Name: SJ-10 복구 가능한 위성의 열모세관 대류 공간 실험 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: 배우세요 열모세관 대류 실험을 위한 소형 우주 페이로드 설계 방법을. SJ-10 위성을 활용한 미중력 유체 물리학 연구에서 온도 진동과 표면 변형을 관찰하는 기술을 익히세요.

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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.

1. 실험 시스템의 설계 및 준비
<ol><li>환상 액체 풀을 구성합니다.<ol>
<li>내경에서 Ri = 4mm, 외경 에서 Ro = 20mm, d = 높이 12mm를 측정하는 구리 환상 액체 풀을 구축합니다.</li>
		<li>리퀴드 풀의 바닥으로 직경 20mm의 RP = 20mm를 측정하는 폴리설폰 플레이트를 사용하십시오(재료 표참조).</li>
		<li>액체 분사 구멍으로 내벽 (원의 중심에서 6mm 떨어져) 가까운 직경 2mm의 φ를 측정하는 작은 구멍을 드릴.</li>
	</ol>
</li>
	<li>인터페이스를 유지 관리합니다.<ol>
<li>내부 및 외부 측면 벽에 날카로운 모서리(45° 각도)를추가합니다(그림 2).</li>
		<li>12mm보다 큰 높이로 내부 및 외벽에 크리핑 방지액체(21)(재료 표참조)를 적용합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>작업 액체의 저장 시스템을 준비합니다.<ol>
<li>2cSt 실리콘 오일을 작동 액으로 선택합니다(재료 표참조).</li>
		<li>실리콘 오일을 저장하기 위한 용기로 유압 실린더를 사용하십시오(재료 표참조).</li>
		<li>발사 전에 버블 프리 기술을 사용하여 작동 유체를 유압 실린더에 주입하십시오. 참고: 작동 유체에 현탁된 기포는 실험실패를 초래합니다.<ol>
<li>액체를 60°C로 가열하고 약 6시간 동안 압력 <150 Pa를 가하여 실리콘 오일 내의 가스를 배출한다.</li>
			<li>액체 저장 시스템의 압력이 <200 Pa가 될 때까지 진공 청소기를 청소합니다.</li>
			<li>실리콘 오일이 가스 없이 진공 실린더를 채울 수 있도록 밸브를 완화합니다(그림3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>작동 액에 대한 사출 시스템을 설정합니다.<ol>
<li>액체의 분사 또는 흡입을 구동하는 스텝 모터를 선택합니다(재료 표참조).</li>
		<li>솔레노이드 밸브를 적용하여 사출 시스템의 온-오프 스위치를 제어합니다(재료 표참조).</li>
		<li>범용 조인트(그림4)를사용하여 스텝 모터를 액체 실린더에 연결합니다.</li>
		<li>액체 실린더, 솔레노이드 밸브 및 사출 구멍을 외부 직경 4mm의 파이프로 연속적으로 연결합니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 온도 조절 시스템 구축
<ol><li>내부 실린더를 가열 필름(저항 Rt = 14.4±0.5 Ω)으로 포함하고 K형 열전쌍으로 온도 Ti를 측정합니다(재료 표참조).</li>
	<li>6개의 냉동 칩(2개의 칩마다 그룹으로 병렬로 연결되고 3개의 그룹이 직렬로 연결됨)을 외벽에 대칭적으로 부착하고 추가 K형 열전형을 사용하여 외벽 온도 To를 얻습니다. 참고 : 온도 차이는 ΔT = Ti - To입니다.</li>
</ol>3. 측정시스템 구축
참고: 모든 장치는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있습니다.
<ol><li>액체 풀 내부에 6개의 열전대(TT1 - T6)를놓아 서로 다른 지점에서 온도를 측정합니다. 자세한 레이아웃은 그림 5에나와 있습니다.</li>
	<li>적외선 카메라를 액체 표면 바로 위에 놓고 렌즈를 회전하여 초점을 조정하고 액체가 없는 표면의 온도 필드 정보를 수집합니다(재료 표참조).</li>
	<li>변위 센서를 조정하여 액체 표면의 특정지점(r = 12mm)의 변위를 측정합니다(재료 표참조). 참고: 레이저 변위 센서는 100μs 고속 샘플링을 실현하기 위해 이 페이로드에 사용되며, 이는 1 μm의 해상도와 ± 0.1% F.S의 선형성을 가진 초고정밀 측정 방법입니다.</li>
	<li>액체 표면에 CCD 카메라토 포커스를 사용하고 자유 표면의 변화를 기록합니다(재료 표, 그림 6참조). 참고: 유효 픽셀 수는 752 x 582이고 최소 조명은 1.6 Lux/F2.0입니다.</li>
</ol>4. 실험 과정
<ol><li>실험 제어 소프트웨어를 시작하고 전원 버튼을 켭니다.</li>
	<li>액체 주입을 수행합니다.<ol>
<li>솔레노이드 밸브에 12V를 적용하여 엽니다.</li>
		<li>모터 버튼을 켜면 모터를 2.059mm의 단계로 누르고 10,305 mL의 실리콘 오일을 액체 풀에 주입합니다.</li>
		<li>솔레노이드 밸브 전원을 끄고 솔레노이드 밸브를 닫습니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>선형 가열을 수행합니다.<ol>
<li>다음과 같이 실험 조건을 설정: 가열 대상 온도 Ti = 50°C; 냉각 목표 온도 To = 15 °C; 및 가열 속도 = 0.5 °C / 분.</li>
	</ol>
</li>
	<li>데이터를 수집합니다.<ol>
<li>적외선 이미저, 열전대, 변위 센서 및 CCD의 해당 샘플링 주파수를 각각 7.5Hz, 20Hz, 20Hz 및 25Hz로 설정합니다.</li>
		<li>데이터 수집 시스템의 버튼을 클릭하고 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 온도, 변위 및 기타 정보를 모니터링합니다(그림7).</li>
	</ol>
</li>
	<li>전원 버튼을 끕니다. 참고: 다음 실험의 온도와 냉기 끝의 온도가 주변 온도와 같을 때까지 1시간 정도 기다립니다.</li>
</ol>

