本文介绍了一种空间载荷设计的方案、关于热毛细对流的空间实验，以及实验数据与图像的分析方法。
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摘要
摘要
热毛细对流是微重力流体力学中的一个重要研究课题。环形液池中热毛细对流表面波的实验研究是中国SJ-10可回收卫星上开展的19项科学实验项目之一。本文介绍了一套用于空间热毛细对流实验研究的有效载荷设计，包括实验模型、测量系统和控制系统。文中详细说明了具有可变体积比的环形液池实验模型的构建方法。通过六个高灵敏度达0.05 °C的热电偶，在不同位置记录流体温度。利用红外热像仪获取液面自由表面的温度分布。采用精度高达1 µm的位移传感器检测自由表面的形变。整个实验过程实现全自动控制。本研究重点通过实验数据与图像分析，探讨液面自由表面上的热毛细振荡现象以及对流模式的转变。该研究将有助于深入理解热毛细对流的机理，并进一步揭示其非线性特征、流动失稳及分岔转变行为。
引言
在太空的微重力条件下，由于重力的缺失，会出现许多有趣的物理现象。在具有自由表面的液体中，会因温度梯度或浓度梯度而产生一种新的流动系统（即热毛细流动）。与地面上的传统对流不同，热毛细对流是空间环境中普遍存在的一种现象。作为微重力流体物理中一个非常重要的研究课题，已开展大量在轨及地面实验。近期，在“实践十号”可回收科学实验卫星上开展了关于热毛细对流的空间实验研究。该空间实验载荷由八个系统组成，分别为流体实验系统、液体储存与注入系统、温度控制系统、热电偶测量系统、红外热像仪、位移传感器、CCD图像采集系统和电控系统，如图1（左）所示。用于研究热毛细对流表面波的空间实验载荷如图1（右）所示。本研究聚焦于流动失稳、振荡现象及其转捩过程，这些是层流向混沌转变过程中的重要特征。对这些基础课题的研究对于强非线性流动的相关研究具有重要意义。
与由体积力驱动的浮力对流不同，热毛细对流是由两种不相溶流体界面处的表面张力引起的现象。表面张力的大小会随某些标量参数的变化而改变，这些参数包括温度、溶质浓度和电场强度。当这些标量场在界面处分布不均时，自由表面将产生表面张力梯度。自由表面上的流体在表面张力梯度的驱动下，从表面张力较小的区域流向表面张力较大的区域。这种流动最早由一位意大利物理学家卡洛·马拉戈尼（Carlo Marangoni）解释，因此被称为"马兰戈尼效应"1。自由表面上的马兰戈尼流动通过黏性作用传递至液体内部，从而形成所谓的马兰戈尼对流。
严格来说，在正常重力条件下，对于具有自由表面的流体系统，热毛细对流与浮力对流总是同时出现。通常情况下，对于宏观对流系统，热毛细对流的影响较小，相较于浮力对流往往被忽略。然而，在小尺度对流系统或微重力环境中，浮力对流会显著减弱甚至消失，此时热毛细对流将在流动系统中占据主导地位。长期以来，由于人类活动范围和研究方法的限制，研究主要集中在宏观尺度的浮力对流上2,3,4。然而，近几十年来，随着航空航天、薄膜技术、微机电系统（MEMS）和非线性科学等现代科技的迅速发展，对热毛细对流进行深入研究的需求日益迫切。
关于微重力流体动力学的研究具有重要的学术意义和应用前景。众多动力学家、物理化学家、生物学家和材料科学家聚集于此领域开展工作。Kamotani 和 Ostrach 在微重力条件下对环形液池中的热毛细对流进行了实验2,5,6,7,8，观察到了稳态流动、振荡流动及其临界条件。Schwabe 等人在类似的环形液池中研究了浮力-热毛细对流3,9，发现振荡流动最初表现为热毛细波，随后随着温差增大演变为更复杂的流动形态。2002年，Schwabe 和 Benz 等人报道了一组在俄罗斯FOTON-12卫星上进行的环形液池中热毛细对流实验4,10，其空间实验结果与地面实验结果一致。一些日本科学家在中国台湾国际空间站上开展了三组关于液桥热毛细对流的实验，称为“空间马兰戈尼实验”（Marangoni Experiment in Space, MEIS）11,12,13。这三次任务中应用了包括相机、红外热像仪、热电偶传感器以及三维粒子跟踪测速（3D-PTV）和光致变色技术在内的多种实验设备。研究人员确定了不同长径比下热毛细对流的临界条件，并观测到了三维（3D）流动结构。
在过去30年中，中国的微重力科学取得了蓬勃发展14,15,16，已开展多项空间微重力实验17,18。在流体物理领域，1999年在“实践五号”可回收卫星上首次开展了双层流体的微重力实验，利用粒子示踪方法获得了流动结构14。2004年，在“神舟四号”上开展了液滴热毛细迁移的研究，获得了迁移速度与临界马赫（Ma）数之间的关系15,16。2005年，在“尖兵四号”上开展了多气泡热毛细迁移的实验研究，当马赫数达到8,000时，获得了气泡的迁移规律，同时对气泡合并等问题也进行了研究17。2006年，在“实践八号”可回收卫星上开展了扩散传质的研究，首次将马赫-曾德尔干涉仪应用于空间实验，观测了扩散传质过程，并测定了扩散系数18。
