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。
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Protocol
1. 实验系统的设计和准备
- 构建环形液体池。
- 构建一个铜环形液体池，测量Ri = 4 mm 的内径，外径为Ro = 20 mm，d = 12 mm 的高度。 d
- 使用测量RP = 20 mm 直径的多硫磺板作为液体池的底部（参见材料表）。
- 将直径为 ± = 2 mm 的小孔钻到靠近内壁（距离圆中心 6 mm）作为液体注入孔。
- 维护接口。
- 在内侧和外壁上添加锐角（45°角）（图2）。
- 将防蠕变液体21（参见材料表）应用于内壁和外墙，高度大于 12 mm。
- 准备工作液体的储存系统。
- 选择2cSt硅油作为工作液体（参见材料表）。
- 使用液压缸作为储存硅油的容器（参见材料表）。
- 在启动前使用无气泡技术将工作液注入液压缸。
注：悬浮在工作液中的气泡将导致实验失败。- 通过将液体加热到 60°C 并施加压力 <150 Pa 约 6 小时，将硅油中的气体排出。
- 真空液体储存系统，直到其压力为 <200 Pa。
- 释放阀门，让硅油在真空气瓶中充满（图3）。
- 为工作液体设置喷射系统。
- 选择一个步进马达来驱动液体的喷射或吸力（参见材料表）。
- 应用电磁阀来控制喷射系统的开关（参见材料表）。
- 使用通用接头将步进马达连接到液缸（图4）。
- 用外径为 4 mm 的管道依次连接液缸、电磁阀和注塑孔。
2. 建立温度控制系统
- 用加热膜嵌入内缸（电阻Rt = 14.4 ± 0.5 Ω），用 K 型热电偶测量温度Ti（参见材料表）。
- 将六个制冷芯片（每两个芯片作为一组并联，三组串联）与外墙相连，并使用额外的 K 型热电偶获得外墙温度To。
注： 温差为+T = Ti - To。
3. 建立测量系统
注：所有设备都可以由软件控制。
- 将六个热电偶 （T1 - T6） 放入液体池内，以测量不同点的温度。详细布局如图5所示。
- 将红外摄像机直接放置在液体表面上方，旋转镜头以调整对焦，并在无液体表面上收集温度场信息（参见材料表）。
- 调整位移传感器以测量液体表面特定点（r = 12 mm）的位移（参见材料表）。
注：激光位移传感器用于此有效负载，以实现 100 μs 高速采样，这是一种分辨率为 1 μm 的超高精度测量方法，线性度为 ± 0.1% F.S。 - 使用 CCD 摄像机聚焦液体表面并记录自由表面的变化（参见材料表，图 6）。
注： 有效像素数为 752 x 582，最小照明为 1.6 Lux/F2.0。
4. 实验过程
- 启动实验控制软件并打开电源按钮。
- 执行液体注射。
- 在电磁阀上涂抹 12 V 以打开它。
- 打开电机按钮，将电机按 2.059 mm 的台阶，并将 10，305 mL 的硅油注入液体池。
- 关闭电磁阀电源以关闭电磁阀。
- 执行线性加热。
- 实验条件设定如下：加热目标温度T Ti = 50°C;冷却目标温度To = 15 °C;加热速率 = 0.5 °C/分钟。
- 收集数据。
- 将红外成像仪、热电偶、位移传感器和 CCD 的相应采样频率分别设置为 7.5 Hz、20 Hz、20 Hz 和 25 Hz。
- 单击数据收集系统的按钮，并使用计算机软件监控温度、位移和其他信息（图 7）。
- 关闭电源按钮。
注： 等待 1 小时，以便热端和冷端的温度等于以下实验的环境温度。
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Representative Results
根据CCD采集的图像，定义了精确的体积比，并重建了液体表面地形。通过对单点温度信号和位移振荡信号的分析，确定了临界不稳定性状况，并研究了振荡特性。获得了流场的结构，并通过红外图像随时间的变化确定了流模式的过渡。通过对多个实验结果的综合分析，还可以对流量特性、流动机制和分叉过渡进行研究。
获得红外热图像，以可视化热毛细管对流中无液表面的温度分布。观察到多种振荡流模式，包括径向振荡或顺时针/逆时针周旋（图8）。热毛细管流首先失去其稳定性，并过渡到径向振荡，然后循环旋转波。研究发现，稳定的热毛细管对流演化为一个站立波，然后是一个移动波，最后发展到游波和立波的耦合状态。
