天舟一號 中國領先歐空局一步 揭秘空間環境下的蒸發與冷凝

出品：科普中國

製作：中國科學院空間應用工程與技術中心 中國科學院力學研究所 劉秋生團隊 中國科普博覽

監製：中國科學院計算機網路信息中心

編者按：

剛剛發射成功的天舟一號，除了要與天宮二號交會對接、實施推進劑在軌補加，還要開展一系列空間科學實驗和技術試驗的任務。

中國科學院空間應用工程與技術中心是載人航天工程空間應用系統的總體單位，代表中國科學院抓總負責載人航天空間科學與應用任務的規劃、實施及成果產出與推廣，具體承擔工程研製的組織管理，系統設計、集成、測試，可靠性保障，在軌技術支持，有效載荷運控管理，數據獲取及應用成果的推廣服務等系統技術支持、支撐、保障、服務工作。

在此特別感謝中國科學院空間應用工程與技術中心的支持！

中國首艘貨運飛船天舟一號發射成功！

除了貨運，天舟一號還承擔著不少科學任務。其中一個項目，已經引起了歐空局的注意。

這個項目包括兩個部分，空間蒸發與冷凝科學實驗，和兩相系統實驗平台關鍵技術研究，負責人是中國科學院力學研究所劉秋生研究員。參與研究的除了中國科學院力學所，還有中山大學、中國科學院空間應用中心和東南大學。

這是我國首次空間冷凝與蒸發相變傳熱科學與熱控技術實驗研究，也是我國首次在一個空間實驗裝置中開展2種以上科學與技術實驗的多目標流體物理空間實驗。

實驗有兩個目的，在科學上，可望能夠探究空間蒸發與冷凝相變傳熱特殊規律；在技術上，可望驗證本次實驗中採用的空間兩相迴路熱控與實驗流體管理等關鍵實驗技術。

為什麼這個項目能夠引起歐空局的注意呢？這個項目究竟要做什麼，又有什麼意義呢？

為什麼要研究空間的冷凝與蒸發？

圖1

蒸發與冷凝是自然界中普遍存在的現象，其相變傳熱過程也是物理學長期研究的經典問題。

如水揮發（蒸發）與降雨（冷凝）是我們地球人類生存環境維持的基本保障，這個循環過程每時每刻都受到重力引起的自然（浮力）對流的極大影響。

在地球上，這樣的蒸發與對流對我們的生活產生了非常多的影響。例如，空調、熱管等熱設備都是利用相變傳熱原理設計的換熱器。

空間飛行器（如載人空間站、衛星）中所處的微重力環境，沒有自然對流，這將極大影響蒸發與冷凝相變過程，熱設備工的作環境也將與我們地球上完全不同。

那麼，地球上的空調和熱管等散熱器是否可以直接用到太空中？

它們在太空還可以正常的工作嗎？

如果不能照搬地球上的現有熱設備，那麼「太空空調、太空熱管」等空間熱設備應該怎樣設計或怎樣使用？才能更好用或更耐用？

圖2. 空間在軌流體管理

圖3. 空間熱流體設備

現在我們對微（變）重力環境中的相變界面熱毛細流動、空間兩相流體界面的瑞利-泰勒（R-T）不穩定性、毛細輸運穩定性等新問題和新現象的相關理論可以說是認知匱乏，但是，上圖中所展示的空間熱流體設備和空間在軌流體管理都需要這方面研究的支持。

所以這項研究對於空間站的建設、宇航員在太空的生活都有著重要意義。

前期歐美的空間實驗已經初步發現，空間微重力環境中的一些熱設備工作環境惡化，導致換熱效率明顯降低、使用壽命不如地面預期等技術問題。

分析原因主要是空間與地面過程存在明顯不同。

那麼空間蒸發與冷凝過程中發生了什麼變化？影響相變傳熱的熱交換係數有多大改變？是變高了還是低了？如果變低了，是哪些因素造成的？

要想科學準確的回答上述問題，需要利用空間微重力環境開展空間實驗，研究空間相變傳熱的特殊現象，認識其特殊規律，進而掌握克服空間相變傳熱不利影響的新方法和新技術，用於研製能很好適用於太空環境中的熱設備。

圖4

如美國空間局在2010年的「空間模型熱管」實驗中發現熱管換熱器明顯「發熱」。經研究，初步判斷是蒸發與冷凝相變過程相比地基上面的有明顯的不同。浮力對流缺失使熱管內部蒸發與冷凝相變換熱減弱，導致熱管在空間變熱。

在空間研究蒸發與冷凝相變更有優勢

Marangoni-Bénard對流是流體物理經典問題之一，已有長達一百多年的豐富研究歷史。非牛頓流體層在一定的溫度梯度驅動下會發生自然對流，如果流體層上表面是自由表面，且由表面張力引發的對流流動稱為Marangoni-Bénard對流或熱毛細對流。對於不考慮表面存在蒸發相變液層呈現出規則的六角形Marangoni-Bénard對流渦胞來說（見下面左圖），可以用經典理論可以很好的解釋；但對於有較強表面蒸發液層（如酒精）內出現的Marangoni-Bénard對流渦胞不再保持規則形式（如下面右圖所示），現有理論卻不能很好解釋具有蒸發效應的液層中對流形式變化的原因。引起上述這一理論與實驗現象之間的明顯差異，只是因為液層表面的蒸發。

