天宮二號將要進行的「熱毛細對流空間實驗」是什麼？會帶來哪些意義？

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作為「天宮一號」的「繼承者」，天宮二號即將進行的各類實驗達到了史無前例的14項，堪稱中國航天史上「最忙碌」的空間實驗室。

我們邀請到天宮二號熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員，來談談天宮二號14項載荷中的—— 「熱毛細對流空間實驗項目」。

天宮二號熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員

熱毛細對流現象是指在空間環境完全失重的特殊條件下，由表面張力驅動的熱毛細流動成為主要的自然對流形式，它也是影響空間流體熱、質輸運過程的主要因素。

那麼，熱毛細現象又是一種怎樣奇妙的物理過程呢？

熱毛細對流，是一種與流體表面或者界面相關的熱對流現象。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生相應的變化。所以，當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，從而形成驅動流體流動的現象，這就是熱毛細對流。

此外，熱毛細對流現象在實際工業生產中有著廣泛的應用，特別是高質量晶體生長的過程。

然而時至今日，科學家對熱毛細流動的認知仍然十分有限。因此，開展熱毛細對流的研究有助於人類更好地進行空間探索和應用。

談完現象，我們再聊聊裝備：精妙的實驗裝置——「液橋」

「液橋」作為一種典型的熱毛細流動體系，是晶體生長重要的方法-浮區法的模型，也是此次天宮二號熱毛細對流空間實驗項目的主要實驗裝置。

液橋實驗裝置示意圖

如圖，是液橋模型的簡要示意，液體位於上下兩個碟片之間，分別對上下兩個碟片進行不同溫度加熱形成溫度差，從而在液體表面形成熱毛細對流。

該實驗設備可通過控制完成注液、拉橋、清橋、溫度控制、溫度和圖像採集及打包傳輸等操作。其中，實驗用的流體介質-硅油被儲存在液缸內，空間實驗時，通過高精度PI電機牽引實現注液、拉橋，最後完成建橋這一過程，液橋的高徑比和體積比參數由拉橋和注液電機控制實現。

同時，這個設備里設計安裝了清橋系統，一旦在太空實驗過程中出現斷橋現象，可以通過電機驅動清橋系統擦洗橋柱實現再建橋過程，這也是此次項目實驗裝置的重要特色之一。

整個實驗過程，將被位於液橋一左一右一近景一遠景的兩個CCD圖像感測器進行圖像的採集，觀測液橋的形貌，判斷液橋體積變化和斷橋與否。空間實驗過程中，科學家將通過控制軟體同時完成數據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行實驗，也可以根據實驗實際需求注入指令進行科學操作，從而實現天地互動。

除了隨天宮二號「上天」的實驗裝置，在地面還預先設置了相同的實驗裝置。

主要是鑒於空間實驗機會少且費用極高，而且熱毛細對流現象與其影響因素之間的關係並不是用簡單公式就可以準確描述的，這就需要地面實驗為空間實驗的順利進行提供科學合理的參考範圍，為空間實驗的順利進行奠定基礎。

在地面環境中，科學家們搭建了大尺寸液橋對比實驗平台，採用和空間實驗一樣的多路溫度採集裝置。此外，為了更加全面的觀測液橋的流動機制，針對實驗需求，加工了藍寶石和紅外橋柱，分別採用粒子圖像測速技術和紅外熱像儀觀測液橋流動的速度場和溫度場。

通過地面實驗，科學家們積累了大量實驗數據，為空間實驗的順利開展「預熱」：

首先，在地面大尺寸液橋實驗首次驗證了胡文瑞院士提出的體積比效應，測定了晶體幾何參數對於臨界條件的影響；
第二，測定液橋界面溫度場，得到對流模式轉換：得到了較完整的流場模式轉換過程；
第三，觀測液橋速度場，得到流場結構和兩次轉捩；
第四，分析和研究流體流動體系失穩和分岔轉捩過程及其振蕩行為。

這些精準的數據都將成為天宮二號空間實驗過程中的重要支撐。

天宮二號熱毛細對流空間實驗項目部分實驗裝置

來源：科普中國

這個熱毛細對流又名marangoni對流，是液體表面濃度或者溫度不均衡產生表面張力梯度引起的，地面由於重力效應引起的熱溶質對流、流體靜壓力和沉降往往會掩蓋它。至於天宮二號開展這項實驗，就是消除其他影響使得熱毛細對流起主要作用，易於觀察研究。至於意義嘛，這只是些基礎性研究。往遠了說，空間增材製造，空間焊接的發展都與熔滴的各種表面特性尤其是熱毛細對流有關。說白了，開展這項實驗是為了以後更深層次開展空間探索打下基礎。