中國天舟一號飛天！一舉動讓歐洲不淡定

剛剛發(fā)射成功的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實施推進劑在軌補加，還要開展一系列空間科學實驗和技術(shù)試驗的任務(wù)。

中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應用系統(tǒng)的總體單位，代表中國科學院抓總負責載人航天空間科學與應用任務(wù)的規(guī)劃、實施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔工程研制的組織管理，系統(tǒng)設(shè)計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術(shù)支持，有效載荷運控管理，數(shù)據(jù)獲取及應用成果的推廣服務(wù)等系統(tǒng)技術(shù)支持、支撐、保障、服務(wù)工作。

在此特別感謝中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心的支持！

中國首艘貨運飛船天舟一號發(fā)射成功！

除了貨運，天舟一號還承擔著不少科學任務(wù)。其中一個項目，已經(jīng)引起了歐空局的注意。

這個項目包括兩個部分，空間蒸發(fā)與冷凝科學實驗，和兩相系統(tǒng)實驗平臺關(guān)鍵技術(shù)研究，負責人是中國科學院力學研究所劉秋生研究員。

參與研究的除了中國科學院力學所，還有中山大學、中國科學院空間應用中心和東南大學。

這是我國首次空間冷凝與蒸發(fā)相變傳熱科學與熱控技術(shù)實驗研究，也是我國首次在一個空間實驗裝置中開展2種以上科學與技術(shù)實驗的多目標流體物理空間實驗。

實驗有兩個目的，在科學上，可望能夠探究空間蒸發(fā)與冷凝相變傳熱特殊規(guī)律；在技術(shù)上，可望驗證本次實驗中采用的空間兩相回路熱控與實驗流體管理等關(guān)鍵實驗技術(shù)。

為什么這個項目能夠引起歐空局的注意呢？這個項目究竟要做什么，又有什么意義呢？

為什么要研究空間的冷凝與蒸發(fā)？

蒸發(fā)與冷凝是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，其相變傳熱過程也是物理學長期研究的經(jīng)典問題。

如水揮發(fā)（蒸發(fā)）與降雨（冷凝）是我們地球人類生存環(huán)境維持的基本保障，這個循環(huán)過程每時每刻都受到重力引起的自然（浮力）對流的極大影響。

在地球上，這樣的蒸發(fā)與對流對我們的生活產(chǎn)生了非常多的影響。例如，空調(diào)、熱管等熱設(shè)備都是利用相變傳熱原理設(shè)計的換熱器。

空間飛行器（如載人空間站、衛(wèi)星）中所處的微重力環(huán)境，沒有自然對流，這將極大影響蒸發(fā)與冷凝相變過程，熱設(shè)備工的作環(huán)境也將與我們地球上完全不同。

那么，地球上的空調(diào)和熱管等散熱器是否可以直接用到太空中？

它們在太空還可以正常的工作嗎？

如果不能照搬地球上的現(xiàn)有熱設(shè)備，那么“太空空調(diào)、太空熱管”等空間熱設(shè)備應該怎樣設(shè)計或怎樣使用？才能更好用或更耐用？

空間在軌流體管理

空間熱流體設(shè)備

現(xiàn)在我們對微（變）重力環(huán)境中的相變界面熱毛細流動、空間兩相流體界面的瑞利-泰勒（R-T）不穩(wěn)定性、毛細輸運穩(wěn)定性等新問題和新現(xiàn)象的相關(guān)理論可以說是認知匱乏，但是，上圖中所展示的空間熱流體設(shè)備和空間在軌流體管理都需要這方面研究的支持。

所以這項研究對于空間站的建設(shè)、宇航員在太空的生活都有著重要意義。

前期歐美的空間實驗已經(jīng)初步發(fā)現(xiàn)，空間微重力環(huán)境中的一些熱設(shè)備工作環(huán)境惡化，導致?lián)Q熱效率明顯降低、使用壽命不如地面預期等技術(shù)問題。

分析原因主要是空間與地面過程存在明顯不同。

那么空間蒸發(fā)與冷凝過程中發(fā)生了什么變化？影響相變傳熱的熱交換系數(shù)有多大改變？是變高了還是低了？如果變低了，是哪些因素造成的？

要想科學準確的回答上述問題，需要利用空間微重力環(huán)境開展空間實驗，研究空間相變傳熱的特殊現(xiàn)象，認識其特殊規(guī)律，進而掌握克服空間相變傳熱不利影響的新方法和新技術(shù)，用于研制能很好適用于太空環(huán)境中的熱設(shè)備。