圖5. 不蒸發液層（左）和有蒸發液層（右）內的M-B對流渦胞

傳統熱動力學平衡態模型無法解釋蒸發表面溫度梯度驅動流動現象，需要引進相變界面非平衡態模型，還需要考慮氣體環境對界面能量傳輸的影響，若氣體為該液體的純蒸汽，存在熱毛細對流，若氣體為兩種或多種氣體的混合物，情況更加複雜。

圖6.水蒸汽凝結在（金屬）固壁上的液體形貌變化：（a）滴狀冷凝; (b) 滴狀和液膜冷凝；光學觀測圖像（下圖）

微重力條件也使得許多因重力而產生的力項得以削弱，對冷凝過程的影響因子相對減少，有利於對冷凝過程機理的深入探究。

蒸發與冷凝相變流體界面具有比一般流體界面更為複雜的流體動力學現象,如自由表面流動更無規律可循，熱邊界條件不再遵循簡單的工程熱力學模型，空間微重力環境使得流體界面效應得到相對的放大，並同時剝離了地面重力引起的浮力效應對相變界面流動與傳熱的主要影響。

因此，我們在空間可以實現對液體變成氣體的蒸發界面和蒸汽變成液體的冷凝界面熱、質交換物理模型的精準驗證和理論分析，給出更普適的相變界面熱動力學理論模型。

本次項目包括哪些內容？

本次蒸發和冷凝空間實驗研究的兩個模型如下圖所示：

圖7. 蒸發液層與液滴實驗模型

圖8. 冷凝實驗模型

本次實驗的內容主要包括：

（1）空間蒸發與冷凝流體界面熱質傳輸特性，

（2）重力對相變流體傳熱傳質過程的影響規律

（3）空間相變傳熱強化機制

項目除了實驗部分，還會有技術方面的驗證。

主要是空間實驗工質供給、汽/液分離和回收技術驗證，和空間熱管理與兩相迴路控制關鍵技術驗證。

圖9. 中國空間站「兩相系統實驗櫃」

本項目開展的兩相熱控與實驗流體管理技術驗證將為我國空間站兩相系統科學實驗櫃的研製提供寶貴的先期關鍵技術驗證和重要的設計依據。

相關實驗結果將指導我國後續兩相熱流體科學實驗載荷的設計與在軌實驗方案的制定。

發射後就開始實驗嗎？

本項目並不是在天舟一號發射後就進行蒸發與冷凝科學實驗。

圖10

如上圖所示，天舟一號貨運飛船在對接天宮二號後，將處於組合體段，與天宮二號分離後，將進入自主飛行段。

本項目將在這兩個階段20多天內進行在軌科學實驗，分別在軌開展蒸發液層、蒸發液滴和冷凝三種類型的科學研究、兩相流體控制技術驗證四個階段的空間實驗，實驗時間共計200多小時。

第一階段：

處於組合體飛行段，實驗2天。

相繼開展蒸發液層/滴實驗，冷凝，和兩相迴路調試等共計10次實驗。

第二階段：

處於組合體飛行段，實驗10天。

計劃開展蒸發液層、蒸發液滴，冷凝實驗，和兩相迴路調試共計45次實驗。

第三階段：

處於自主飛行段，實驗5天。

開展蒸發液層、蒸發液滴和冷凝實驗共計22次實驗.

第四階段：

處於自主飛行段，實驗連續3天半。

相繼開展蒸發液層、蒸發液滴、冷凝實驗和兩相迴路技術驗證等共計16次實驗。

? 這是國內首次實現對微重力蒸發與冷凝過程中多物理量場的實時觀測，可望獲得空間蒸發和冷凝液膜的時空演變規律、相變非平衡熱動力學特徵等研究方面的新成果；預期能夠驗證多項空間在軌兩相流體管理與熱控等關鍵技術，為空間站兩相系統實驗櫃的工程研製奠定技術基礎；在此領域內率先獲得科學研究成果和實驗技術突破。

為什麼這個項目能引起歐空局注意？

在國際上，微重力流體物理的研究計劃已經排到了2020年。

圖11

空間兩相流體與傳熱是國際空間站的科學研究熱點課題，歐美日等國的空間研究機構都有空間實驗計劃和在軌實驗裝置。

本項組合式相變傳熱空間實驗方案由我國科學家首次提出，並將在我國首艘貨運飛船上實施，早於歐空局等相關項目的實施時間。

（歐空局：很好，你已經引起了我的注意）

歐洲科學家已經表示希望與我們在該項目上開展科學合作，如與ARLES、CIMEX和SAFIR等ESA的科學結果進行比較。

項目負責人—中科院力學研究所劉秋生研究員是國際天地兩相應用系統（ITT）先進研究聯合組織的中方科學成員和聯繫人，通過開展該項實驗研究，將提高我國在微重力流體物理研究領域的國際影響和關注度。

圖12

本項目參研人員與空間應用系統領導合影（海南文昌發射場）

後排左起：魏廣東、何振輝、李緒志（空間應用系統副總師）、趙光恆（空間應用系統總師）、劉秋生（項目主任設計師）、曲風（空間應用系統副總調度）、吳清才（空間應用系統副總質量師）、謝騰；

前排左起：王鎮銳、溫世喆、朱志強、晏碩、李振、趙黎平（任務主任設計師）、陳曦。

圖13. 本項目組主要參研人員合影（海南文昌發射場）

左起：溫世喆、劉文軍、王鎮銳、朱志強（副主任設計師）、劉秋生（項目負責人、主任設計師）、何振輝（副主任設計師）、李振、晏碩、謝騰。

最後，感謝所有科研人員的付出，感謝載人航天工程的項目支持，感謝中科院空間應用系統總體部的工程組織與指導！

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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