우주 페이로드 설계를 위한 프로토콜, 열모세관 대류에 대한 공간 실험, 실험 데이터 및 이미지 분석이 이 백서에 제시되어 있습니다.
이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.
방법 논문
SJ-10 복구 가능한 위성의 열모세관 대류 공간 실험
* These authors contributed equally
이 논문에서
요약
초록
열모세관 대류는 미세 중력 유체 물리학에서 중요한 연구 주제입니다. 환상 액체 풀에서 열모세 체대류의 표면 파도에 대한 실험 연구는 SJ-10 복구 위성에 대한 19 개의 과학 실험 프로젝트 중 하나입니다. 제시된 것은 실험 모델, 측정 시스템 및 제어 시스템을 포함하는 열모세관 대류에 대한 공간 실험 연구를 위한 페이로드를 위한 설계입니다. 가변 체적 비를 가진 환상 액체 풀의 실험 모델 의 구성에 대한 세부 사항이 제공됩니다. 유체 온도는 서로 다른 지점에서 0.05 °C의 높은 감도를 가진 6 개의 열전대에 의해 기록됩니다. 액체 없는 표면의 온도 분포는 적외선 열 화상 카메라를 통해 캡처됩니다. 자유 표면 변형은 1 μm의 높은 정확도로 변위 센서에 의해 감지됩니다. 실험 과정은 완전히 자동화되어 있습니다. 이 연구는 실험 데이터 및 이미지 분석을 통해 액체가 없는 표면의 열모세관 진동 현상과 대류 패턴 전환에 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구는 열모세관 대류의 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 것이며, 열모세관 대류의 비선형 특성, 흐름 불안정성 및 분기 전이에 대한 추가 통찰력을 제공합니다.
서론
공간의 미세 인력 조건 하에서, 인력의 부재로 인해 많은 흥미로운 물리적 현상이 제시된다. 자유 표면이 있는 액체에는 온도 구배 또는 농도 구이에 의해 발생하는 새로운 유동 시스템(예: 열모세관 흐름)이 존재합니다. 지상의 전통적인 대류와는 달리, 열모세관 대류는 우주 환경에서 유비쿼터스 현상입니다. 그것은 미세 중력 유체 물리학에서 매우 중요한 연구 주제이기 때문에, 실험의 숫자는 우주뿐만 아니라 지상에서 수행되었습니다. 최근, 공간 실험 연구는 SJ-10 복구 과학 실험 위성에 열 모세관 대류에 수행되었다. 우주 실험 페이로드는 그림 1(왼쪽)과 같이 유체 실험 시스템, 액체 저장 및 분사 시스템, 온도 제어 시스템, 열전대 측정 시스템, 적외선 열화상 카메라, 변위 센서, CCD 이미지 수집 시스템 및 전기 제어 시스템 등 8개의 시스템으로 구성되었습니다. Figure 1 열모세선 대류의 표면 파에 대한 연구를 위한 공간 실험 페이로드는 그림 1(오른쪽)에 나와 있습니다. Figure 1 이 연구는 흐름의 불안정성, 진동 현상 및 전이에 초점을 맞추었으며, 이는 층류에서 혼돈으로의 전환 과정에서 중요한 특징입니다. 이러한 기본 과목에 대한 연구는 강한 비선형 흐름에 관한 연구에 큰 의미가 있습니다.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
프로토콜
1. 실험 시스템의 설계 및 준비
- 환상 액체 풀을 구성합니다.
- 내경에서 Ri = 4mm, 외경 에서 Ro = 20mm, d = 높이 12mm를 측정하는 구리 환상 액체 풀을 구축합니다.
- 리퀴드 풀의 바닥으로 직경 20mm의 RP = 20mm를 측정하는 폴리설폰 플레이트를 사용하십시오(재료 표참조).
- 액체 분사 구멍으로 내벽 (원의 중심에서 6mm 떨어져) 가까운 직경 2mm의 φ를 측정하는 작은 구멍을 드릴.
- 인터페이스를 유지 관리합니다.
- 내부 및 외부 측면 벽에 날카로운 모서리(45° 각도)를추가합니다(그림 2).
- 12mm보다 큰 높이로 내부 및 외벽에 크리핑 방지액체(21)(재료 표참조)를 적용합니다.