如美國空間局在2010年的“空間模型熱管”實驗中發(fā)現(xiàn)熱管換熱器明顯“發(fā)熱”。經(jīng)研究，初步判斷是蒸發(fā)與冷凝相變過程相比地基上面的有明顯的不同。浮力對流缺失使熱管內(nèi)部蒸發(fā)與冷凝相變換熱減弱，導致熱管在空間變熱。

在空間研究蒸發(fā)與冷凝相變更有優(yōu)勢

Marangoni-Bénard對流是流體物理經(jīng)典問題之一，已有長達一百多年的豐富研究歷史。非牛頓流體層在一定的溫度梯度驅(qū)動下會發(fā)生自然對流，如果流體層上表面是自由表面，且由表面張力引發(fā)的對流流動稱為Marangoni?Bénard對流或熱毛細對流。

對于不考慮表面存在蒸發(fā)相變液層呈現(xiàn)出規(guī)則的六角形Marangoni-Bénard對流渦胞來說（見下面左圖），可以用經(jīng)典理論可以很好的解釋，但對于有較強表面蒸發(fā)液層（如酒精）內(nèi)出現(xiàn)的Marangoni?Bénard對流渦胞不再保持規(guī)則形式（如下面右圖所示），現(xiàn)有理論卻不能很好解釋具有蒸發(fā)效應的液層中對流形式變化的原因。

引起上述這一理論與實驗現(xiàn)象之間的明顯差異，只是因為液層表面的蒸發(fā)。

不蒸發(fā)液層（左）和有蒸發(fā)液層（右）內(nèi)的M-B對流渦胞

傳統(tǒng)熱動力學平衡態(tài)模型無法解釋蒸發(fā)表面溫度梯度驅(qū)動流動現(xiàn)象，需要引進相變界面非平衡態(tài)模型，還需要考慮氣體環(huán)境對界面能量傳輸?shù)挠绊懀魵怏w為該液體的純蒸汽，存在熱毛細對流，若氣體為兩種或多種氣體的混合物，情況更加復雜。

水蒸汽凝結(jié)在（金屬）固壁上的液體形貌變化：（a）滴狀冷凝; (b) 滴狀和液膜冷凝；光學觀測圖像（下圖）

微重力條件也使得許多因重力而產(chǎn)生的力項得以削弱，對冷凝過程的影響因子相對減少，有利于對冷凝過程機理的深入探究。

蒸發(fā)與冷凝相變流體界面具有比一般流體界面更為復雜的流體動力學現(xiàn)象,如自由表面流動更無規(guī)律可循，熱邊界條件不再遵循簡單的工程熱力學模型，空間微重力環(huán)境使得流體界面效應得到相對的放大，并同時剝離了地面重力引起的浮力效應對相變界面流動與傳熱的主要影響。

因此，我們在空間可以實現(xiàn)對液體變成氣體的蒸發(fā)界面和蒸汽變成液體的冷凝界面熱、質(zhì)交換物理模型的精準驗證和理論分析，給出更普適的相變界面熱動力學理論模型。

本次項目包括哪些內(nèi)容？

本次蒸發(fā)和冷凝空間實驗研究的兩個模型如下圖所示：

蒸發(fā)液層與液滴實驗模型

冷凝實驗模型

本次實驗的內(nèi)容主要包括：

（1）空間蒸發(fā)與冷凝流體界面熱質(zhì)傳輸特性

（2）重力對相變流體傳熱傳質(zhì)過程的影響規(guī)律

（3）空間相變傳熱強化機制

項目除了實驗部分，還會有技術(shù)方面的驗證。

主要是空間實驗工質(zhì)供給、汽/液分離和回收技術(shù)驗證，和空間熱管理與兩相回路控制關(guān)鍵技術(shù)驗證。

中國空間站“兩相系統(tǒng)實驗柜”

本項目開展的兩相熱控與實驗流體管理技術(shù)驗證將為我國空間站兩相系統(tǒng)科學實驗柜的研制提供寶貴的先期關(guān)鍵技術(shù)驗證和重要的設(shè)計依據(jù)。

