסויים על הסעה תרמוקפילר במאגר נוזלי טבעתי תחת תנאים^{2מיקרו-כבידה 2,5,6,7,8} ונצפתה זרימה יציבה, זרימה מנדנוד, ותנאים קריטיים. Schwabe ואח ‘ למד הסעה קליל-התרמוקפילר בתוך בריכה בעלת טבעתי דומה^3,9 ומצא כי זרם הנדנוד הופיע לראשונה כגלי חום, ולאחר מכן פנה לזרימה מורכבת יותר עם העלייה בהפרש הטמפרטורות. בשנת 2002, שוואבה ובנץ ואח ‘ דיווחו על קבוצת ניסויים על הסעה תרמוקפילר במאגר נוזלי טבעתי שנערך על הלווין הרוסי בפולי-^12.,10 התוצאות הנסיוניות שלהם היו. עקביות בתוצאות הניסוי הקרקע כמה מדענים יפניים ביצעו שלוש סדרות של ניסויים על גשר נוזלי הסעה תרמוקפילר, בשם הניסוי marangoni בחלל (מייס), על תחנת החלל הבינלאומית^11,12,13. כמה ציוד ניסיוני, כולל המצלמה, imager תרמי, חיישנים הצמד, ו 3D-PTV ו photochromic הטכנולוגיה, הוחלו בשלוש אלה משימות. התנאים הקריטיים של הסעה התרמוקפילר ביחס גובה-רוחב שונים נקבעו, ומבני זרימה תלת-ממדיים נצפו.

במהלך 30 השנים האחרונות, מדעי המיקרו-כבידה עברה פיתוח פורה בסין^14,15,16, ומספר ניסויים מיקרו כבידה נערכו בחלל^17,18. בתחום של פיזיקה נוזלים, הניסוי המיקרו כבידה הראשון היה המחקר של נוזל שתי שכבות על הלווין SJ-5 ההשבה ב 1999, ואת מבנה הזרימה הושגה על ידי שיטת מעקב חלקיקים¹⁴. בשנת 2004, המחקר על הגירה התרמוקפילר של droplet בוצע על SZ-4, ואת הקשר בין מהירות הגירה ו-Mach מספר קריטי (Ma) התקבל^15,16. בשנת 2005, המחקר הניסיוני על הגירה מרובת בועות תרמוקפילר בוצע על JB-4¹⁷, ואת כללי ההגירה הושגו כמו מספר Ma הוגדלה כדי 8,000. בינתיים, בעיות כמו מיזוג בועה נחקרו גם. בשנת 2006, המחקר על העברת המסה הפצת הדיפוזיה בוצעה על הלווין ההשבה SJ-8, האינטרלומטר של מאך-Zeder הוחל לראשונה בניסוי החלל, תהליך העברת הפצת הדיפוזיה נצפתה, ומקדם הדיפוזיה הוערך¹⁸.

בשנים האחרונות התמקדו בסדרה של מחקרים ניסיוניים ממוקדים בתנודות ובתהליכי היקיונים בתוך הסעה תרמו-קפילר, ובוצעו ביחד השפעה של כוח הציפה והתרמוקפילר. התוצאות הנסיוניות מראות כי לא ניתן להתעלם מאפקט הציפה בניסויים בקרקע, שכן הוא ממלא תפקיד דומיננטי במקרים רבים^19,20,21,22. בשנת 2016, שני ניסויים מיקרוגרביטציה בוצעו כדי לחקור הסעה תרמוקפילר בגשר הנוזלי על TG-2, ו הסעה תרמו קפילר בבריכה הנוזלית טבעתי על לווין ההשבה SJ-10^23,24. העיתון הנוכחי מציג את המטען הניסיוני של הסעה תרמו-קפילר בSJ10, ותוצאות ניסוי החלל. שיטות אלה יהיו מועילות לחקור את מנגנון תנודה התרמוקפיציה.

כדי להתבונן בשינוי הצורה, בתנודות הטמפרטורה ובמשטח הנוזלים הנוזלי, שישה זוגות תרמיים, מצלמה תרמית אינפרא-אדום, וחיישן תזוזה לכמת את התדר, השרעת והכמויות הפיזיות האחרות של התנודות שימשו. באמצעות חקירות על תנודות ומעבר בהחדרה של התרמוקפילר בחלל, מנגנון הסעה התרמונימי בסביבה המיקרוגרוטציה, המספקת הדרכה מדעית לצמיחת חומרים בחלל, יכולה להיות תגלה והובן. יתר על כן, פריצות דרך טכנולוגיים בניסויים בחלל כגון, כגון טכניקות תחזוקה של פני שטח נוזלי והזרקת נוזלים ללא בועות, יהיה לשפר עוד יותר את הפשטות והרמה הטכנית של ניסויים מיקרו-כבידה בנוזל פיזיקה.

מאמר זה מציג את הפיתוח של המטען ואת ניסוי החלל של פרויקט גל המשטח התרמונימי שבוצעו על לווין הניסוי של SJ-10 מדעי. בתור התנסות בחלל, מערכת זו הסעה תרמוקפילר יש יכולת אנטי רטט חזק כדי למנוע הלם אלים, במיוחד במהלך תהליך השיגור לווין. על מנת לעמוד בדרישות של פעולה מרוחקת, תהליך הניסוי בחלל נשלט באופן אוטומטי, ואת הנתונים הניסיוניים שטח ניתן לשדר לתחנת הקליטה אות הקרקע של החללית ולאחר מכן לניסויים של המדענים פלטפורמה.