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(jìn)劑在軌補(bǔ)加，還要開展一系列空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗的任務(wù)。

中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心是載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)的總體單位，代表中國科學(xué)院抓總負(fù)責(zé)載人航天空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)的規(guī)劃、實施及成果產(chǎn)出與推廣，具體承擔(dān)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(yùn)控管理，數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)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(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心的支持！

中國首艘貨運(yùn)飛船天舟一號發(fā)射成功！

除了貨運(yùn)，天舟一號還承擔(dān)著不少科學(xué)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(xué)實驗，和兩相系統(tǒng)實驗平臺關(guān)鍵技術(shù)研究，負(fù)責(zé)人是中國科學(xué)院力學(xué)研究所劉秋生研究員。

參與研究的除了中國科學(xué)院力學(xué)所，還有中山大學(xué)、中國科學(xué)院空間應(yīng)用中心和東南大學(xué)。

這是我國首次空間冷凝與蒸發(fā)相變傳熱科學(xué)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(xué)與技術(shù)實驗的多目標(biāo)流體物理空間實驗。

實驗有兩個目的，在科學(xué)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(xué)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(yīng)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(xì)流動、空間兩相流體界面的瑞利-泰勒（R-T）不穩(wěn)定性、毛細(xì)輸運(yùn)穩(wěn)定性等新問題和新現(xiàn)象的相關(guān)理論可以說是認(rèn)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(dǎo)致?lián)Q熱效率明顯降低、使用壽命不如地面預(yù)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(xué)準(zhǔn)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(rèn)識其特殊規(guī)律，進(jìn)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(dǎo)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(dá)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(xì)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(qiáng)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(yīng)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(xué)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(jìn)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(xì)對流，若氣體為兩種或多種氣體的混合物，情況更加復(fù)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(xué)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(jī)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(fù)雜的流體動力學(xué)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(xué)模型，空間微重力環(huán)境使得流體界面效應(yīng)得到相對的放大，并同時剝離了地面重力引起的浮力效應(yīng)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(zhǔn)驗證和理論分析，給出更普適的相變界面熱動力學(xué)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?zāi)Ｐ?/p>

冷凝實驗?zāi)Ｐ?/p>

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(qiáng)化機(jī)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(xué)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(dǎo)我國后續(xù)兩相熱流體科學(xué)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(jìn)行蒸發(fā)與冷凝科學(xué)實驗。

如上圖所示，天舟一號貨運(yùn)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(jìn)入自主飛行段。

本項目將在這兩個階段20多天內(nèi)進(jìn)行在軌科學(xué)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(xué)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(xué)特征等研究方面的新成果；預(yù)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(xué)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(xué)研究熱點課題，歐美日等國的空間研究機(jī)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(xué)家首次提出，并將在我國首艘貨運(yùn)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(xué)家已經(jīng)表示希望與我們在該項目上開展科學(xué)合作，如與ARLES、CIMEX和SAFIR等ESA的科學(xué)結(jié)果進(jìn)行比較。

項目負(fù)責(zé)人—中科院力學(xué)研究所劉秋生研究員是國際天地兩相應(yīng)用系統(tǒng)（ITT）先進(jìn)研究聯(lián)合組織的中方科學(xué)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(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)用系統(tǒng)副總師）、趙光恒（空間應(yīng)用系統(tǒng)總師）、劉秋生（項目主任設(shè)計師）、曲風(fēng)（空間應(yīng)用系統(tǒng)副總調(diào)度）、吳清才（空間應(yīng)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(qiáng)、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(qiáng)（副主任設(shè)計師）、劉秋生（項目負(fù)責(zé)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(yīng)用系統(tǒng)總體部的工程組織與指導(dǎo)！