Esperimento spazio convezione termocapillare sul satellite recuperabile SJ-10

In condizioni di microgravità nello spazio, molti fenomeni fisici interessanti sono presentati a causa dell’assenza di gravità. In un liquido con una superficie libera, esiste un nuovo sistema di flusso (cioè il flusso termocapillare) che è causato dal gradiente di temperatura o dal gradiente di concentrazione. A differenza della convezione tradizionale sul terreno, la convezione termocapillare è un fenomeno onnipresente negli ambienti spaziali. Poiché si tratta di un argomento di ricerca molto importante nella fisica dei fluidi di microgravità, sono stati condotti una serie di esperimenti nello spazio e a terra. Recentemente, sono stati effettuati studi sperimentali spaziali sulla convezione termocapillare sul satellite esperimento scientifico recuperabile SJ-10. Il carico utile dell’esperimento spaziale consisteva in otto sistemi, vale a dire un sistema di esperimenti sui fluidi, un sistema di archiviazione e iniezione di liquidi, un sistema di controllo della temperatura, un sistema di misurazione della termocoppia, una termocamera a infrarossi, sensori di spostamento, un sistema di acquisizione di immagini CCD e un sistema di controllo elettrico, come illustrato nella Figura 1 (a sinistra). Il payload dell’esperimento spaziale per la ricerca sulle onde superficiali della convezione termocapillare è illustrato nella Figura 1 (a destra). Questo studio si è concentrato sull’instabilità del flusso, dei fenomeni di oscillazione e delle transizioni, che sono caratteristiche importanti nel processo di transizione dal flusso laminare al caos. Gli studi su questi argomenti fondamentali hanno un grande significato per la ricerca relativa al forte flusso non lineare.

A differenza della convezione di galleggiamento guidata dalla forza del volume, la convezione termocapillare è un fenomeno causato dalla tensione superficiale all’interno dell’interfaccia tra due fluidi immiscibili. La grandezza della tensione superficiale cambia con alcuni parametri scalari, tra cui la temperatura, la concentrazione soluta e la forza del campo elettrico. Quando questi campi scalari si distribuiscono in modo non uniforme nell’interfaccia, sulla superficie libera sarà presente un gradiente di tensione superficiale. Il fluido sulla superficie libera è guidato dal gradiente di tensione superficiale per passare dalla posizione con minore tensione superficiale a quella con maggiore tensione superficiale. Questo flusso è stato interpretato per la prima volta da un fisico italiano, Carlo Marangoni. Quindi, è stato chiamato il “effetto Marangoni”¹. Il flusso di Marangoni sulla superficie libera si estende al liquido interno per viscosità e di conseguenza genera ciò che è noto come convezione Marangoni.

A rigor di continuità, per il sistema fluido con una superficie libera, la convezione termocapillare e la convezione di galleggiamento appaiono sempre contemporaneamente sotto la gravità normale. In generale, per un sistema convettivo macroscopico, la convezione termocapillare è un effetto minore e di solito viene ignorata rispetto alla convezione di galleggiamento. Tuttavia, sotto la condizione di un sistema convettivo su piccola scala o nell’ambiente di microgravità, la convezione di galleggiamento sarà notevolmente indebolita, o addirittura scomparirà, e la convezione termocano diventerà dominante nel sistema di flusso. Per un lungo periodo di tempo, la ricerca si è concentrata sulla convezione di galleggiamento su macroscala a causa dei limiti nelle attività umane e nei metodi di ricerca^2,3,4. Tuttavia, negli ultimi decenni, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne come l’aerospaziale, il cinema, il MEMS e la scienza non lineare, la necessità di ulteriori ricerche sulla convezione termocania è diventata sempre più urgente.

Gli studi sull’idrodinamica a microgravità hanno un importante significato accademico e prospettive di applicazione. Molti dinamici, chimici fisici, biologi e materiali che gli scienziati si sono riuniti per lavorare in questo campo. Kamotani e Ostrach hanno completato esperimenti sulla convezione termocapillare in una pozza liquida anulare in condizioni di microgravità^2,5,6,7,e osservato flusso costante, flusso oscillatorio, e condizioni critiche. Schwabe et al. ha studiato la convezione galleggiante-termocapillare in una piscina liquida anulare simile^3,9 e ha scoperto che il flusso oscillatorio è apparso prima come onde termomontane, e poi si è rivolto a un flusso più complesso con l’aumento della differenza di temperatura. Nel 2002, Schwabe e Benz et al. hanno segnalato un gruppo di esperimenti sulla convezione termocapillare in una piscina liquida anulare effettuata sul satellite russo FOTON-12^4,10. I risultati sperimentali spaziali sono stati coerenti con i risultati sperimentali a terra. Alcuni scienziati giapponesi hanno effettuato tre serie di esperimenti sul convezione termocapillare a ponte liquido, chiamata Marangoni Experiment in Space (MEIS), sulla Stazione Spaziale Internazionale^11,12,13. Alcune apparecchiature sperimentali, tra cui la fotocamera, l’imager termico, i sensori termocoppia e la tecnologia 3D-PTV e fotocromatica, sono state applicate in questi tre compiti. Sono state determinate le condizioni critiche della convezione termocapillare a diversi rapporti di aspetto e sono state osservate strutture di flusso tridimensionali (3D).

