中国将领先欧空局一步 揭秘空间环境下的蒸发与冷凝(2)

　　蒸发与冷凝相变流体界面具有比一般流体界面更为复杂的流体动力学现象，如自由表面流动更无规律可循，热边界条件不再遵循简单的工程热力学模型，空间微重力环境使得流体界面效应得到相对的放大，并同时剥离了地面重力引起的浮力效应对相变界面流动与传热的主要影响。

　　分析原因主要是空间与地面过程存在明显不同。

　　处于自主飞行段，实验连续3天半。

　　本项目开展的两相热控与实验流体管理技术验证将为我国空间站两相系统科学实验柜的研制提供宝贵的先期关键技术验证和重要的设计依据。

　　本次项目包括哪些内容？

　　这是我国首次空间冷凝与蒸发相变传热科学与热控技术实验研究，也是我国首次在一个空间实验装置中开展2种以上科学与技术实验的多目标流体物理空间实验。

　　空间飞行器（如载人空间站、卫星）中所处的微重力环境，没有自然对流，这将极大影响蒸发与冷凝相变过程，热设备的工作环境也将与我们地球上完全不同。

　　主要是空间实验工质供给、汽/液分离和回收技术验证，和空间热管理与两相回路控制关键技术验证。

　　天舟一号|中国将领先欧空局一步 揭秘空间环境下的蒸发与冷凝

　　它们在太空还可以正常的工作吗？

　　（2）重力对相变流体传热传质过程的影响规律

　　本项组合式相变传热空间实验方案由我国科学家首次提出，并将在我国首艘货运飞船上实施，早于欧空局等相关项目的实施时间。 

　　传统热动力学平衡态模型无法解释蒸发表面温度梯度驱动流动现象，需要引进相变界面非平衡态模型，还需要考虑气体环境对界面能量传输的影响，若气体为该液体的纯蒸汽，存在热毛细对流，若气体为两种或多种气体的混合物，情况更加复杂。

　　在国际上，微重力流体物理的研究计划已经排到了2020年。

　　这个项目包括两个部分，空间蒸发与冷凝科学实验，和两相系统实验平台关键技术研究，负责人是中国科学院力学研究所刘秋生研究员。参与研究的除了中国科学院力学所，还有中山大学、中国科学院空间应用中心和东南大学。

　　Marangoni-Bénard对流是流体物理经典问题之一，已有长达一百多年的丰富研究历史。非牛顿流体层在一定的温度梯度驱动下会发生自然对流，如果流体层上表面是自由表面，且由表面张力引发的对流流动称为Marangoni-Bénard对流或热毛细对流。对于不考虑表面存在蒸发相变液层呈现出规则的六角形Marangoni-Bénard对流涡胞来说（见下面左图），可以用经典理论可以很好的解释；但对于有较强表面蒸发液层（如酒精）内出现的Marangoni-Bénard对流涡胞不再保持规则形式（如下面右图所示），现有理论却不能很好解释具有蒸发效应的液层中对流形式变化的原因。引起上述这一理论与实验现象之间的明显差异，只是因为液层表面的蒸发。

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　那么，地球上的空调和热管等散热器是否可以直接用到太空中？

　　蒸发与冷凝是自然界中普遍存在的现象，其相变传热过程也是物理学长期研究的经典问题。

　　最后，感谢所有科研人员的付出，感谢载人航天工程的项目支持，感谢中科院空间应用系统总体部的工程组织与指导！

　　刚刚发射成功的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

　　处于组合体飞行段，实验2天。

　　制作：中国科学院空间应用工程与技术中心 中国科学院力学研究所 刘秋生团队 中国科普博览

　　实验有两个目的，在科学上，可望能够探究空间蒸发与冷凝相变传热特殊规律；在技术上，可望验证本次实验中采用的空间两相回路热控与实验流体管理等关键实验技术。

　　为什么这个项目能够引起欧空局的注意呢？这个项目究竟要做什么，又有什么意义呢？ 

　　发射后就开始实验吗？

　　本项目将在这两个阶段20多天内进行在轨科学实验，分别在轨开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝三种类型的科学研究、两相流体控制技术验证四个阶段的空间实验，实验时间共计200多小时。

　　第二阶段：

　　现在我们对微（变）重力环境中的相变界面热毛细流动、空间两相流体界面的瑞利-泰勒（R-T）不稳定性、毛细输运稳定性等新问题和新现象的相关理论可以说是认知匮乏，但是，上图中所展示的空间热流体设备和空间在轨流体管理都需要这方面研究的支持。

　　计划开展蒸发液层、蒸发液滴，冷凝实验，和两相回路调试共计45次实验。

　　（1）空间蒸发与冷凝流体界面热质传输特性，

　　中国首艘货运飞船天舟一号刚刚发射成功。

　　要想科学准确的回答上述问题，需要利用空间微重力环境开展空间实验，研究空间相变传热的特殊现象，认识其特殊规律，进而掌握克服空间相变传热不利影响的新方法和新技术，用于研制能很好适用于太空环境中的热设备。

　　处于组合体飞行段，实验10天。

　　相继开展蒸发液层/滴实验，冷凝，和两相回路调试等共计10次实验。

　　相关实验结果将指导我国后续两相热流体科学实验载荷的设计与在轨实验方案的制定。

　　如美国空间局在2010年的“空间模型热管”实验中发现热管换热器明显“发热”。经研究，初步判断是蒸发与冷凝相变过程相比地基上面的有明显的不同。浮力对流缺失使热管内部蒸发与冷凝相变换热减弱，导致热管在空间变热。

　　编者按：

　　（3）空间相变传热强化机制

　　本项目并不是在天舟一号发射后就进行蒸发与冷凝科学实验。

　　开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝实验共计22次实验。

　　项目负责人—中科院力学研究所刘秋生研究员是国际天地两相应用系统（ITT）先进研究联合组织的中方科学成员和联系人，通过开展该项实验研究，将提高我国在微重力流体物理研究领域的国际影响和关注度。

　　所以这项研究对于空间站的建设、宇航员在太空的生活都有着重要意义。