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失重液体无法自流?神二十三启动关键实验,扫清深空航行散热障碍 用水模拟行星岩浆?中国空间站多项流体实验,藏载人航天关键技术

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如果你在地球上向着地面泼一杯水,水会“啪”的一声拍散在地面上,水也会四溅而来。这个过程中,全程都有地球重力在发生作用。对此,我们都已经习以为常了。因为对于我们平常人来说,上太空,那不是我们能做到的事。

但你想没想过,如果在太空,同样泼一杯水,水却并不下落。而是变成了一团漂浮着的,晃晃悠悠的“水球”,这时候的水,像极了一颗透明小星球,半悬在半空。这个画面虽然好看的很,但也给载人工程的专家以及工程师们带来了不少麻烦。因为在微重力的环境下,液体不按地面的规则出牌了。很多依赖重力才能正常开展工作的设备,到太空后直接就抓瞎了。



这里值得一提的,就是航天器的散热系统。一般咱们平时用的电脑或者手机发热,风扇一吹热量就散了。但在太空不行,真空的环境没有空气,更没有空气中的对流,想要散热,就只能靠蒸发和冷凝这个流程来带走热量。

本来在地面上的蒸发冷凝,只靠重力就能让液体和蒸汽自然分离,但到了太空中,液体和蒸汽混在一块分不开了,甚至还可能造成设备过热。这可咋办?

神舟二十三号航天员们,最近就正在梦天实验舱里,开展一系列的微重力流体实验。说直白点,就是在太空中“玩液体”,研究在失重环境下,它们怎么流动,怎么蒸发,怎么沸腾,之后又怎么能把观察到的变化用在未来的航天器设计上。

在梦天实验舱里,有两个实验柜,分别是流体物理实验柜和两相系统实验柜。



流体物理实验柜是研究液体在失重环境下的流动、变形,起泡变化,界面演化的。这些事在地面上没有条件去研究,因为重力的存在,会掩盖掉原本液体的本身行动。比如你想观察起泡在液体中的上升,但地面上受福利影响,起泡就直直的往上跑。但在太空,没有了浮力,起泡就直接趴窝,悬在那不动。或者还有一种情况,就是被表面的张力拽着四处乱跑。这其实才是液体运动最原始的样子。



神舟二十三号航天员,最近就在这个实验柜上完成了流体实验样品的更换,实验回路的调试等等。最值得一提的就是球形对流实验和软物质流体实验。这俩实验前者是用来模拟行星内部岩浆运动的,后者是用来研究牙膏、凝胶这种软材料在太空中表现的。

两相系统实验柜就更加偏向工程应用了,它研究的是液体和蒸汽混合在一起的流动状态。要知道航天器的热管理,都是靠蒸发和冷凝来实现散热的目的的,本质上来说,其实就是两相流的问题。



这次神舟二十三号重点的上新载荷“多场效应蒸发模块”,就在两相系统实验柜中。神舟二十三号航天员已经完成了它的在轨安装,接下来,就是启动实验了。

蒸发模块要干啥?圈叔重点聊聊这个多场效应蒸发模块到底是做啥的?因为它是本轮任务中最受关注的流体实验载荷之一。这么说吧,它是来解决太空“散热难”硬骨头的。

前面说了,太空微重力环境下,液体和蒸汽分不开,散热系统效率大打折扣。那怎么解决呢?科学家的思路是:既然重力帮不上忙,那我们就用电场、温度场等其他物理场来帮忙。

这个蒸发模块就是干这个的。它会在微重力环境下引入电场和温度场等多物理场协同作用,研究液体蒸发过程怎么被调控、气液界面怎么演化、传热效率怎么变化。



搞清楚多物理场是怎么影响微重力下蒸发过程的,找到能强化太空散热效率的技术方案。获取长期在轨的相变传热基础数据,这些数据会直接支撑新一代载人登月飞船、月球科研站、大型航天器的热控制系统设计。探索无源流体分离技术,让未来的深空飞行器散热设备更简单、更可靠,不需要复杂的活动部件。

说白了,这个实验的结果,可能会决定未来登月飞船的空调系统怎么设计。



那个金黄色格栅外壳,就是流体物理实验柜的实验观测腔体,航天员正在拆装标准化实验插件单元。这个腔体内部配备了高速相机和高精度光源,能够实时拍摄微重力下液体的形变、气泡的生长、流体对流的全过程。所有影像数据实时下传到地面,供科学家分析。

神舟二十三号的一个重点任务,就是更换球形BM对流实验单元等载荷。这个实验观测的是微重力下的流体自然对流现象,用来类比行星内部的岩浆运动和地幔流体运动规律,听起来是不是有点“用一杯水模拟一颗行星”的感觉?这就是基础科学的魅力所在。

细心的朋友可能注意到,航天员操作的是一块块标准化的盒子。这其实是空间站所有实验柜统一设计思路:模块化。不管是什么类型的实验,都封装在标准尺寸的插件里。航天员不需要改动实验柜的主体结构,只需要像换相机镜头一样,把旧的插件抽出来、新的插件插进去,就能轮换开展不同类型的实验。操作简单、效率高,大大提升了空间站的实验利用率。



最后补充一个知识点,中国空间站的两个实验舱,分工是明确的:

问天实验舱主打空间生命科学,太空水稻、植物培养箱、小型动物饲养这些和生物相关的实验,都在问天舱里开展。梦天实验舱主打微重力物理,流体、燃烧、材料科学这些物理和工程类的实验,都在梦天舱里进行。所以这次聊的流体物理实验柜、两相系统实验柜,全部都在梦天舱。

神舟二十三号的航天员们在两个舱段之间穿梭,既要照看水稻,又要给液体拍照,工作日程排得满满当当。

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