據(jù)中國科普博覽9月8日報道，作為“天宮一號”的“繼承者”，天宮二號即將進(jìn)行的各類實(shí)驗(yàn)達(dá)到了史無前例的14項(xiàng)，堪稱中國航天史上“最忙碌”的空間實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?科學(xué)家“上天入地”不辭勞苦探索的科學(xué)問題究竟有怎樣的價值?

天宮二號該項(xiàng)目副主任設(shè)計師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所段俐研究員

奇特的熱毛細(xì)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(xì)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(yùn)過程的主要因素。那么，熱毛細(xì)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(xì)對流，是一種與流體表面或者界面相關(guān)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(yīng)的變化。所以，當(dāng)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(xì)對流。

此外，熱毛細(xì)對流現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是高質(zhì)量晶體生長過程。然而，時至今日科學(xué)家對熱毛細(xì)流動的認(rèn)知仍然十分有限。因此，開展熱毛細(xì)對流的研究有助于人類更好地進(jìn)行空間探索和應(yīng)用。

精妙的“液橋”實(shí)驗(yàn)裝置

液橋作為一種典型的熱毛細(xì)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(xì)對流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要實(shí)驗(yàn)裝置。

液橋?qū)嶒?yàn)裝置示意圖

上圖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(jìn)行不同溫度加熱形成溫度差，從而在液體表面形成熱毛細(xì)對流。段俐介紹說，該實(shí)驗(yàn)設(shè)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，?shí)驗(yàn)用的流體介質(zhì)-硅油被儲存在液缸內(nèi)，空間實(shí)驗(yàn)時，通過高精度PI電機(jī)牽引實(shí)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(jī)控制實(shí)現(xiàn)。同時，段俐特別介紹說，這個設(shè)備里設(shè)計安裝了清橋系統(tǒng)，一旦在太空實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)斷橋現(xiàn)象，可以通過電機(jī)驅(qū)動清橋系統(tǒng)擦洗橋柱實(shí)現(xiàn)再建橋過程，這也是此次項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)裝置的重要特色之一。

天宮二號該項(xiàng)目副主任設(shè)計師、中國科學(xué)院力學(xué)研究所段俐研究員段俐表示，整個實(shí)驗(yàn)過程，將被位于液橋一左一右一近景一遠(yuǎn)景的兩個CCD圖像傳感器進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中，科學(xué)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際需求注入指令進(jìn)行科學(xué)操作，從而實(shí)現(xiàn)天地互動。

必不可少的地面實(shí)驗(yàn)

除了隨天宮二號“上天”的實(shí)驗(yàn)裝置，在地面還預(yù)先設(shè)置了相同的實(shí)驗(yàn)裝置，那么設(shè)置地面實(shí)驗(yàn)的必要原因又是什么呢?段俐研究員解釋說，鑒于空間實(shí)驗(yàn)機(jī)會少且費(fèi)用極高，而且熱毛細(xì)對流現(xiàn)象與其影響因素之間的關(guān)系并不是用簡單公式就可以準(zhǔn)確描述的，這就需要地面實(shí)驗(yàn)為空間實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供科學(xué)合理的參考范圍，為空間實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

在地面環(huán)境中，科學(xué)家們搭建了大尺寸液橋?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)平臺，采用和空間實(shí)驗(yàn)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(jī)制，針對實(shí)驗(yàn)需求，加工了藍(lán)寶石和紅外橋柱，分別采用粒子圖像測速技術(shù)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(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為空間實(shí)驗(yàn)的順利開展“預(yù)熱”：首先，在地面大尺寸液橋?qū)嶒?yàn)首次驗(yàn)證了胡文瑞院士提出的體積比效應(yīng)，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(zhǔn)的數(shù)據(jù)都將成為天宮二號空間實(shí)驗(yàn)過程中的重要支撐。

天宮二號熱毛細(xì)對流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目部分實(shí)驗(yàn)裝置

“功成身退”的天宮一號值得紀(jì)念，今夏接力“上崗”的天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室則將開創(chuàng)更多的“第一次”，在此基礎(chǔ)上，中國將在2020年前后建成永久性空間站，并在2022年全面運(yùn)行?；叵氘?dāng)年國際空間站項(xiàng)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(shí)力的不斷增強(qiáng)，中國正在實(shí)現(xiàn)由航天“大”國到航天“強(qiáng)”國的華麗轉(zhuǎn)身。

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