<ol><li>Scriven, L. E., Sternling, C. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Marangoni+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The Marangoni effect.</a> Nature. 187, 186-188 (1960).</li>
<li>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, <a target="_blank" href="https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/">https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/</a> 53-59 (1994).</li>
<li>Benz, S., Schwabe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+three-dimensional+stationary+instability+in+dynamic+thermocapillary+shallow+cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities.</a> Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).</li>
<li>Schwabe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buoyant-thermocapillary+and+pure+thermocapillary+convective+instabilities+in+Czochralski+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Crystal+Growth%22%5BJournal%5D)">Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems.</a> Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+velocity+data+taken+in+surface+tension+drivenconvection+experiment+in+microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Analysis of velocity data taken in surface tension drivenconvection experiment in microgravity.</a> Physics of Fluids. 6, 3601-3609 (1994).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+thermocapillary+convection+experiment+in+microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">A thermocapillary convection experiment in microgravity.</a> Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+temperature+field+results+from+the+thermocapillary+flow+experiment+aboard+USML-2+spacelab%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Space+Research%22%5BJournal%5D)">Some temperature field results from the thermocapillary flow experiment aboard USML-2 spacelab.</a> Advances in Space Research. 22, 1189-1195 (1998).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Masud, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgravity+experiments+and+analysis+of+oscillatory+thermocapillary+flows+in+cylindrical+containers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Microgravity experiments and analysis of oscillatory thermocapillary flows in cylindrical containers.</a> Journal of Fluid Mechanics. 410, 211-233 (2000).</li>
<li>Schwabe, D., Benz, S., Cramer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experiment+on+the+Multi-roll-structure+of+thermocapillary+flow+in+side-heated+thin+liquid+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Space+Research%22%5BJournal%5D)">Experiment on the Multi-roll-structure of thermocapillary flow in side-heated thin liquid layers.</a> Advances in Space Research. 24 (10), 1367-1373 (1999).</li>
<li>Schwabe, D., Benz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermocapillary+flow+instabilities+in+an+annulus+under+microgravity+results+of+the+experiment+MAGIA%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Space+Research%22%5BJournal%5D)">Thermocapillary flow instabilities in an annulus under microgravity results of the experiment MAGIA.</a> Advances in Space Research. 29, 629-638 (2002).</li>
<li>Kawamura, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Report+on+Microgravity+Experiments+of+Marangoni+Convection+Aboard+International+Space+Station%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station.</a> Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005(2012).</li>
<li>Sato, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Wave+Instability+in+a+High-Aspect-Ratio+Liquid+Bridge+of+Pr+%3E+200%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Wave Instability in a High-Aspect-Ratio Liquid Bridge of Pr > 200.</a> Microgravity Science and Technology. 25 (1), 43-58 (2013).</li>
<li>Yano, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Instability+and+associated+roll+structure+of+Marangoni+convection+in+high+Prandtl+number+liquid+bridge+with+large+aspect+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Instability and associated roll structure of Marangoni convection in high Prandtl number liquid bridge with large aspect ratio.</a> Physics of Fluids. 27 (2), 024108(2015).</li>
<li>Yao, Y. L., Liu, Q. S., Zhang, P., Hu, L., Liu, F., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Space+Experiments+on+Thermocapillary+Convection+and+Marangoni+Convection+in+Two+Immiscible+Liquid+Layers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Japan+Society+of+Microgravity+Application%22%5BJournal%5D)">Space Experiments on Thermocapillary Convection and Marangoni Convection in Two Immiscible Liquid Layers.</a> Journal of the Japan Society of Microgravity Application. 15, 394-398 (1998).</li>
<li>Zhang, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Space+experimental+device+on+Marangoni+drop+migrations+of+large+Reynolds+numbers%5BTitle%5D)+AND+%22Science+in+China%22%5BJournal%5D)">Space experimental device on Marangoni drop migrations of large Reynolds numbers.</a> Science in China. 44 (6), Series E. 605-614 (2001).</li>
<li>Xie, J. C., Lin, H., Zhang, P., Liu, F., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+investigation+on+thermocapillary+drop+migration+at+large+Marangoni+number+in+reduced+gravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Experimental investigation on thermocapillary drop migration at large Marangoni number in reduced gravity.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 285, 737-743 (2005).</li>
<li>Kang, Q., Cui, H. L., Hu, L., Duan, L., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+Investigation+on+bubble+coalescence+under+non-uniform+temperature+distribution+in+reduced+gravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Experimental Investigation on bubble coalescence under non-uniform temperature distribution in reduced gravity.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 310, 546-549 (2007).</li>
<li>Duan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+real-time+March-Zehnder+interferometer+used+in+space+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment.</a> Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).</li>
<li>Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characteristics+of+surface+oscillation+in+thermocapillary+convection%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Thermal+and+Fluid+Science%22%5BJournal%5D)">Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).</li>
<li>Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+to+chaos+in+thermocapillary+convection%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Heat+and+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">Transition to chaos in thermocapillary convection.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).</li>
<li>Kang, Q., Duan, L., Zhang, L., Yin, Y. L., Yang, J. S., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermocapillary+convection+experiment+facility+of+an+open+cylindrical+annuli+for+SJ-10+satellite%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Thermocapillary convection experiment facility of an open cylindrical annuli for SJ-10 satellite.</a> Microgravity Science and Technology. 28, 123-132 (2016).</li>
<li>Wang, J., Wu, D., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ground+Experiment+on+the+Instability+of+Buoyant-thermocapillary+Convection+in+Large+Scale+Liquid+Bridge+with+Large+Prandtl+Number%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Heat+and+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">Ground Experiment on the Instability of Buoyant-thermocapillary Convection in Large Scale Liquid Bridge with Large Prandtl Number.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 108, 2107-2119 (2017).</li>
<li>Kang, Q., Jiang, H., Duan, L., Zhang, C., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Critical+Condition+and+Oscillation+-+Transition+Characteristics+of+Thermocapillary+Convection+in+the+Space+Experiment+on+SJ-10+Satellite%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Heat+and+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">The Critical Condition and Oscillation - Transition Characteristics of Thermocapillary Convection in the Space Experiment on SJ-10 Satellite.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 135, 479-490 (2019).</li>
<li>Kang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+volume+ratio+effect+on+flow+patterns+and+transition+processes+of+thermocapillary+convection%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">The volume ratio effect on flow patterns and transition processes of thermocapillary convection.</a> Journal of Fluid Mechanics. 868 (108), 560-583 (2019).</li>
</ol>