近年来，一系列针对热毛细对流中振荡与分岔过程的地面实验研究相继开展，同时分析了浮力与热毛细力的耦合效应。实验结果表明，在地面实验中浮力效应不可忽略，在许多情况下起主导作用19,20,21,22。2016年，先后在天宫二号上开展了液桥内热毛细对流的微重力实验，并在返回式卫星SJ-10上开展了环形液池内热毛细对流的微重力实验23,24。本文介绍了SJ-10卫星上热毛细对流空间实验的有效载荷及其空间实验结果。这些方法将有助于深入探索热毛细振荡的机理。
为了观测热毛细对流中的对流模式转变、温度振荡以及液面自由表面的形变，实验中使用了六个热电偶、一台红外热像仪和一个位移传感器，以量化振荡的频率、振幅及其他物理量。通过对空间环境下热毛细对流中振荡现象与转变过程的研究，可以揭示微重力环境中热毛细对流的机理，从而为太空材料生长提供科学指导。此外，此类空间实验中的技术突破，例如无气泡液体表面维持技术和无气泡液体注入技术，将进一步提升流体物理领域微重力实验的简便性与技术水平。
本文介绍了在实践十号科学实验卫星上开展的热毛细表面波项目的载荷研制与空间实验。作为一项空间实验载荷，该热毛细对流系统具备较强的抗振能力，可有效防止剧烈冲击，尤其在卫星发射过程中具有良好的防护性能。为满足远程操作的要求，空间实验过程实现自动控制，空间实验数据可传输至飞船地面信号接收站，再传送到科学家的实验平台。
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方案
1. 实验系统的设计与准备
- 构建环形液池。
- 制作一个铜制环形液池，内径为 Ri = 4 mm，外径为 Ro = 20 mm，高度为 d = 12 mm。
- 使用直径为 RP = 20 mm 的聚砜板作为液池底部（见材料表）。
- 在靠近内壁处（距圆心6 mm）钻一个直径为 ϕ = 2 mm 的小孔，作为液体注入孔。
- 维持界面稳定。
- 在内、外侧壁上设置尖锐棱角（45°角）（图2）。
- 将防爬液21（见材料表）涂覆于内、外壁，高度超过12 mm。
- 准备工作液体的储存系统。
- 选用2 cSt硅油作为工作液体（见材料表）。
- 使用液压缸作为储存硅油的容器（见材料表）。
- 在启动前采用无气泡技术将工作液体注入液压缸。
注意：工作液体中悬浮的气泡将导致实验失败。- 通过将硅油加热至60 °C并施加小于<150 Pa的压力约6小时，排出其中的气体。
- 对液体储存系统抽真空，使其压力降至小于<200 Pa。
- 打开阀门，使硅油在无气体条件下填充至已抽真空的液压缸中（图3）。
- 搭建工作液体的注入系统。
- 选用步进电机驱动液体的注入或抽吸（见材料表）。
- 安装电磁阀以控制注入系统的通断（见材料表）。
- 通过万向节将步进电机与液体缸连接（图4）。
- 使用外径为4 mm的管道依次连接液体缸、电磁阀和注入孔。
2. 温度控制系统建立
- 将内筒用加热膜（电阻 Rt = 14.4 ± 0.5 Ω）包裹，并使用K型热电偶测量温度 Ti（参见材料表）。
- 在外壁对称安装六个制冷片（每两个制冷片并联为一组，共三组串联），并使用另一支K型热电偶测量外壁温度 To。
注意：温差为 ΔT = Ti - To。
3. 测量系统的建立
注意：所有设备均可通过软件进行控制。
- 在液体池内放置六个热电偶（T1 - T6），用于测量不同位置的温度。详细布局见图5。
- 将红外相机置于液面正上方，并旋转镜头调节焦距，以采集液面自由表面的温度场信息（见材料表）。
- 调节位移传感器，测量液面上某一特定点（r = 12 mm）的位移（见材料表）。
注：本实验载荷采用激光位移传感器，以实现100 µs的高速采样，该方法为超高精度测量，分辨率为1 µm，线性度为±0.1% F.S.。 - 使用CCD相机对准液面，记录自由表面的变化（见材料表，图6）。
注：有效像素数为752 x 582，最低照度为1.6 Lux/F2.0。
4. 实验流程
- 启动实验控制软件并打开电源按钮。
- 进行液体注入。
- 在电磁阀上施加 12 V 电压以打开阀门。
- 打开电机按钮，使电机以 2.059 mm 的步长推进，将 10,305 mL 的硅油注入液体池中。
- 关闭电磁阀电源以关闭电磁阀。
- 执行线性加热。
- 设置实验条件如下：加热目标温度 Ti = 50 °C；冷却目标温度 To = 15 °C；加热速率为 0.5 °C/min。
