SJ-10回収衛星における熱キャピラリー対流宇宙実験
Summary
この論文では、宇宙ペイロード設計のプロトコル、熱キャピラリー対流に関する宇宙実験、実験データと画像の分析を行う。
Abstract
熱キャピラリー対流は微小重力流体物理学における重要な研究課題である。環状液体プールにおける熱キャピラリー対流の表面波に関する実験的研究は、SJ-10回収可能な衛星上の19の科学的実験プロジェクトの1つである。本講演は、実験モデル、測定システム、制御システムを含む熱キャピラリー対流に関する宇宙実験研究のためのペイロードの設計です。可変体積比を有する環状液体プールの実験モデルの構築に関する詳細が提供される。流体温度は、異なる点で0.05°Cの高感度で6熱電対によって記録されます。液体フリー表面の温度分布は、赤外線サーマルカメラによってキャプチャされます。自由表面変形は1μmの高精度の変位センサーによって検出される。実験プロセスは完全に自動化されています。実験データや画像の解析を通じた液体フリー表面の熱キャピラリー振動現象と対流パターンの遷移に焦点を当てています。本研究は、熱キャピラリー対流のメカニズムを理解するのに役立ち、熱キャピラリー対流の非線形特性、流れの不安定性、分岐遷移に関するさらなる洞察を提供する。
Introduction
宇宙の微小重力条件下では、重力の欠如により多くの興味深い物理現象が提示されます。自由表面を有する液体には、温度勾配または濃度勾配によって引き起こされる新しい流れシステム(すなわち熱キャピラリー流れ)が存在する。地上の伝統的な対流とは異なり、熱キャピラリー対流は宇宙環境におけるユビキタス現象です。微小重力流体物理学において非常に重要な研究課題であるため、宇宙空間や地上で多くの実験が行われてきた。最近、SJ-10回収可能な科学実験衛星の熱キャピラリー対流に関する宇宙実験研究が行われた。宇宙実験用ペイロードは、図1(左)に示すように、8つのシステム、すなわち流体実験システム、液体貯蔵および注入システム、温度制御システム、熱電対測定システム、赤外線サーマルカメラ、変位センサー、CCD画像取得システム、および電気制御システムで構成されています。熱キャピラリー対流の表面波に関する研究のための宇宙実験ペイロードを図1(右)に示す。本研究では、流れ、振動現象、および転移の不安定性に焦点を当てたもので、層流からカオスへの移行過程において重要な特徴である。これらの基礎的な課題に関する研究は、強い非線形流動に関する研究に大きな意義を持っています。
体積力によって駆動される浮力対流とは異なり、熱キャピラリー対流は、2つの非混和性流体間の界面内の表面張力によって引き起こされる現象です。表面張力の大きさは、温度、溶質濃度、電界強度など、いくつかのスカラーパラメータによって変化します。これらのスカラー フィールドがインターフェイス内で不均一に分布する場合、自由サーフェス上にサーフェス張力勾配が存在します。自由表面の流体は、表面張力勾配によって駆動され、表面張力が小さい位置から、より大きな表面張力を持つ位置に移動します。この流れは、イタリアの物理学者カルロ・マランゴンニによって最初に解釈されました。したがって、それは「マランゴン効果」1と命名されました。自由表面上のマランゴンの流れは粘度によって内部液体に伸び、その結果、マランゴン対流と呼ばれるものを生成する。
厳密に言えば、自由な表面を持つ流体システムのために、熱キャピラリー対流と浮力対流は常に正常な重力下で同時に表示されます。一般に、巨視対流系では、熱キャピラリー対流は軽微な効果であり、通常は浮力対流と比較して無視されます。しかし、小さな対流系や微小重力環境下では、浮力対流が大幅に弱まり、消滅し、熱キャピラリー対流が流れ系で支配的になります。長い間、研究は人間の活動と研究方法22、3、43の限界のためにマクロスケール浮力対流に焦点を4当ててきました。しかし、ここ数十年、航空宇宙、フィルム、MEMS、非線形科学などの現代科学技術の急速な発展に伴い、熱キャピラリー対流に関するさらなる研究がますます急務となっています。
微小重力流体力学に関する研究は、学術的意義と応用の見通しが重要である。多くのダイナミック派、物理化学者、生物学者、材料科学者がこの分野で働くために集まりました。加谷とオストラクは微小重力条件下で環状液体プールにおける熱キャピラリー対流の実験を完了し、2、5、6、7、85,6,7,の条件下で安定した流れ、振動流れ、臨界条件を観察した。8Schwabeらは、同様の環状液体プール33,99で浮力-熱キャピラリー対流を研究し、振動流が最初に熱キャピラリー波として現れ、その後、温度差の増加に伴いより複雑な流れに変わったことを発見した。2002年、シュワベとベンツらは、ロシアのFOTON-12衛星44,1010で行われた環状液体プールにおける熱キャピラリー対流に関する実験群を報告した。彼らの宇宙実験結果は、地上実験結果と一致した。一部の日本の科学者は、国際宇宙ステーション11、12、13,12で、液体橋熱キャピラリー対流(MEIS)と名付けられた3つの一連の実験を行いました。カメラ、サーマルイメージャー、熱電対センサー、3D-PTVおよびフォトクロミック技術を含むいくつかの実験装置は、これらの3つのタスクに適用されました。異なるアスペクト比での熱キャピラリー対流の臨界条件を決定し、3次元(3D)流れ構造を観察した。