우리는 공개 할 것이 없습니다.

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 ...

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.
부피력에 의해 구동되는 부력 대류와 달리, 열모세관 대류는 두 개의 불협화음 유체 사이의 계면 내의 표면 장력에 의해 발생하는 현상입니다. 표면 장력의 크기는 온도, 용광농도 및 전기장 강도를 포함한 일부 스칼라 파라미터에 따라 변경됩니다. 이러한 스칼라 필드가 인터페이스에서 고르지 않게 분포되면 자유 표면에 표면 장력 그라데이션이 존재하게 됩니다. 자유 표면의 유체는 표면 장력 구배가 더 적은 표면 장력을 가진 위치에서 더 큰 표면 장력을 가진 위치로 이동하도록 구동됩니다. 이 흐름은 이탈리아의 물리학자 카를로 마랑고니에 의해 처음 해석되었다. 따라서, 그것은 "마랑고니효과"1명명되었다 . 자유 표면에 마랑고니 흐름은 점도에 의해 내부 액체로 확장하고 그 결과 마랑고니 대류로 알려진 것을 생성한다.
엄밀히 말하면, 자유 표면의 유체 시스템의 경우, 열모세관 대류 및 부력 대류는 항상 정상 중력 하에서 동시에 나타납니다. 일반적으로 거시적 대류 시스템의 경우, 열모세관 대류는 사소한 효과이며 일반적으로 부력 대류와 비교하여 무시됩니다. 그러나 소규모 대류 시스템 또는 미세 중력 환경에서 부력 대류가 크게 약화되거나 사라지며 열모세관 대류가 유동 시스템에서 지배적이 될 것입니다. 장기간 동안, 연구는 인간의 활동과 연구 방법의 한계로 인해 거시 적 규모의 부력 대류에 초점을 맞추고있다2,,3,,4. 그러나 최근 수십 년 동안 항공 우주, 필름, MEMS 및 비선형 과학과 같은 현대 과학 및 기술의 급속한 발전으로 열모세관 대류에 대한 추가 연구의 필요성이 점점 더 절실해지고 있습니다.
미세 중력 유체 역학에 관한 연구는 중요한 학문적 중요성과 응용 전망을 가지고있다. 많은 역학자, 물리 화학자, 생물학자 및 재료 과학자들이 이 분야에서 일하기 위해 모였습니다. 카모타니와 오스트라흐는 미세 중력 조건2,,5,,6,,7,,8하에서 환형 액체 풀에서 열모세 체소대류에 대한 실험을 완료하고 꾸준한 흐름, 진동 흐름 및 임계 조건을 관찰했습니다. Schwabe 등은 유사한 환형 액체 풀3,,9에서 부력-열모세관 대류를 연구하고 진동 흐름이 먼저 열모세관 파동으로 나타난 것을 발견하고 온도 차이의 증가와 함께 더 복잡한 흐름으로 전환했습니다. 에서 2002, 슈바베와 벤츠 등. 러시아 FOTON-12 위성에 수행 환상 액체 풀에서 열 모세관 대류에 실험의 그룹을보고4,,10. 그들의 공간 실험 결과는 지상 실험 결과와 일치하였다. 일부 일본 과학자들은 국제 우주,정거장11,,12,13에서마랑고니 우주 실험 (MEIS)이라는 이름의 액체 다리 열모세관 대류에 대한 세 가지 일련의 실험을 수행했습니다. 카메라, 열화상, 써모커플 센서, 3D-PTV 및 광변색 기술을 포함한 일부 실험 장비가 이 세 가지 작업에 적용되었습니다. 서로 다른 종횡비에서 열모세관 대류의 임계 조건을 결정하고 3차원(3D) 유동 구조를 관찰했습니다.
