SJ-10可回收卫星的热印对流空间实验
Summary
本文介绍了空间有效载荷设计、热压毛对流空间实验以及实验数据和图像分析的协议。
Abstract
热压毛对流是微重力流体物理学中的重要研究课题。环形液体池中热毛细管对流表面波的实验研究是SJ-10可回收卫星上的19个科学实验项目之一。介绍了一种用于热压毛对流空间实验研究的有效负载的设计，包括实验模型、测量系统和控制系统。给出了具有可变体积比的环形液体池实验模型的构建细节。流体温度由六个热电偶记录，在不同的点高灵敏度为0.05°C。通过红外热像仪捕获无液体表面的温度分布。自由表面变形由高精度为 1 μm 的位移传感器检测到。实验过程完全自动化。通过对实验数据和图像的分析，重点研究无液表面的热毛细管振荡现象和对流模式过渡。本研究将有助于了解热印细对流的机制，并将进一步深入了解热印细管对流的非线性特性、流量不稳定性和分叉过渡。
Introduction
在空间微重力条件下，由于重力的缺失，出现了许多有趣的物理现象。在具有自由表面的液体中，存在由温度梯度或浓度梯度引起的新的流系统（即热毛细管流）。与传统的地面对流不同，热毛细管对流在空间环境中是一种普遍现象。由于微重力流体物理学是一个非常重要的研究课题，因此在空间和地面进行了一些实验。最近，对SJ-10可回收科学实验卫星的热毛细对流进行了空间实验研究。空间实验有效载荷由流体实验系统、液体储存和注入系统、温度控制系统、热电偶测量系统、红外热像仪、位移传感器、CCD图像采集系统和电气控制系统等八个系统组成，如图1所示（左图）。图1（右）显示了用于研究热毛细管对流表面波的空间实验有效载荷。本研究侧重于流的不稳定性、振荡现象和过渡，这是从层流向混沌过渡过程中的重要特征。这些基础学科的研究对强非线性流的研究具有重要意义。
与体积力驱动的浮力对流不同，热毛细管对流是由两种不可混合流体之间的界面内表面张力引起的现象。表面张力的大小随一些标量参数而变化，包括温度、溶质浓度和电场强度。当这些标量场在界面中分布不均匀时，自由表面上将存在表面张力梯度。自由表面上的流体由表面张力梯度驱动，从表面张力较小的位置移动到表面张力较大的位置。这种流动首先是由意大利物理学家卡洛·马兰古尼解释的。因此，它被命名为”马兰格尼效应“1。自由表面上的马兰贡尼流通过粘度延伸到内部液体，因此产生所谓的马兰哥尼对流。
严格地说，对于具有自由表面的流体系统，热毛细管对流和浮力对流在正常重力下始终同时出现。一般来说，对于宏观对流系统，热毛细管对流是一种轻微的影响，通常与浮力对流相比被忽略。然而，在小型对流系统或微重力环境下，浮力对流将大大减弱，甚至消失，热毛细管对流将成为流系统中的主导。长期以来，由于人类活动的局限性和研究方法22、3、4，3,4研究一直集中在宏观尺度浮力对流上。然而，近几十年来，随着航空航天、薄膜、MEMS、非线性科学等现代科学技术的飞速发展，对热压毛对流的进一步研究的需求日益迫切。
微重力流体动力学研究具有重要的学术意义和应用前景。许多动力学家、物理化学家、生物学家和材料科学家聚集在这一领域工作。6,7Kamotani和Ostrach在微重力条件下完成了在环形液体池中热毛细管对流,5,的实验2，并观察到了稳定流动、振荡流和临界条件。Schwabe等人研究了类似环形液体池33、99中的浮热热压毛对流，发现振荡流首先以热毛细波出现，然后随着温差的增加而转向更复杂的流动。2002年，施瓦贝和奔驰等人报告了俄罗斯FOTON-12卫星4号10号环形液体池中热毛细管对流的一组实验。他们的太空实验结果与地面实验结果一致。一些日本科学家在,国际空间站11号、12号、13号空间站上进行了三系列关于液体桥热毛细管对流的实验，名为”Marangoni太空实验”。（MEIS）。13在三项任务中应用了一些实验设备，包括照相机、热成像仪、热电偶传感器、3D-PTV和光致变色技术。确定了不同纵横比下热毛细管对流临界条件，并观察了三维（3D）流结构。
30年来，微重力科学在中国经历了多产的发展，14、15、16、17、18,15,16在太空中进行了多次微重力实验。17,18在流体物理领域，第一个微重力实验是1999年SJ-5可回收卫星上双层流体的研究，并通过粒子跟踪法14获得了流动结构。2004年，对深四号水滴的热毛细移进行了研究，得出了迁移,速度与临界马赫（马）数的关系。2005年，在JB-417上进行了多泡热毛细移的实验研究，随着Ma数增加到8000个，获得了迁移规则。同时，还研究了泡沫合并等问题。2006年，对SJ-8可回收卫星进行了扩散质量转移研究，首次在空间实验中应用了Mach-Zehnder干涉仪，观察了扩散质量转移过程，对扩散系数进行了评价。
近年来，开展了一系列以热压毛对流振荡和分叉过程为重点的地面实验研究，分析了浮力和热压力的耦合效应。实验结果表明，浮力效应在地面实验中不容忽视，因为它在许多情况下起,20,21,着主导作用。2016年，进行了两次微重力实验，以研究TG-2液体桥的热毛对流，以及SJ-10可回收卫星23、24,24号环形液体池的热压柱对流。本文介绍了SJ10热印细管的实验有效载荷和空间实验结果。这些方法将有助于探索热毛细管振荡机制。
为了观察对流模式过渡、温度振荡和无液体表面变形，六热电偶、红外热像仪和位移传感器可量化频率、振幅和其他物理量使用的振荡。通过对空间热压毛对流振荡和过渡的研究，微重力环境中的热毛对流机制为空间材料的生长提供了科学的指导。发现和理解。此外，液体表面维护技术、无气泡液体注入等空间实验技术突破，将进一步提高流体微重力实验的简单性和技术水平。物理。
本文介绍了SJ-10科学实验卫星上热毛细管表面波工程的有效载荷开发和空间实验。作为空间实验有效载荷，该热压流系统具有很强的抗振能力，可防止剧烈冲击，特别是在卫星发射过程中。为了满足远程运行的要求，空间实验过程得到自动控制，空间实验数据可以传输到航天器的地面信号接收站，然后传送给科学家的实验平台。
Protocol
Representative Results
Discussion
由于空间资源的限制，整个设备的体积仅为400毫米×352毫米×322毫米，重量仅为22.9~0.2公斤。在选择和布置实验设备时，这是非常不方便的，而流系统的建立成为关键步骤。因此，增加的温差被设置在液体池的两端，使流体可以产生一系列流动现象。为了观察在单个实验中从稳定到振荡的对流的整个过程，2cSt硅油因其透明度和适当的物理参数而被选为工作液体。此外，由于表面张力，液体表面弯曲…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
有许多参与者对本文报告的工作做出了贡献，包括我们项目团队的所有成员，以及宇航员研究和培训中心（ACC）和东软的一些人。
这项工作由中国科学院空间科学战略优先研究项目资助：SJ-10可恢复科学实验卫星（授予号。XDA04020405和XDA04020202-05，由中国国家自然科学基金（U1738116）共同出资。
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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