中国将领先欧空局一步 揭秘空间环境下的蒸发与冷凝

　　出品：科普中国

　　制作：中国科学院空间应用工程与技术中心 中国科学院力学研究所 刘秋生团队 中国科普博览

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　编者按：

　　刚刚发射成功的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。

　　中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位，代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广，具体承担工程研制的组织管理，系统设计、集成、测试，可靠性保障，在轨技术支持，有效载荷运控管理，数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。

　　在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持！

　　中国首艘货运飞船天舟一号发射成功！

　　除了货运，天舟一号还承担着不少科学任务。其中一个项目，已经引起了欧空局的注意。

　　这个项目包括两个部分，空间蒸发与冷凝科学实验，和两相系统实验平台关键技术研究，负责人是中国科学院力学研究所刘秋生研究员。参与研究的除了中国科学院力学所，还有中山大学、中国科学院空间应用中心和东南大学。

　　这是我国首次空间冷凝与蒸发相变传热科学与热控技术实验研究，也是我国首次在一个空间实验装置中开展2种以上科学与技术实验的多目标流体物理空间实验。

　　实验有两个目的，在科学上，可望能够探究空间蒸发与冷凝相变传热特殊规律；在技术上，可望验证本次实验中采用的空间两相回路热控与实验流体管理等关键实验技术。

　　为什么这个项目能够引起欧空局的注意呢？这个项目究竟要做什么，又有什么意义呢？

　　为什么要研究空间的冷凝与蒸发？

　　蒸发与冷凝是自然界中普遍存在的现象，其相变传热过程也是物理学长期研究的经典问题。

　　如水挥发（蒸发）与降雨（冷凝）是我们地球人类生存环境维持的基本保障，这个循环过程每时每刻都受到重力引起的自然（浮力）对流的极大影响。

　　在地球上，这样的蒸发与对流对我们的生活产生了非常多的影响。例如，空调、热管等热设备都是利用相变传热原理设计的换热器。

　　空间飞行器（如载人空间站、卫星）中所处的微重力环境，没有自然对流，这将极大影响蒸发与冷凝相变过程，热设备工的作环境也将与我们地球上完全不同。

　　那么，地球上的空调和热管等散热器是否可以直接用到太空中？

　　它们在太空还可以正常的工作吗？

　　如果不能照搬地球上的现有热设备，那么“太空空调、太空热管”等空间热设备应该怎样设计或怎样使用？才能更好用或更耐用？

空间在轨流体管理

空间热流体设备

　　现在我们对微（变）重力环境中的相变界面热毛细流动、空间两相流体界面的瑞利-泰勒（R-T）不稳定性、毛细输运稳定性等新问题和新现象的相关理论可以说是认知匮乏，但是，上图中所展示的空间热流体设备和空间在轨流体管理都需要这方面研究的支持。

　　所以这项研究对于空间站的建设、宇航员在太空的生活都有着重要意义。

　　前期欧美的空间实验已经初步发现，空间微重力环境中的一些热设备工作环境恶化，导致换热效率明显降低、使用寿命不如地面预期等技术问题。

　　分析原因主要是空间与地面过程存在明显不同。

　　那么空间蒸发与冷凝过程中发生了什么变化？影响相变传热的热交换系数有多大改变？是变高了还是低了？如果变低了，是哪些因素造成的？

　　要想科学准确的回答上述问题，需要利用空间微重力环境开展空间实验，研究空间相变传热的特殊现象，认识其特殊规律，进而掌握克服空间相变传热不利影响的新方法和新技术，用于研制能很好适用于太空环境中的热设备。

　　如美国空间局在2010年的“空间模型热管”实验中发现热管换热器明显“发热”。经研究，初步判断是蒸发与冷凝相变过程相比地基上面的有明显的不同。浮力对流缺失使热管内部蒸发与冷凝相变换热减弱，导致热管在空间变热。

　　在空间研究蒸发与冷凝相变更有优势

　　Marangoni-Bénard对流是流体物理经典问题之一，已有长达一百多年的丰富研究历史。非牛顿流体层在一定的温度梯度驱动下会发生自然对流，如果流体层上表面是自由表面，且由表面张力引发的对流流动称为Marangoni?Bénard对流或热毛细对流。对于不考虑表面存在蒸发相变液层呈现出规则的六角形Marangoni?Bénard对流涡胞来说（见下面左图），可以用经典理论可以很好的解释；但对于有较强表面蒸发液层（如酒精）内出现的Marangoni?Bénard对流涡胞不再保持规则形式（如下面右图所示），现有理论却不能很好解释具有蒸发效应的液层中对流形式变化的原因。引起上述这一理论与实验现象之间的明显差异，只是因为液层表面的蒸发。

不蒸发液层（左）和有蒸发液层（右）内的M-B对流涡胞

　　传统热动力学平衡态模型无法解释蒸发表面温度梯度驱动流动现象，需要引进相变界面非平衡态模型，还需要考虑气体环境对界面能量传输的影响，若气体为该液体的纯蒸汽，存在热毛细对流，若气体为两种或多种气体的混合物，情况更加复杂。