지난 30년,동안, 미세중력 과학은 중국에서14, 15,,16,그리고15우주17,18에서다수의 미세 중력 실험이 수행되어 왔다., 유체 물리학 분야에서, 첫 번째 미세 중력 실험은 1999년에 SJ-5 회수 가능한 위성에서 2층 유체에 대한 연구였으며, 입자 추적 방법14에의해 유동 구조를 얻었다. 2004년, SZ-4에서 액적의 열모세관 이동에 대한 연구가 수행되었고, 이동 속도와 임계 마하(Ma) 수 사이의 관계가15,,16을얻었다. 2005년, JB-417에서다중 버블 열모세관 이동에 대한 실험 연구가 수행되었고, Ma 수가 8,000명으로 증가함에 따라 이동 규칙이 얻어졌다. 한편, 버블 병합과 같은 문제도 연구되었다. 2006년, SJ-8 회수 가능한 위성에서 확산 질량 전달에 대한 연구가 수행되었고, 마하-젠더간섭계가 우주 실험에서 처음 적용되었고, 확산 질량 전달 과정이 관찰되었고, 확산 계수를평가하였다 18.
최근에는 열모세관 대류의 진동 및 분기 공정에 초점을 맞춘 일련의 지상 실험 연구가 수행되었으며 부력과 열모세관력의 결합 효과가 분석되었습니다. 실험 결과는19,,20,,21,,22의많은 경우에 지배적인 역할을 하기 때문에 지상 실험에서 부력 효과를 무시할 수 없다는 것을 보여준다. 2016년, TG-2의 액체 교량에서 열모세체 대류를 연구하기 위한 2개의 미세 중력 실험이 수행되었고, SJ-10 회수 가능한 위성23,,24의환상 액체 풀에서 열모세관 대류를 연구하였다. 본 논문은 SJ10에 열모세체 대류의 실험 페이로드를 소개하고, 우주 실험 결과를 소개합니다. 이러한 방법은 열모세관 진동의 메커니즘을 탐구하는 데 도움이 될 것입니다.
대류 패턴 전이, 온도 진동 및 액체가 없는 표면 변형을 관찰하기 위해 6개의 열전대, 적외선 열화상 카메라 및 변위 센서를 사용하여 주파수, 진폭 및 기타 물리적 양을 정량화합니다. 진동을 사용했습니다. 공간의 열모사 대류의 진동 및 전이에 대한 조사를 통해 우주에서 재료의 성장에 대한 과학적 지침을 제공하는 미세 중력 환경에서 열모세관 대류 메커니즘이 될 수 있습니다. 발견하고 이해합니다. 또한, 기포가 없는 액체 표면 유지 보수 및 액체 주입 기술과 같은 우주 실험의 기술적 돌파구는 유체의 미세 중력 실험의 단순성과 기술적 수준을 더욱 향상시킬 것입니다. 물리학.
이 논문은 SJ-10 과학 실험 위성에서 수행된 열모세관 표면파 프로젝트의 페이로드 개발 및 우주 실험을 소개합니다. 우주 실험 페이로드로서, 이 열모세관 대류 시스템은 특히 위성 발사 과정에서 격렬한 충격을 방지하는 강력한 진동 방지 능력을 가지고 있습니다. 원격 작동의 요구 사항을 충족하기 위해, 우주 실험 과정은 자동으로 제어되고, 우주 실험 데이터는 우주선의 지상 신호 수신 스테이션에 다음 과학자의 실험에 전송 될 수있다 플랫폼.

