Термокапиллярный конвекционный космический эксперимент на восстанавливаемом спутнике SJ-10

В условиях микрогравитации в космосе из-за отсутствия гравитации представлено множество интересных физических явлений. В жидкости со свободной поверхностью существует новая система потока (т.е. термокапиллярный поток), которая вызвана градиентом температуры или градиентом концентрации. В отличие от традиционной конвекции на земле, термокапиллярная конвекция является вездесущим явлением в космической среде. Поскольку это очень важный исследовательский предмет в физике микрогравитации жидкости, ряд экспериментов были проведены в космосе, а также на земле. Недавно были проведены космические экспериментальные исследования термокапиллярной конвекции на извлекаемом научном экспериментальном спутнике SJ-10. Полезная нагрузка космического эксперимента состояла из восьми систем, а именно системы жидкого эксперимента, системы хранения и инъекций жидкости, системы контроля температуры, системы измерения термопары, инфракрасной тепловой камеры, датчиков перемещения, системы приобретения CCD-изображений и системы электрического управления, как показано на рисунке 1 (слева). Полезная нагрузка космического эксперимента для исследования поверхностных волн термокапиллярной конвекции показана на рисунке 1 (справа). В этом исследовании основное внимание уделялось нестабильности потока, явлений колебаний и переходов, которые являются важными характеристиками в процессе перехода от ламинарного потока к хаосу. Исследования по этим фундаментальным предметам имеют большое значение для исследований в отношении сильного нелинейного потока.

В отличие от плавучести квекции, обусловленной силой объема, термокапиллярная конвекция является явлением, вызванным поверхностным натяжением в интерфейсе между двумя неизведанными жидкостями. Величина поверхностного натяжения изменяется с некоторыми параметрами скалара, включая температуру, растворимую концентрацию и прочность электрического поля. Когда эти поля масштабирования распределяются неравномерно в интерфейсе, на свободной поверхности будет присутствовать градиент поверхностного натяжения. На свободной поверхности жидкость приводится в движение градиентом поверхностного натяжения, чтобы переместиться от места с меньшим поверхностным натяжением к тому, что с большим поверхностным натяжением. Этот поток был впервые интерпретирован итальянским физиком Карло Марангони. Таким образом, он был назван “эффект Марангони”¹. Поток марангони на свободной поверхности распространяется на внутреннюю жидкость вязкостью и в результате генерирует так называемое конвекцию Марангони.

Строго говоря, для жидкостной системы со свободной поверхностью, термокапиллярная конвекция и конвекция плавучести всегда появляются одновременно под нормальной гравитацией. В целом, для макроскопической конвективной системы, термокапиллярная конвекция является незначительным эффектом и, как правило, игнорируется по сравнению с плавучестью конвекции. Однако, при условии мелкомасштабной конвективной системы или в условиях микрогравитации, конвекция плавучести будет значительно ослаблена, или даже исчезнет, и термокапиллярная конвекция станет доминирующей в системе потока. В течение длительного периода времени, исследования были сосредоточены на макро-масштабе плавучести convection из-за ограничений в человеческой деятельности и методов исследования^2,3,4. Однако в последние десятилетия, с быстрым развитием современной науки и техники, таких как аэрокосмическая промышленность, кино, MEMS и нелинейная наука, необходимость дальнейших исследований термокапиллярной конвекции становится все более актуальной.