相關(guān)實驗結(jié)果將指導我國后續(xù)兩相熱流體科學實驗載荷的設(shè)計與在軌實驗方案的制定。

發(fā)射后就開始實驗嗎？

本項目并不是在天舟一號發(fā)射后就進行蒸發(fā)與冷凝科學實驗。

如上圖所示，天舟一號貨運飛船在對接天宮二號后，將處于組合體段，與天宮二號分離后，將進入自主飛行段。

本項目將在這兩個階段20多天內(nèi)進行在軌科學實驗，分別在軌開展蒸發(fā)液層、蒸發(fā)液滴和冷凝三種類型的科學研究、兩相流體控制技術(shù)驗證四個階段的空間實驗，實驗時間共計200多小時。

第一階段：

處于組合體飛行段，實驗2天。

相繼開展蒸發(fā)液層/滴實驗，冷凝，和兩相回路調(diào)試等共計10次實驗。

第二階段：

處于組合體飛行段，實驗10天。

計劃開展蒸發(fā)液層、蒸發(fā)液滴，冷凝實驗，和兩相回路調(diào)試共計45次實驗。

第三階段：

處于自主飛行段，實驗5天。

開展蒸發(fā)液層、蒸發(fā)液滴和冷凝實驗共計22次實驗.

第四階段：

處于自主飛行段，實驗連續(xù)3天半。

相繼開展蒸發(fā)液層、蒸發(fā)液滴、冷凝實驗和兩相回路技術(shù)驗證等共計16次實驗。

這是國內(nèi)首次實現(xiàn)對微重力蒸發(fā)與冷凝過程中多物理量場的實時觀測，可望獲得空間蒸發(fā)和冷凝液膜的時空演變規(guī)律、相變非平衡熱動力學特征等研究方面的新成果；預期能夠驗證多項空間在軌兩相流體管理與熱控等關(guān)鍵技術(shù)，為空間站兩相系統(tǒng)實驗柜的工程研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)；在此領(lǐng)域內(nèi)率先獲得科學研究成果和實驗技術(shù)突破。

為什么這個項目能引起歐空局注意？

在國際上，微重力流體物理的研究計劃已經(jīng)排到了2020年。

空間兩相流體與傳熱是國際空間站的科學研究熱點課題，歐美日等國的空間研究機構(gòu)都有空間實驗計劃和在軌實驗裝置。

本項組合式相變傳熱空間實驗方案由我國科學家首次提出，并將在我國首艘貨運飛船上實施，早于歐空局等相關(guān)項目的實施時間。

（歐空局：很好，你已經(jīng)引起了我的注意）

歐洲科學家已經(jīng)表示希望與我們在該項目上開展科學合作，如與ARLES、CIMEX和SAFIR等ESA的科學結(jié)果進行比較。

項目負責人—中科院力學研究所劉秋生研究員是國際天地兩相應用系統(tǒng)（ITT）先進研究聯(lián)合組織的中方科學成員和聯(lián)系人，通過開展該項實驗研究，將提高我國在微重力流體物理研究領(lǐng)域的國際影響和關(guān)注度。

本項目參研人員與空間應用系統(tǒng)領(lǐng)導合影（海南文昌發(fā)射場）

后排左起：魏廣東、何振輝、李緒志（空間應用系統(tǒng)副總師）、趙光恒（空間應用系統(tǒng)總師）、劉秋生（項目主任設(shè)計師）、曲風（空間應用系統(tǒng)副總調(diào)度）、吳清才（空間應用系統(tǒng)副總質(zhì)量師）、謝騰；

前排左起：王鎮(zhèn)銳、溫世喆、朱志強、晏碩、李振、趙黎平（任務(wù)主任設(shè)計師）、陳曦。

圖13. 本項目組主要參研人員合影（海南文昌發(fā)射場）

左起：溫世喆、劉文軍、王鎮(zhèn)銳、朱志強（副主任設(shè)計師）、劉秋生（項目負責人、主任設(shè)計師）、何振輝（副主任設(shè)計師）、李振、晏碩、謝騰。

最后，感謝所有科研人員的付出，感謝載人航天工程的項目支持，感謝中科院空間應用系統(tǒng)總體部的工程組織與指導！