<table><tbody><tr><td>안티 크리핑 액체</td><td>3M</td><td>EGC-1700</td><td></td></tr><tr><td>CCD</td><td>WATTEC</td><td>WAT-230VIVID</td><td></td></tr><tr><td>변위 센서</td><td>Panasonic</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>난방 필름</td><td>HongYu</td><td>125 Q / W335.1A</td><td></td></tr><tr><td>유압 실린더</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>적외선 카메라</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693 Institute</td><td>10257MW7C</td><td></td></tr><tr><td>Montor</td><td>PI</td><td>M-227</td><td></td></tr><tr><td>Montor 컨트롤러</td><td>PI</td><td>C-863</td><td></td></tr><tr><td>파이프, 4mm</td><td>FESTO</td><td>PUN-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>폴리 설폰 플레이트</td><td>507 Institute</td><td></td><td></td></tr><tr><td>냉동 칩</td><td>Zhongke</td><td>9502 / 065 / 021M</td><td></td></tr><tr><td>실리콘 오일, 2cSt</td><td>Shin-Etsu</td><td>KF-96</td><td></td></tr><tr><td>솔레노이드</td><td>FESTO</td><td>MFH-2-M5</td><td></td></tr><tr><td>온도 컨트롤러</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>열전대, K형</td><td>중국 북부 대학</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

sj-10 복구 가능한 위성의 열모세관 대류 공간 실험

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

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.

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 ...

우주 페이로드 설계를 위한 프로토콜, 열모세관 대류에 대한 공간 실험, 실험 데이터 및 이미지 분석이 이 백서에 제시되어 있습니다.

SJ-10 복구 가능한 위성의 열모세관 대류 공간 실험

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary ...

