天舟一號|中國將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

制作：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

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

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，具體承擔工程研制的組織管理，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，和兩相系統實驗平臺關鍵技術研究，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采用的空間兩相回路熱控與實驗流體管理等關鍵實驗技術。

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

為什么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。

那么，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，那么“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。

所以這項研究對于空間站的建設、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。

那么空間蒸發與冷凝過程中發生了什么變化？影響相變傳熱的熱交換系數有多大改變？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，用于研制能很好適用于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。對于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；但對于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。