热印细管流系统中不同位置的温度用热电偶以一定体积比（Vr = 0.715）测量。图 9（左图）显示，流体内的温度随温差的增加而线性升高。温度场在温差超过特定阈值后周期性波动，表明热毛细管对流从稳定状态发展到振荡状态。此外，振荡温度的振幅随着流场的变化而增加。图 9（右图）中的频谱分析表明，临界振荡频率为 0.064 Hz。
首次通过直接测量研究了无液表面的变形。通过比较位移传感器测量的自由表面的大量变形数据和热电偶测量的流体的温度数据，观察到流体的表面变形和温度场开始在同一时间和相同的频率下振荡（图10）。
图1：空间实验有效载荷。（左）有效负载的示意图。（右）空间实验有效载荷的图像。热印细管可以通过红外摄像机、CCD 和位移传感器进行观察。请点击此处查看此图形的较大版本。
图2：环形液体池的原理图和图像。当两端之间有温差时，在环形液体池内产生热毛细对流。请点击此处查看此图形的较大版本。
图3：真空灌装装置和灌装工艺。在发射前执行的此过程确保在空间实验期间液体中不产生气泡。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 4：步进电机和油缸之间连接的示意图。通过控制步进电机的推/拉开关，可以实现从油缸中排放或吸入到油缸的硅油。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 5：热电偶的安装位置。不同高度和紫穆特哈角度的温度信号可以分析行波特性。请点击此处查看此图形的较大版本。
图6：环形液体池的CCD图像（案例13，Vr Vr = 0.715）。图像能否识别液位是否攀升。也可以通过图像的边缘处理获得体积比。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 7：实时温度控制曲线（案例13，Vr = 0.715）。这是一个线性加热模式，速率为0.5°C/min。请点击这里查看此图的较大版本。
图 8：一段期间自由表面上的温度字段（案例13，Vr = 0.715）。（A） 水温波的红外热图像。（B） 对应的 3D 图形 （A）。（C）中原始图像的相应周期次平均值图像。冷区和热区成对交替出现。红色 = 高温;蓝色 = 低温。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 9：温度测量值（案例13，Vr = 0.715）。（左）温度振荡随着温差的增加而振荡。（右）（A）中信号的相应临界频谱。PSD = 功率光谱密度。请点击此处查看此图形的较大版本。
图10：无液体表面的振荡测量（案例 13，Vr Vr = 0.715）。（左）随着温差的增加而位移。（右）左侧面板中相应的信号频谱。当温差超过一定阈值时，位移将周期性地波动，振幅会随着温差的增加而增加。请点击此处查看此图形的较大版本。
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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。位移传感器的观察点应位于内径和外径的中心。
在忽略物理特性引起的误差后，可以得出实验参数的不确定性。热毛细管对流临界阈值的合成标准不确定性确定为1.11%。液体蒸发和体积读数等因素引起的体积比不确定度在4.00%以内，其中液池温度测量和几何尺寸造成的标准随机不确定性分别为0.05°C和0.01mm。步进电机为液体喷射/吸吸而实现的距离，电机的最小运动单位为1计数=3.5×10-6-6 mm。结合液体喷射/吸吸和液池几何尺寸带来的不确定因素，体积比的最终合成不确定性为4.07%。
由于卫星飞行时间有限，只获得了23组宝贵的空间实验数据，而且尚未进行大温差（40°C以上）的实验。此外，由于空间资源的限制，该模型与实际工业晶体生长方法相比缺乏自转功能。
在设备开发方面，解决了两个关键问题，即无液体表面的维护和无气泡的液体注入，这两个问题在空间实验的成功实施中起着关键作用。这两项关键技术也已成功应用于后来的空间实验，如天宫二号太空飞行任务，将来还将应用于额外的空间实验。
基于SJ10热压毛对流的实验装置和观测方法，可为流体力学、微重力物理、实际工业晶体生长等研究提供科学依据和技术支持。许多应用程序。
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Disclosures
我们没有什么可透露的。
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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