Experimento espacial de convección termocapilar en el satélite recuperable SJ-10

En condiciones de microgravedad en el espacio, muchos fenómenos físicos interesantes se presentan debido a la ausencia de gravedad. En un líquido con una superficie libre, existe un nuevo sistema de flujo (es decir, flujo termocapilar) que es causado por el gradiente de temperatura o gradiente de concentración. A diferencia de la convección tradicional en el suelo, la convección termocapilar es un fenómeno omnipresente en entornos espaciales. Como es un tema de investigación muy importante en la física de fluidos de microgravedad, se han llevado a cabo una serie de experimentos tanto en el espacio como en el suelo. Recientemente, se realizaron estudios experimentales espaciales sobre la convección termocapilar en el satélite de experimento científico recuperable SJ-10. La carga útil del experimento espacial consistió en ocho sistemas, a saber, un sistema de experimento de fluidos, sistema de almacenamiento e inyección de líquidos, sistema de control de temperatura, sistema de medición de termopar, cámara térmica infrarroja, sensores de desplazamiento, sistema de adquisición de imágenes CCD y sistema de control eléctrico, como se muestra en la Figura 1 (izquierda). La carga útil del experimento espacial para la investigación en ondas superficiales de convección termocapilar se muestra en la Figura 1 (derecha). Este estudio se centró en la inestabilidad del flujo, los fenómenos de oscilación y las transiciones, que son características importantes en el proceso de transición del flujo laminar al caos. Los estudios sobre estos temas fundamentales tienen un gran significado para la investigación sobre un flujo no lineal fuerte.

A diferencia de la convección de flotabilidad impulsada por la fuerza de volumen, la convección termocapilar es un fenómeno causado por la tensión superficial dentro de la interfaz entre dos fluidos inmiscibles. La magnitud de la tensión superficial cambia con algunos parámetros escalares, como la temperatura, la concentración de soluto y la fuerza del campo eléctrico. Cuando estos campos escalares se distribuyen de manera desigual en la interfaz, habrá un gradiente de tensión superficial presente en la superficie libre. El fluido en la superficie libre es impulsado por el gradiente de tensión superficial para moverse desde el lugar con menor tensión superficial a la que tiene mayor tensión superficial. Este flujo fue interpretado por primera vez por un físico italiano, Carlo Marangoni. Por lo tanto, fue nombrado el “efecto Marangoni”¹. El flujo de Marangoni en la superficie libre se extiende al líquido interno por viscosidad y como resultado genera lo que se conoce como convección de Marangoni.

Estrictamente hablando, para el sistema de fluidos con una superficie libre, la convección termocapilar y la convección de flotabilidad siempre aparecen simultáneamente bajo gravedad normal. En general, para un sistema convectivo macroscópico, la convección termocapilar es un efecto menor y generalmente se ignora en comparación con la convección de flotabilidad. Sin embargo, bajo la condición de un sistema convectivo a pequeña escala o en el entorno de microgravedad, la convección de flotabilidad se debilitará en gran medida, o incluso desaparecerá, y la convección termocapilar se volverá dominante en el sistema de flujo. Durante un largo período de tiempo, la investigación se ha centrado en la convección de flotabilidad a escala macro-escala debido a las limitaciones en las actividades humanas y métodos de investigación^2,3,4. Sin embargo, en las últimas décadas, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas como la aeroespacial, el cine, el MEMS y la ciencia no lineal, la necesidad de seguir investigando sobre la convección termocapilar se ha vuelto cada vez más urgente.

Los estudios sobre la microdinámica de la gravedad tienen un importante significado académico y perspectivas de aplicación. Muchos dinámicaistas, químicos físicos, biólogos y científicos de materiales se han reunido para trabajar en este campo. Kamotani y Ostrach completaron experimentos sobre convección termocapilar en una piscina líquida anular en condiciones de microgravedad^2,5,6,7,8 y observaron flujo constante, flujo oscilatorio y condiciones críticas. Estudió la convección boyante-termocapilar en una piscina líquida anular similar^3,9 y encontraron que el flujo oscilatorio apareció primero como ondas termocapilares, y luego se convirtió en un flujo más complejo con el aumento de la diferencia de temperatura. En 2002, Schwabe y Benz et al. informaron de un grupo de experimentos sobre la convección termocapilar en una piscina líquida anular llevada a cabo en el satélite ruso FOTON-12^4,10. Sus resultados experimentales espaciales fueron consistentes con los resultados experimentales del suelo. Algunos científicos japoneses llevaron a cabo tres series de experimentos sobre la convección termocapilar de puentes líquidos, llamado S.O. Marangoni Experiment in Space (MEIS), en la Estación Espacial Internacional^11,,12,,13. Algunos equipos experimentales, incluyendo la cámara, la cámara termográfica, los sensores de termopar y la tecnología 3D-PTV y fotocromática, se aplicaron en estas tres tareas. Se determinaron las condiciones críticas de la convección termorcapilar en diferentes relaciones de aspecto, y se observaron estructuras de flujo tridimensionales (3D).