온도 조절 대류에서 진동및 분기의 효과를 이해하는 것은 우주의 강한 비선형 흐름에 대한 연구에 중요합니다. 제한된 공간 자원과 조건으로 인해 실험 적 탑재량은 크기가 작고 무게가 가볍고 진동 방지 능력을 가져야합니다. 액체 표면 유지 보수 및 거품없이 액체 주입과 같은 공간 기술 혁신은 유체 물리학에서 미세 중력 실험의 기술적 능력을 더욱 향상시킬 수 있습니다.대류 전이, 온도 진동 및 액체의 표면 변형을 관찰하려면 열전대적외선 열화상 카메라 및 변위 센서를 사용해야 합니다. 절차를 시연하는 것은 내 실험실에서 기술자 인 왕지아, 우 디, 후 량입니다. 직경 4밀리미터의 내부 반경과 직경 20밀리미터의 외부 반경과 12mm높이의 구리 환상 액체 풀을 구성하는 것으로 시작합니다.액체 풀의 바닥으로 20mm 직경의 폴리설폰 플레이트를 사용하고, 액체 주입 구멍으로 플레이트의 중심에서 6밀리미터 떨어진 작은 2밀리미터 직경의 구멍을 뚫습니다. 내부 및 외부 측면 벽에 45도 각도의 날카로운 모서리를 추가하고 내부 및 외부 벽에 크리프 방지 액체를 12mm 이상의 높이로 적용합니다. 다음으로, 적절한 저점도 실리콘 오일을 작동 유체로 선택하고 액체를 섭씨 60도로 가열합니다.오일에서 가스를 배출하려면 6시간 동안 150개 미만의 압력 파스칼을 적용한 다음 압력이 200파스칼 이하로 도달할 때까지 액체 저장 시스템의 진공 청소기를 진공 청소합니다. 그런 다음 실리콘 오일이 가스없이 진공 실린더를 채울 수 있도록 밸브를 완화합니다. 작동 액체에 대한 사출 시스템을 설정하려면 스텝 모터를 선택하여 액체의 주입 및 흡입을 구동하고 솔레노이드 밸브를 적용하여 사출 시스템의 온/오프 스위치를 제어합니다.범용 조인트를 사용하여 스텝 모터를 액체 실린더에 연결하고 4mm 외경 파이프를 사용하여 액체 실린더, 솔레노이드 밸브 및 사출 구멍을 연속적으로 연결합니다. 측정 시스템을 설정하려면 그림에 나와 같이 6개의 열전대를 액체 풀 내부에 배치하여 다른 지점에서 온도를 측정합니다. 적외선 카메라를 액체 표면 바로 위에 놓고 렌즈를 회전하여 초점을 조정하고 액체가 없는 표면에서 온도 필드 정보를 수집합니다.변위 센서를 조정하여 액체 표면에 대한 특정 관심 지점의 변위를 측정하고 CCD 카메라를 사용하여 액체 표면에 집중합니다. 그런 다음 자유 표면의 변화를 기록합니다. 실험을 시작하려면 실험 제어 소프트웨어를 시작하고 전원 버튼을 켭니다.액체 주입을 수행하려면 솔레노이드 밸브에 12볼트를 적용하여 밸브를 엽니다. 다음으로 모터 버튼을 켜서 2.059밀리미터의 단계에서 모터를 시작하여 10, 305 밀리리터의 실리콘 오일을 액체 풀에 주입합니다. 모든 오일이 전달되면 솔레노이드 밸브 전원을 끄면 솔레노이드 밸브를 닫습니다.