過去30年間、中国では微小重力科学が14,15,16,16で多発して開発され、宇宙14,17,1818で多くの微小重力17実験が行われてきました。流体物理学の分野では、最初の微小重力実験は、1999年にSJ-5回収可能な衛星上での2層流体の研究であり、粒子追跡法14によって流動構造を得た。2004年には、液滴の熱キャピラリー移動に関する研究をSZ-4で行い、移動速度と臨界マッハ(Ma)数との関係を15,16,16に得た。2005年にはJB-417でマルチバブル熱キャピラリー移行の実験研究を行い、Ma数が8,000に増加したため、移行規則が得られました。一方、バブルの合流などの問題も研究された。2006年、SJ-8回収可能な衛星に対して拡散質量移動に関する研究を行い、マッハ・ツェンダー干渉計を宇宙実験に初めて適用し、拡散量移動の過程を観察し、拡散係数を18に評価した。
近年、熱キャピラリー対流における振動と分岐過程に焦点を当てた一連の地上実験研究が行われ、浮力と熱キャピラリー力の結合効果が分析されている。実験結果,は、多くの場合19、20、21、2220,において支配的な役割を果たすため19、地盤実験では浮力効果を無視できないことを示している。21222016年には、TG-2上の液体橋の熱キャピラリー対流と、SJ-10回収可能な衛星23,24の環状液体プールにおける熱キャピラリー対流を研究するために2つの微小重力実験を行った。本論文では、SJ10上の熱キャピラリー対流の実験ペイロードと宇宙実験結果を紹介する。これらの方法は、熱キャピラリー振動のメカニズムを探索するのに役立ちます。
対流パターンの転移、温度振動、および液体のない表面変形を観察するために、6つの熱電対、赤外線サーマルカメラ、および周波数、振幅、およびその他の物理量を定量化する変位センサー振動の使用を行った。宇宙における熱キャピラリー対流の振動と転移に関する調査を通じて、宇宙における物質の成長に科学的指針を提供する微小重力環境における熱キャピラリー対流のメカニズムは、宇宙における物質の成長に関する科学的ガイダンスを提供することができる。発見され、理解されました。さらに、液体表面維持や気泡のない液体注入の技術など、宇宙実験における技術的ブレークスルーは、流体中の微小重力実験の簡便性と技術的レベルをさらに高める物理 学。
本論文では、SJ-10科学実験衛星で実施した熱キャピラリー表面波プロジェクトのペイロード開発と宇宙実験について紹介する。宇宙実験用ペイロードとして、この熱キャピラリー対流システムは、特に衛星打ち上げプロセス中に激しい衝撃を防ぐ強力な防振能力を有する。遠隔操作の要件を満たすために、宇宙実験プロセスは自動的に制御され、宇宙実験データは宇宙船の地上信号受信ステーションに送信され、その後科学者の実験に送信することができますプラットフォーム。
Protocol
Representative Results
Discussion
スペースリソースの制限により、機器全体の容積はわずか400mm×352mm×322mmで、重量はわずか22.9±0.2kgです。実験装置を選択してレイアウトする場合、これは非常に不便であり、フローシステムの確立が重要なステップになります。したがって、温度差の増加は、流体が一連の流れ現象を生成できるように、液体プールの両端に設定されます。単一の実験で安定から振動までの対流のプロセス全?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本稿では、プロジェクトチームのメンバー、宇宙飛行士研究訓練センター(ACC)、ノイソフトなど、この論文で報告された研究に貢献した参加者が多数います。
この研究は、中国科学院宇宙科学戦略優先研究プログラム(SJ-10回収可能な科学実験衛星)によって資金提供されています。XDA04020405およびXDA04020202-05、および中国国立自然科学財団の共同基金(U1738116)による。
Materials
| anti-creeping liquid | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| Displacement sensor | Panasonic | HL-C1 | |
| Heating film | HongYu | 125 Q/W335.1A | |
| Hydraulic cylinder | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| Infrared camera | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 Institute | 10257MW7C | |
| Montor | PI | M-227 | |
| Montor controller | PI | C-863 | |
| Pipe, 4mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| polysulfone plate | 507 Institute | ||
| Refrigeration chip | Zhongke | 9502/065/021M | |
| Silicon oil, 2cSt | Shin-Etsu | KF-96 | |
| Solenoid | FESTO | MFH-2-M5 | |
| Temperature controller | Eurotherm | 3304 | |
| Thermocouple, K-type | North University of China | ZBDX-HTTK |
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