　　水蒸汽凝结在（金属）固壁上的液体形貌变化：（a）滴状冷凝; (b) 滴状和液膜冷凝；光学观测图像（下图）

　　微重力条件也使得许多因重力而产生的力项得以削弱，对冷凝过程的影响因子相对减少，有利于对冷凝过程机理的深入探究。

　　蒸发与冷凝相变流体界面具有比一般流体界面更为复杂的流体动力学现象,如自由表面流动更无规律可循，热边界条件不再遵循简单的工程热力学模型，空间微重力环境使得流体界面效应得到相对的放大，并同时剥离了地面重力引起的浮力效应对相变界面流动与传热的主要影响。

　　因此，我们在空间可以实现对液体变成气体的蒸发界面和蒸汽变成液体的冷凝界面热、质交换物理模型的精准验证和理论分析，给出更普适的相变界面热动力学理论模型。

　　本次项目包括哪些内容？

　　本次蒸发和冷凝空间实验研究的两个模型如下图所示：

蒸发液层与液滴实验模型

冷凝实验模型

　　本次实验的内容主要包括：

　　（1）空间蒸发与冷凝流体界面热质传输特性，

　　（2）重力对相变流体传热传质过程的影响规律

　　（3）空间相变传热强化机制

　　项目除了实验部分，还会有技术方面的验证。

　　主要是空间实验工质供给、汽/液分离和回收技术验证，和空间热管理与两相回路控制关键技术验证。

中国空间站“两相系统实验柜”

　　本项目开展的两相热控与实验流体管理技术验证将为我国空间站两相系统科学实验柜的研制提供宝贵的先期关键技术验证和重要的设计依据。

　　相关实验结果将指导我国后续两相热流体科学实验载荷的设计与在轨实验方案的制定。

　　发射后就开始实验吗？

　　本项目并不是在天舟一号发射后就进行蒸发与冷凝科学实验。

　　如上图所示，天舟一号货运飞船在对接天宫二号后，将处于组合体段，与天宫二号分离后，将进入自主飞行段。

　　本项目将在这两个阶段20多天内进行在轨科学实验，分别在轨开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝三种类型的科学研究、两相流体控制技术验证四个阶段的空间实验，实验时间共计200多小时。

　　第一阶段：

　　处于组合体飞行段，实验2天。

　　相继开展蒸发液层/滴实验，冷凝，和两相回路调试等共计10次实验。

　　第二阶段：

　　处于组合体飞行段，实验10天。

　　计划开展蒸发液层、蒸发液滴，冷凝实验，和两相回路调试共计45次实验。

　　第三阶段：

　　处于自主飞行段，实验5天。

　　开展蒸发液层、蒸发液滴和冷凝实验共计22次实验.

　　第四阶段：

　　处于自主飞行段，实验连续3天半。

　　相继开展蒸发液层、蒸发液滴、冷凝实验和两相回路技术验证等共计16次实验。

　　这是国内首次实现对微重力蒸发与冷凝过程中多物理量场的实时观测，可望获得空间蒸发和冷凝液膜的时空演变规律、相变非平衡热动力学特征等研究方面的新成果；预期能够验证多项空间在轨两相流体管理与热控等关键技术，为空间站两相系统实验柜的工程研制奠定技术基础；在此领域内率先获得科学研究成果和实验技术突破。

　　为什么这个项目能引起欧空局注意？

　　在国际上，微重力流体物理的研究计划已经排到了2020年。

　　空间两相流体与传热是国际空间站的科学研究热点课题，欧美日等国的空间研究机构都有空间实验计划和在轨实验装置。

　　本项组合式相变传热空间实验方案由我国科学家首次提出，并将在我国首艘货运飞船上实施，早于欧空局等相关项目的实施时间。

　　（欧空局：很好，你已经引起了我的注意）

　　欧洲科学家已经表示希望与我们在该项目上开展科学合作，如与ARLES、CIMEX和SAFIR等ESA的科学结果进行比较。

　　项目负责人—中科院力学研究所刘秋生研究员是国际天地两相应用系统（ITT）先进研究联合组织的中方科学成员和联系人，通过开展该项实验研究，将提高我国在微重力流体物理研究领域的国际影响和关注度。

　　本项目参研人员与空间应用系统领导合影（海南文昌发射场）

　　后排左起：魏广东、何振辉、李绪志（空间应用系统副总师）、赵光恒（空间应用系统总师）、刘秋生（项目主任设计师）、曲风（空间应用系统副总调度）、吴清才（空间应用系统副总质量师）、谢腾；

　　前排左起：王镇锐、温世喆、朱志强、晏硕、李振、赵黎平（任务主任设计师）、陈曦。

　　图13. 本项目组主要参研人员合影（海南文昌发射场）

　　左起：温世喆、刘文军、王镇锐、朱志强（副主任设计师）、刘秋生（项目负责人、主任设计师）、何振辉（副主任设计师）、李振、晏硕、谢腾。

　　最后，感谢所有科研人员的付出，感谢载人航天工程的项目支持，感谢中科院空间应用系统总体部的工程组织与指导！

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