En los últimos 30 años, la ciencia de la microgravedad ha experimentado un desarrollo prolífico en China^14,,15,,16,y una serie de experimentos de microgravedad se han llevado a cabo en el espacio^17,,18. En el campo de la física de fluidos, el primer experimento de microgravedad fue el estudio de fluido de dos capas en el satélite recuperable SJ-5 en 1999, y la estructura de flujo se obtuvo mediante el método de rastreo de partículas¹⁴. En 2004, el estudio sobre la migración termocapilar de una gota se llevó a cabo en la SZ-4, y la relación entre la velocidad de migración y el número crítico Mach (Ma) se obtuvo^15,16. En 2005, el estudio experimental sobre la migración termocapilar multiburbuja se llevó a cabo en el JB-4^17,y las reglas de migración se obtuvieron a medida que el número Ma se incrementó a 8.000. Mientras tanto, también se estudiaron problemas como la fusión de burbujas. En 2006, el estudio sobre la transferencia de masa de difusión se llevó a cabo en el satélite recuperable SJ-8, el interferómetro Mach-Zehnder se aplicó por primera vez en el experimento espacial, se observó el proceso de transferencia de masa de difusión y se evaluó el coeficiente de difusión^18.

En los últimos años, se han llevado a cabo una serie de estudios experimentales en tierra centrados en procesos de oscilación y bifurcación en convección termocapilar, y se ha analizado el efecto acoplado de flotabilidad y fuerza termocapilar. Los resultados experimentales muestran que el efecto de flotabilidad no puede ser ignorado en los experimentos terrestres, ya que desempeña un papel dominante en muchos casos^{19,,20,,21,22}. En 2016, se llevaron a cabo dos experimentos de microgravedad para investigar la convección termocapilar en el puente líquido en el TG-2, y la convección termocapilar en la piscina líquida anular del satélite recuperable SJ-10^23,24. El presente documento presenta la carga útil experimental de la convección termocapilar en el SJ10, y los resultados del experimento espacial. Estos métodos serán útiles para explorar el mecanismo de oscilación termocapilar.

Con el fin de observar la transición del patrón convectivo, la oscilación de la temperatura y la deformación de la superficie libre de líquidos, seis termopares, una cámara térmica infrarroja y un sensor de desplazamiento para cuantificar la frecuencia, amplitud y otras cantidades físicas de la oscilación se utilizaron. A través de investigaciones sobre oscilación y transición en la convección termocapilar en el espacio, el mecanismo de convección termocapilar en el entorno de microgravedad, que proporciona orientación científica para el crecimiento de materiales en el espacio, puede ser descubierto y entendido. Además, los avances tecnológicos en estos experimentos espaciales, como las técnicas de mantenimiento de superficies líquidas y la inyección de líquidos sin burbujas, mejorarán aún más la simplicidad y el nivel técnico de los experimentos de microgravedad en fluidos Física.

Este documento presenta el desarrollo de la carga útil y el experimento espacial del proyecto de ondas superficiales termocapilares llevado a cabo en el satélite experimental científico SJ-10. Como carga útil de experimento espacial, este sistema de convección termocapilar tiene una fuerte capacidad antivibración para prevenir choques violentos, especialmente durante el proceso de lanzamiento del satélite. Con el fin de cumplir con los requisitos de la operación remota, el proceso del experimento espacial se controla automáticamente, y los datos experimentales espaciales se pueden transmitir a la Estación receptora de señal estupida de la nave espacial y luego a la experimental de los científicos Plataforma.