- 작업 액체의 저장 시스템을 준비합니다.
- 2cSt 실리콘 오일을 작동 액으로 선택합니다(재료
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
결과
정확한 부피비를 정의하고 CCD가 캡처한 이미지를 기반으로 액체 표면 지형을 재구성했습니다. 임계 불안정 상태를 결정하고 진동 특성은 단일 지점 온도 신호 및 변위 진동 신호에 대한 분석을 통해 연구되었습니다. 유량계의 구조를 수득하고, 유동 패턴의 전이를 시간이 지남에 따라 적외선 영상의 변화를 통해 결정하였다. 유량 특성, 유동 메커니즘 및 분기 전이는 여러 실험 결과에 대한 포괄적인 분석을 통해 연구할 수도 있습니다.
적외선 열 화상은 열모사 대류에서 액체가 없는 표면의 온도 분포를 시각화하기 위해 얻어졌습니다. 방사형 진동 또는 시계 방향/시계 반대 방향 원주 회전을 포함하는 다양한 진동 흐름 패턴이 관찰되었습니다(그림8). Thermocapillary 흐름은 먼저 안정성을 잃고 방사형 진동으로 전환한 .......
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
토론
공간 자원의 한계로 인해, 전체 장비의 부피는 단지 400 mm × 352 mm × 322 mm, 단지 22.9 ± 0.2 kg의 무게. 이것은 실험 장치를 선택하고 배치 할 때 매우 불편하며 유량 시스템의 구축이 중요한 단계가됩니다. 따라서, 증가온도차는 유체가 일련의 유동 현상을 생성할 수 있도록 액체 풀의 2단에 설정된다. 단일 실험에서 정상에서 진동까지 대류의 전체 공정을 관찰하기 위해 2cSt 실리콘 오일은 투명성과 적절한 물리적 매개 변수로 인해 작동 액체로 선택됩니다. 또한 표면 장력으로 인해 액체 표면이 구부러져 있습니다. 변위 센서의 관측점은 내부 및 외부 지름의 중심에 있어야 합니다.
물리적 특성으로 인한 오류를 무시하면 실험 매개 변수의 불확실성을 얻을 수 있습니다. 열모사 대류의 임계 임계값의 합성 표준 불확실성은 1.11%로 결정되었다. 액체 증발 및 부피 판독을 포함한 요인에 의한 부피 비율의 불확실성은 4.00% 이내이며, 그 중 액체 풀의 온도 측정 .......
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
공개 사항
우리는 공개 할 것이 없습니다.
감사의 글
이 논문에서 보고된 작업에 기여한 많은 참가자들이 있으며, 여기에는 프로젝트 팀의 모든 구성원뿐만 아니라 우주 비행사 연구 및 교육 센터 (ACC) 및 Neusoft의 일부 사람들이 포함되어 있습니다.
이 작품은 우주 과학에 대한 전략적 우선 순위 연구 프로그램에 의해 투자된다, 과학의 중국 아카데미: SJ-10 복구 과학 실험 위성 (그랜트 번호. XDA04020405 및 XDA04020202-05), 그리고 중국 국립 자연 과학 재단 (U1738116)의 공동 기금에 의해.
....액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 안티 크리핑 액체 | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| 변위 센서 | Panasonic | HL-C1 | |
| 난방 필름 | HongYu | 125 Q / W335.1A | |
| 유압 실린더 | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| 적외선 카메라 | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 Institute | 10257MW7C | |
| Montor | PI | M-227 | |
| Montor 컨트롤러 | PI | C-863 | |
| 파이프, 4mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| 폴리 설폰 플레이트 | 507 Institute | ||
| 냉동 칩 | Zhongke | 9502 / 065 / 021M | |
| 실리콘 오일, 2cSt | Shin-Etsu | KF-96 | |
| 솔레노이드 | FESTO | MFH-2-M5 | |
| 온도 컨트롤러 | Eurotherm | 3304 | |
| 열전대, K형 | 중국 북부 대학 | ZBDX-HTTK |
참고문헌
- Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
- Kamotani, Y., Chang, A., Ostrach, S. Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers. 290, https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/ 53-59 (1994).
- Benz, S., Schwabe, D.
액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
재인쇄 및 허가
