[科普中國]-天宮二號要上天！空間實驗提前看

2016年注定是不平凡的一年，不僅因為這一年是我國十三五計劃的開局之年，更是因為今年也即將成為我國空間科學發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。之所以這么說，是因為我國將于9月中旬發(fā)射天宮二號空間實驗室，打造中國第一個真正意義上的空間實驗室，為我國空間站的建立奠定基礎。
作為“天宮一號”的“繼承者”，天宮二號即將進行的各類實驗達到了史無前例的14項，堪稱中國航天史上“最忙碌”的空間實驗室。那么即將“上崗”的天宮二號都搭載了哪些讓人不明覺厲的科學實驗項目？科學家“上天入地”不辭勞苦探索的科學問題究竟有怎樣的價值？針對其中的“熱毛細對流空間實驗項目”，我們請到了天宮二號該項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員，來為我們揭秘天宮二號上不可思議的科學實驗。

圖1 天宮二號熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員

奇特的熱毛細對流現(xiàn)象
在空間環(huán)境完全失重的特殊條件下，由表面張力驅(qū)動的熱毛細流動成為主要的自然對流形式，它也是影響空間流體熱、質(zhì)輸運過程的主要因素。那么，熱毛細現(xiàn)象是一種怎樣奇妙的物理過程呢？段俐研究員解釋說，熱毛細對流，是一種與流體表面或者界面相關的熱對流現(xiàn)象。眾所周知，在流體的交界面上存在著分子與分子之間的相互作用力也就是表面張力，而隨著溫度的變化，表面張力的大小也會發(fā)生相應的變化。所以，當流體交界面上的溫度分布不均勻時，就會造成在不同的位置表面張力的大小不同，從而形成驅(qū)動流體流動的現(xiàn)象，這就是熱毛細對流。
此外，熱毛細對流現(xiàn)象在實際工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應用，特別是高質(zhì)量晶體生長過程。然而，時至今日科學家對熱毛細流動的認知仍然十分有限。因此，開展熱毛細對流的研究有助于人類更好地進行空間探索和應用。
精妙的“液橋”實驗裝置
液橋作為一種典型的熱毛細流動體系，也是晶體生長重要的方法-浮區(qū)法的模型，也是此次天宮二號熱毛細對流空間實驗項目的主要實驗裝置。

圖2 液橋?qū)嶒炑b置示意圖

圖2是液橋模型的簡要示意，液體位于上下兩個碟片之間，分別對上下兩個碟片進行不同溫度加熱形成溫度差，從而在液體表面形成熱毛細對流。段俐介紹說，該實驗設備可通過控制完成注液、拉橋、清橋、溫度控制、溫度和圖像采集及打包傳輸?shù)炔僮?。其中，實驗用的流體介質(zhì)-硅油被儲存在液缸內(nèi)，空間實驗時，通過高精度PI電機牽引實現(xiàn)注液、拉橋，最后完成建橋這一過程，液橋的高徑比和體積比參數(shù)由拉橋和注液電機控制實現(xiàn)。同時，段俐特別介紹說，這個設備里設計安裝了清橋系統(tǒng)，一旦在太空實驗過程中出現(xiàn)斷橋現(xiàn)象，可以通過電機驅(qū)動清橋系統(tǒng)擦洗橋柱實現(xiàn)再建橋過程，這也是此次項目實驗裝置的重要特色之一。
段俐表示，整個實驗過程，將被位于液橋一左一右一近景一遠景的兩個CCD圖像傳感器進行圖像的采集，觀測液橋的形貌，判斷液橋體積變化和斷橋與否?？臻g實驗過程中，科學家將通過控制軟件同時完成數(shù)據(jù)下傳和指令上傳的雙向傳輸，不僅可以通過提前輸入程序來進行實驗，也可以根據(jù)實驗實際需求注入指令進行科學操作，從而實現(xiàn)天地互動。
必不可少的地面實驗
除了隨天宮二號“上天”的實驗裝置，在地面還預先設置了相同的實驗裝置，那么設置地面實驗的必要原因又是什么呢？段俐研究員解釋說，鑒于空間實驗機會少且費用極高，而且熱毛細對流現(xiàn)象與其影響因素之間的關系并不是用簡單公式就可以準確描述的，這就需要地面實驗為空間實驗的順利進行提供科學合理的參考范圍，為空間實驗的順利進行奠定基礎。
在地面環(huán)境中，科學家們搭建了大尺寸液橋?qū)Ρ葘嶒炂脚_，采用和空間實驗一樣的多路溫度采集裝置。此外，為了更加全面的觀測液橋的流動機制，針對實驗需求，加工了藍寶石和紅外橋柱，分別采用粒子圖像測速技術和紅外熱像儀觀測液橋流動的速度場和溫度場。通過地面實驗，科學家們積累了大量實驗數(shù)據(jù)，為空間實驗的順利開展“預熱”：首先，在地面大尺寸液橋?qū)嶒炇状悟炞C了胡文瑞院士提出的體積比效應，測定了晶體幾何參數(shù)對于臨界條件的影響；第二，測定液橋界面溫度場，得到對流模式轉(zhuǎn)換：得到了較完整的流場模式轉(zhuǎn)換過程；第三，觀測液橋速度場，得到流場結(jié)構(gòu)和兩次轉(zhuǎn)捩；第四，分析和研究流體流動體系失穩(wěn)和分岔轉(zhuǎn)捩過程及其振蕩行為。這些精準的數(shù)據(jù)都將成為天宮二號空間實驗過程中的重要支撐。

圖3 天宮二號熱毛細對流空間實驗項目部分實驗裝置

“功成身退”的天宮一號值得紀念，今夏接力“上崗”的天宮二號空間實驗室則將開創(chuàng)更多的“第一次”，在此基礎上，中國將在2020年前后建成永久性空間站，并在2022年全面運行。回想當年國際空間站項目將中國拒之門外，如今中國卻表示：“我們歡迎國際合作?！?隨著科技實力的不斷增強，中國正在實現(xiàn)由航天“大”國到航天“強”國的華麗轉(zhuǎn)身。