Исследования, касающиеся гидродинамики микрогравитации, имеют важное академическое значение и перспективы применения. Многие динамизм, физики химики, биологи и материалисты собрались для работы в этой области. Камотани и Ostrach завершили эксперименты на термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне в условиях микрогравитации^{2,,5,,6,,7,,8} и наблюдали устойчивый поток, колесивой и критические условия. Schwabe et al. изучили плавуче-термокапиллярную конвекцию в аналогичном кольцевом жидком бассейне^3,9 и^{обнаружили,}что колеблющийся поток сначала появился как термокапиллярные волны, а затем превратился в более сложный поток с увеличением разницы температур. В 2002 году «Швабе» и «Бенц» и др. сообщили о группе экспериментов по термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне, проведенных на российском спутнике FOTON-12^4,10. Их космические экспериментальные результаты соответствовали результатам наземных экспериментальных работ. Некоторые японские ученые провели три серии экспериментов на жидком мосту термокапиллярной конвекции, названный Marangoni Эксперимент в космосе (MEIS), на Международной космической станции^11,12,13. В этих трех задачах было применено экспериментальное оборудование, включая камеру, тепловизионный прибор, датчики термопары, 3D-ПтВ и фотохромную технологию. Были определены критические условия термокапиллярной конвекции при различных соотношений сторон и наблюдались трехмерные (3D) структуры потока.

За последние 30 лет, микрогравитация наука претерпела плодовитое развитие в Китае^14,15,16, и ряд микрогравитационных экспериментов были проведены в космосе^17,18. В области физики жидкости первым экспериментом в области микрогравитации стало изучение двухслойной жидкости на извлекаемом спутнике SJ-5 в 1999 году, а структура потока была получена методом отслеживания частиц¹⁴. В 2004 году на СЗ-4 было проведено исследование по термокапиллярной миграции капли, и связь между скоростью миграции и критическим номером Маха (Ма) была получена^15,,16. В 2005 году на JB-4¹⁷было проведено экспериментальное исследование по многопузырьковой термокапиллярной миграции, и миграционные правила были получены по мере увеличения числа ма до 8000. Между тем, такие проблемы, как слияние пузырьков, также были изучены. В 2006 году было проведено исследование по передаче диффузионной массы на извлекаемом спутнике SJ-8, интерферометр Мах-Зендера был впервые применен в космическом эксперименте, наблюдался процесс передачи диффузионной массы, а коэффициент диффузии был оценен^18.

В последние годы был проведен ряд наземных экспериментальных исследований, посвященных процессам колебаний и бифуркации в термокапиллярной конвекции, проанализирован паровой эффект плавучести и термокапиллярной силы. Экспериментальные результаты показывают, что эффект плавучести не может быть проигнорирован в наземных экспериментах, так как он играет доминирующую роль во многих случаях^19,20,,21,22. В 2016 году были проведены два микрогравитационных эксперимента по исследованию термокапиллярной конвекции в жидком мосту на ТГ-2 и термокапиллярной конвекции в кольцевом жидком бассейне на извлекаемом спутнике SJ-10^23,,24. В настоящем документе представлена экспериментальная полезная нагрузка термокапиллярной конвекции на SJ10 и результаты космического эксперимента. Эти методы будут полезны при изучении механизма термокапиллярных колебаний.

Для того, чтобы наблюдать конвективный переход шаблона, колебания температуры и жидко-свободной деформации поверхности, шесть термопар, инфракрасная тепловая камера и датчик смещения для количественной оценки частоты, амплитуды и других физических количеств колебаний были использованы. Благодаря исследованиям по колебаниям и переходу в термокапиллярной конвекции в космосе, механизм термокапиллярной конвекции в микрогравитационной среде, который обеспечивает научное руководство для роста материалов в космосе, может быть обнаружили и поняли. Кроме того, технологические прорывы в таких космических экспериментах, такие как методы обслуживания жидкой поверхности и инъекции жидкости без пузырьков, еще больше укрепят простоту и технический уровень микрогравитационных экспериментов в жидкости Физики.

В настоящем документе представлены разработка полезной нагрузки и космический эксперимент проекта термокапиллярной поверхностной волны, осуществляемый на научно-экспериментальном спутнике SJ-10. В качестве полезной нагрузки космического эксперимента эта термокапиллярная конвекционная система обладает мощной антивибрационной способностью предотвращать сильный шок, особенно в процессе запуска спутника. Для того, чтобы соответствовать требованиям дистанционной эксплуатации, процесс космического эксперимента контролируется автоматически, и космические экспериментальные данные могут быть переданы на станцию приема наземного сигнала космического аппарата, а затем в экспериментальные ученые Платформы.