- 采集数据。
- 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。
- 点击数据采集系统的按钮，并使用计算机软件监控温度、位移及其他信息（图 7）。
- 关闭电源按钮。
注意：等待 1 小时，使热端和冷端的温度均达到环境温度，以便进行后续实验。
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结果
确定了精确的体积比，并基于CCD拍摄的图像重建了液面形貌。通过分析单点温度信号和位移振荡信号，确定了临界失稳条件并研究了振荡特性。通过红外图像随时间的变化，获得了流场结构并确定了流动模式的转变。通过对多个实验结果的综合分析，还可进一步研究流动特性、流动机理及分岔转捩过程。
已获取红外热成像图，以可视化无液表面在热毛细对流中的温度分布。观察到多种振荡流动模式，包括径向振荡或顺时针/逆时针周向旋转（图8）。热毛细流动首先失去稳定性，转变为径向振荡，随后发展为周向行进的旋转波。研究发现，稳定的热毛细对流会演化为驻波，继而转变为行波，最终形成行波与驻波的耦合状态。
在不同位置处的热毛细流动系统中的温度通过热电偶在特定体积比（Vr = 0.715）下进行测量。
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讨论
由于空间资源有限，设备整体体积仅为 400 mm × 352 mm × 322 mm，重量仅为 22.9 ± 0.2 kg。这在实验装置的选型与布局时极为不便，流路系统的构建因而成为关键步骤。因此，在液池两端设置温差，使流体能够产生一系列流动现象。为了在单次实验中观察到对流从稳定状态到振荡的全过程，选用透明且物理参数适宜的 2cSt 硅油作为工作液体。此外，由于表面张力的作用，液面呈弯曲状。位移传感器的观测点应位于内外直径的中心位置。
在忽略由物理性质引起的误差后，可获得实验参数的不确定度。热毛细对流临界阈值的合成标准不确定度确定为1.11%。由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，其中温度测量和液池几何尺寸引起的标准随机不确定度分别为0.05 °C和0.01 mm。步进电机实现液体注入/抽出的位移中，电机的最小运动单位为1计数 = 3.5 × 10-6 mm。结合液体注入/抽出及液池几何尺寸引入的不确定度，体积比的最终合成不确定度为4.07%。
由于卫星飞行时间有限，仅获得了23...
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
有许多参与者为本文报道的研究工作做出了贡献，包括我们项目团队的所有成员，以及来自航天员科研训练中心（ACC）和东软公司的一些人员。
本工作由中科院空间科学战略性先导科技专项：SJ-10返回式科学实验卫星（课题编号：XDA04020405 和 XDA04020202-05）以及国家自然科学基金联合基金（U1738116）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 防爬液 | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| 位移传感器 | Panasonic | HL-C1 | |
| 加热膜 | HongYu | 125 Q/W335.1A | |
| 液压缸 | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| 红外相机 | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693研究所 | 10257MW7C | |
| 电机 | PI | M-227 | |
| 电机控制器 | PI | C-863 | |
| 管道，4 mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| 聚砜板 | 507研究所 | ||
| 制冷芯片 | 中科 | 9502/065/021M | |
| 硅油，2 cSt | 信越 | KF-96 | |
| 电磁阀 | FESTO | MFH-2-M5 | |
| 温度控制器 | Eurotherm | 3304 | |
| 热电偶，K型 | 中北大学 | ZBDX-HTTK |
参考文献
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