Negli ultimi 30 anni, la scienza della microgravità ha subito uno sviluppo prolifico in Cina^14,15,16, e una serie di esperimenti di microgravità sono stati condotti nello spazio^17,18. Nel campo della fisica dei fluidi, il primo esperimento di microgravità è stato lo studio del fluido a due strati sul satellite recuperabile SJ-5 nel 1999, e la struttura del flusso è stata ottenuta dal metodo di tracciamento delle particelle¹⁴. Nel 2004, lo studio sulla migrazione termocapillare di una goccia è stato effettuato sulla S z-4, e il rapporto tra la velocità della migrazione e il numero critico Dich (Ma) è stato ottenuto^15,16. Nel 2005, lo studio sperimentale sulla migrazione termocapillare multi-bolla è stato effettuato sul JB-4¹⁷, e le regole di migrazione sono state ottenute come il numero di Ma è stato aumentato a 8.000. Nel frattempo, sono stati studiati anche problemi come la fusione delle bolle. Nel 2006, lo studio sul trasferimento di massa di diffusione è stato effettuato sul satellite recuperabile SJ-8, l’interferometro Mach-Ehnder è stato applicato per la prima volta nell’esperimento spaziale, è stato osservato il processo di trasferimento di massa di diffusione e il coefficiente di diffusione è stato valutato¹⁸.

Negli ultimi anni, sono stati effettuati una serie di studi sperimentali a terra incentrati sui processi di oscillazione e biforcazione nella convezione termocapillare, ed è stato analizzato l’effetto accoppiato della galleggiabilità e della forza termocana. I risultati sperimentali mostrano che l’effetto di galleggiamento non può essere ignorato negli esperimenti a terra, in quanto svolge un ruolo dominante in molti casi^19,20,21^,22.²² Nel 2016, sono stati condotti due esperimenti di microgravità per la ricerca di convezione termocapillare nel ponte liquido sul TG-2 e convezione termocapillare nella piscina liquida anulare sul satellite recuperabile SJ-10^23,24. Il presente documento introduce il carico utile sperimentale della convezione termocapillare sulla SJ10 e i risultati dell’esperimento spaziale. Questi metodi saranno utili per esplorare il meccanismo di oscillazione termocapillare.

Per osservare la transizione del modello convettivo, l’oscillazione della temperatura e la deformazione della superficie priva di liquidi, sei termocoppie, una termocamera a infrarossi e un sensore di spostamento per quantificare la frequenza, l’ampiezza e altre quantità fisiche dell’oscillazione sono stati utilizzati. Attraverso indagini sull’oscillazione e la transizione nella convezione termocapillare nello spazio, il meccanismo di convezione termocapillare nell’ambiente microgravità, che fornisce indicazioni scientifiche per la crescita dei materiali nello spazio, può essere scoperto e compreso. Inoltre, le innovazioni tecnologiche in tali esperimenti spaziali, come le tecniche di manutenzione della superficie liquida e l’iniezione liquida senza bolle, miglioreranno ulteriormente la semplicità e il livello tecnico degli esperimenti di microgravità nei fluidi Fisica.

Questo documento introduce lo sviluppo del carico utile e l’esperimento spaziale del progetto termocapillare sulle onde superficiali effettuato sul satellite sperimentale scientifico SJ-10. Come carico utile per esperimenti spaziali, questo sistema di convezione termocapillare ha una forte capacità anti-vibrazione per prevenire urti violenti, soprattutto durante il processo di lancio del satellite. Al fine di soddisfare i requisiti del funzionamento a distanza, il processo di esperimento spaziale viene controllato automaticamente e i dati sperimentali spaziali possono essere trasmessi alla stazione di ricezione del segnale di terra della navicella spaziale e quindi agli scienziati sperimentali Piattaforma.