“天宫二号”空间实验之液桥热毛细对流实验

即将发射的“天宫二号”空间实验室,是一个真正意义上的空间实验室,将开展10余项空间科学与应用项目,是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等多个领域。

中国科学院空间应用工程与技术中心代表中国科学院牵头负责载人航天等重大科技工程空间应用系统方面的任务规划、总体管理和技术集成工作,负责所有科学应用载荷的系统集成、地面测试和在轨运控、成果推广等任务。

关于“天宫二号”的各项高精尖装备,接下来的一段时间里,科学大院将一一为大家介绍。本篇为第二篇——液桥热毛细对流实验项目。

作者:吴笛(中国科学院力学研究所)

说到桥,大家首先想到的应该是交通道路的桥梁结构,比如独木桥、石拱桥、钢筋混凝土桥、斜拉桥等等,这些桥都是质地坚硬的固体结构材料搭建而成。

df45715e8b251a6a928017d29a5d76e0

著名的“赵州桥”

那么你是否见过一种桥是由水或者液体做成的呢?

06b58f659b7721cf9b037f9348ac73b0

答案其实是一定的!——当你在洗手的时候,指间的小液柱就是“液桥”

e0525394f6758a278e800f99c664854c

液体组成的桥——“液桥”

什么是液桥?

液桥其实并不是我们常见的交通运输的桥梁,而是在固体间的小液柱。之所以被称为液桥,是因为“桥”字有连接两地的含义,液桥就是连接着两个固体表面之间的一段液体。所以,可以很负责任地告诉大家,想站在液桥上看风景,那是不可以的。

f8416597700fd6adea14496e95c1027e

液桥如何形成?

气液界面之间存在着表面张力,使得液体表面好比有一层很薄的弹性薄膜一样。正是这样一层“虚拟”的薄膜,使得液桥的表面形貌得以维持,而不会“垮塌”。由于表面张力很弱,所以在正常重力环境下形成的液桥尺寸很小(通常只有几毫米),超过这个尺寸,液桥将无法平衡其重力而垮塌。

0135349bc29246e82320df9c72f049cf

你能把液桥拉多长?

液桥的尺寸虽小,可是却不能小看它的作用哦!我们一定有这样的体会:在沙滩上,如果用手捏一把干燥的细砂,松手还是散沙;但是如果在沙子中掺一点水,就可以捏出各种形状的沙团。

30f089c71f5b425ddd1621e0c2b69e11

干燥的细沙

83edfaeb2044881074bf6dc7fe66f354

掺水的沙团(图片来源见水印)

这是因为干燥的散沙加入水后,水在细微的沙子颗粒之间形成了液桥,使得散沙能聚集起来。我们用写字的毛笔,蘸了墨水后能形成一个笔锋,也是因为在笔毫间形成了液桥。仔细观察,生活中液桥的例子还有很多。

315fd95acaf73b6ad9cb4df5fdc01683

沙粒间“液桥”对沙粒的作用

神秘的空间实验装置

也许你觉得这些生活中的小例子不足为奇,但其实,液桥是“太空微重力流体力学研究”的一个重要课题。

你知道吗?在即将发射的“天宫二号”上,就搭载着这样一个神秘的科学实验装置——“液桥热毛细对流实验箱”

该实验装置由中国科学院力学研究所国家微重力重点实验室负责研制,在天宫二号上专门用来开展液桥热毛细对流实验。

d0e6e89587d8a7f1bf6b1a13aa6c6851

天宫二号上的“液桥热毛细对流实验箱”

这套液桥热毛细对流实验箱重13kg,大小比普通台式电脑还要小。红色电接口完成装置的供电和通信。科学家在地面安排实验动作并上注指令,实验箱收到指令后,内部机构将相互配合完成一系列的实验操作。

那么问题来了:太空中的液桥和地面上的液桥有什么不同的地方呢?

特点1:可以建立大尺寸液桥

在微重力环境下,重力几近消失,物体处于“漂浮”的状态。地面上只能形成的小液滴,到了空间站便可以形成大的液球。这是因为重力消失后,表面张力大显神威。

于是,利用太空的微重力环境,可以建立起很大尺寸的液桥,而这在地面上将是不可能的事情。

6dce959cff97f8c3b50bfa1c66eb6fa3

在太空中拧湿毛巾的效果

目前,国际空间站上已经做出了直径50mm的液桥。想让液桥保持稳定是有前提的,理论上讲,需要保证液桥的高度和直径的比例小于一定值。否则,液桥过于细长,将会发生Raleigh不稳定,即使是在太空还是会“断桥”。