선형 가열을 수행하려면 가열 대상 온도를 섭씨 50도, 냉각 대상 온도를 섭씨 15도로 설정하고 가열 속도를 분당 섭씨 0.5도로 설정합니다. 데이터 수집의 경우 적외선 이미거의 샘플링 주파수를 7.5 헤르츠로 설정하고, 열전대 주파수 및 변위 센서를 20 헤르츠로, CCD 주파수를 24 헤르츠로 설정합니다. 모든 매개 변수가 설정된 경우 데이터 수집 시스템 단추를 클릭하고 컴퓨터 소프트웨어에 대한 온도, 변위 및 기타 관심 정보를 모니터링합니다.분석이 끝나면 전원을 끕니다. 이러한 실험 모델 및 측정 방법은 SJ-10 위성의 이 탑재하중에 통합되었습니다. 표면 파 열수체 대류에 대한 23 개의 미세 중력 실험이 완료됩니다.열모세혈관 대류의 액체가 없는 표면에서 온도 분포의 이러한 적외선 열 화상에서, 방사형 진동및 시계 방향 및 반시계 방향으로 및 반시계 방향으로 둘레 회전을 포함하여 다양한 진동 흐름 패턴을 관찰할 수 있다. 본 대표적인 실험에서, 유체 내부의 온도는 온도 차가 증가함에 따라 선형적으로 증가했으며, 온도 차가 일정 임계값을 초과하면 온도필드가 주기적으로 변동하여 온도 조절 상태로 유지된 온도 조절성 상태로 열모도열피 대류가 개발되었음을 나타낸다. 또한, 진동 온도의 진폭은 유동장이 진화함에 따라 증가했으며, 이 스펙트럼 분석에 나타난 바와 같이, 중요한 진동 주파수가 0.064 헤르츠임을 나타냈다.소규모 지상 시스템의 부력 대류가 약화되었지만, 흐름은 여전히 열모도피 및 부력 대류의 결합이었고, 우주 실험 결과에서 다른 결과가 관찰된 결과와 비교하여 지상 실험에서 얻은 결과와 비교되었다. 변위 센서에 의해 측정된 액체 없는 표면에 대한 많은 변형 데이터와 열전대에서 측정된 유체의 온도 데이터를 비교하여, 또한 유체의 표면 변형 및 온도 장이 동시에 동시에 진동하기 시작했다는 것을 관찰하였다. 이 두 가지 핵심 기술, 유체 표면의 유지 보수 및 거품 형성없이 액체의 주입은 실험 공간 연구에서 필수적인 역할을합니다.우리는 현재의 작품이 이러한 기술을 시도하는 데 관심이있는 시청자에게 과학적 근거와 기술 적 지원을 제공 할 수 있기를 바랍니다.

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연구

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배우세요 열모세관 대류 실험을 위한 소형 우주 페이로드 설계 방법을. SJ-10 위성을 활용한 미중력 유체 물리학 연구에서 온도 진동과 표면 변형을 관찰하는 기술을 익히세요.

SJ-10 복구 가능한 위성의 열모세관 대류 공간 실험

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