太空中液桥Raleigh不稳定断桥过程

bd496636b1d2880f61e4d3d0a56145a9

这个“断桥”真的不关法海和白娘子的事

特点2:可以产生热毛细流动

当液桥两端的温度不一样的时候,一端热一端冷,在液体表面张力的作用下,会产生热毛细流动。热毛细流动是空间微重力环境下的主要自然对流形式。

表面张力会随着温度变化,温度高的地方表面张力低,温度低的地方表面张力高,表面张力不均匀成为驱动微重力流动的因素。由于表面张力又称毛细力,所以这种表面张力温度效应驱动流动,又称为热毛细流动,或者叫做Marangoni对流。

559e448a2c489d8bd3a3d26ef015c4a2

表面张力驱动的液桥热毛细对流机理

微重力环境下的对流和地面自然对流有很大的不同:在地面上,浮力对流是自然对流的主要形式,流体受热膨胀后,就会往上浮;而流体冷却缩小后,就会下沉,自然对流就形成了。

从开水壶里的流动到大气环流都是浮力对流机制。

产生浮力对流的根本原因是重力作用,所以在空间微重力环境下,浮力对流消失,热毛细流动开始主导自然对流。

正常重力环境下的浮力对流

令科学家头疼的热毛细流动

由于地面浮力效应的掩盖,热毛细效应曾经一度被忽视。科学家们曾经以为,“只要没有重力,对流就会消失”。那么,在太空中将是理想的无对流环境,如果在这种环境中制造高纯度晶体,将会得到高纯度的单晶。

34451d889b543134d8c403f9d62eeef4

晶体生长示意图

f5d30052ce8ccc72ac0de049a9e67f64

生长出的高纯(99.999%)单晶钽

但是,现实永远是残酷的。很多科学家专门在国际空间站和探空火箭上(微重力环境)开展了晶体生长实验。结果呢?与地面类似,还是有条纹缺陷。

477ba8a5e5136baace92e1b5cfd762d2

晶体生长得到的条带缺陷

最后,科学家发现,在微重力环境下,自然对流并没有消失。虽然浮力对流消失了,但是在地面上名不见经传的热毛细对流却起作用了,变成了拦路虎,这大约就是俗话常说的“按了葫芦起了瓢”吧。

更不可思议的是,当温差超过临界条件时,这种热毛细流动还会进入一种振荡流的状态,可以表现为温度的振荡。想想晶体在生长的过程中,忽冷忽热的,不出现条纹才怪。

通过太空和地面的对比实验,人们才知道,即使在地面热毛细流动也会导致这种条带缺陷微观结构。

可以说,热毛细流动震荡就是晶体生长中一个专搞破坏的熊孩子。

2798705820445db2dad10a5d5713a589

至于液桥为什么会出现振荡,目前科学界依然持有两种不同的观点,在此不过多展开。

2f25a352c939e80ca5f2303fb15c31ba

国际空间站液桥实验

研究团队:多年努力,迎来第一次太空实验

我国科学家一直以来期待着能在空间微重力环境进行实验,揭开热毛细对流的神秘面纱。

经过多年努力,“液桥热毛细对流”研究项目终于拿到了一张“天宫二号”的“船票”,这也是我国第一次在微重力条件下开展液桥热毛细对流实验。

该项目的主任设计师、中国科学院力学研究所康琦研究员表示:“为生产出高质量的半导体材料,就要科学控制单晶硅在晶体生长过程中浮力对流和热毛细对流的影响,而太空特有的微重力环境将使科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。”

007a502ecff7344defff115f4310c65a

液桥热毛细对流研究项目主任设计师、

中国科学院力学研究所康琦研究员

为配合此次空间项目的开展,研究人员已经在地面开展许多匹配试验研究。

他们在实验室利用蓝宝石搭建了一套液桥装置,通过粒子图像测速和红外热像仪等先进设备观测和分析液桥流动,得到了大量的地面实验数据。

项目副主任设计师段俐研究员表示,“由于空间实验机会少、成本较高,而且热毛细对流现象与其影响因素之间的关系并不是用简单公式就可以准确描述的,所以需要进行地面实验,为空间实验的顺利进行提供科学合理的参考范围。”

92b9abbf0900ac55e7a849fcab86950d

项目副主任设计师、

中国科学院力学研究段俐研究员

历经3年多的工程研制,热毛细对流箱通过了层层的地面试验的考验。这套装置将搭乘天宫二号飞船冉冉升空,届时科学家可以用天地互动的方式开展一系列的空间实验。161f9956e1ef2d960c20daebe89deeca

期待我们国家自主研发的这套空间科学实验装置带来丰硕的科学成果,让我们窥探神奇的热毛细对流更深层次的奥秘吧。

(本文来源:科学大院)

发表评论

电子邮件地址不会被公开。