W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.
Konwekcja termokapilarna jest ważnym tematem badań w fizyce płynów mikrograwitacji. Eksperymentalne badania fal powierzchniowych konwekcji termokapilarnej w pierścieniowym basenie cieczy są jednym z 19 eksperymentalnych projektów naukowych dotyczących odzyskiwalnego satelity SJ-10. Przedstawiono projekt ładunku użytecznego do eksperymentalnego badania kosmicznego konwekcji termokapilarnej, który obejmuje model eksperymentalny, system pomiarowy i system sterowania. Przedstawiono specyfikę budowy eksperymentalnego modelu pierścieniowego basenu cieczy o zmiennych proporcjach objętości. Temperatury cieczy są rejestrowane przez sześć termopar o wysokiej czułości 0,05 °C w różnych punktach. Rozkłady temperatur na powierzchni wolnej od cieczy są rejestrowane za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień. Swobodne odkształcenie powierzchni jest wykrywane przez czujnik przemieszczenia z dużą dokładnością 1 μm. Proces eksperymentalny jest w pełni zautomatyzowany. Badania koncentrują się na zjawiskach oscylacji termokapilarnych na powierzchni wolnej od cieczy oraz przejściach wzorca konwekcyjnego poprzez analizę danych eksperymentalnych i obrazów. Badania te będą pomocne w zrozumieniu mechanizmu konwekcji termokapilarnej i dostarczą dalszych informacji na temat charakterystyki nieliniowej, niestabilności przepływu i przejść bifurkacyjnych konwekcji termokapilarnej.
W warunkach mikrograwitacji w kosmosie, wiele interesujących zjawisk fizycznych jest prezentowanych ze względu na brak grawitacji. W cieczy o swobodnej powierzchni występuje nowy układ przepływu (tj. przepływ termokapilarny), który jest spowodowany gradientem temperatury lub gradientem stężenia. W odróżnieniu od tradycyjnej konwekcji naziemnej, konwekcja termokapilarna jest zjawiskiem wszechobecnym w środowisku kosmicznym. Ponieważ jest to bardzo ważny temat badawczy w fizyce płynów w mikrograwitacji, przeprowadzono szereg eksperymentów zarówno w kosmosie, jak i na ziemi. Ostatnio przeprowadzono kosmiczne badania eksperymentalne nad konwekcją termokapilarną na satelicie do eksperymentów naukowych SJ-10. Ładunek eksperymentu kosmicznego składał się z ośmiu systemów, a mianowicie systemu eksperymentowania z płynami, systemu magazynowania i wtryskiwania cieczy, systemu kontroli temperatury, systemu pomiaru termopary, kamery termowizyjnej na podczerwień, czujników przemieszczenia, systemu akwizycji obrazu CCD i elektrycznego systemu sterowania, jak pokazano na rysunku 1 (po lewej). Ładunek eksperymentu kosmicznego do badań nad powierzchniowymi falami konwekcji termokapilarnej pokazano na rysunku 1 (po prawej). Badania te koncentrowały się na niestabilności przepływu, zjawiskach oscylacji i przejściach, które są ważnymi cechami w procesie przejścia od przepływu laminarnego do chaosu. Badania nad tymi fundamentalnymi tematami mają ogromne znaczenie dla badań nad silnym przepływem nieliniowym.
W przeciwieństwie do konwekcji wyporu napędzanej siłą objętości, konwekcja termokapilarna jest zjawiskiem spowodowanym napięciem powierzchniowym na granicy między dwoma niemieszającymi się płynami. Wielkość napięcia powierzchniowego zmienia się wraz z niektórymi parametrami skalarnymi, w tym temperaturą, stężeniem substancji rozpuszczonej i natężeniem pola elektrycznego. Gdy te pola skalarne rozprowadzają się nierównomiernie w interfejsie, na swobodnej powierzchni będzie obecny gradient napięcia powierzchniowego. Płyn na swobodnej powierzchni jest napędzany przez gradient napięcia powierzchniowego, aby przemieszczać się z miejsca o mniejszym napięciu powierzchniowym do miejsca o większym napięciu powierzchniowym. Przepływ ten został po raz pierwszy zinterpretowany przez włoskiego fizyka, Carlo Marangoni. Stąd nazwano go "efektem Marangoni"1. Przepływ marangoni na swobodnej powierzchni rozciąga się na wewnętrzną ciecz pod wpływem lepkości i w rezultacie generuje tak zwaną konwekcję Marangoni.
Ściśle mówiąc, dla układu płynów z wolną powierzchnią, konwekcja termokapilarna i konwekcja wyporu zawsze występują jednocześnie w normalnej grawitacji. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku makroskopowego układu konwekcyjnego konwekcja termokapilarna jest niewielkim efektem i jest zwykle ignorowana w porównaniu z konwekcją wyporu. Jednak w warunkach konwekcji na małą skalę lub w środowisku mikrograwitacji konwekcja wyporu zostanie znacznie osłabiona lub nawet zniknie, a konwekcja termokapilarna stanie się dominująca w systemie przepływowym. Przez długi okres czasu badania koncentrowały się na konwekcji wyporu w skali makro ze względu na ograniczenia w działalności człowieka i metodach badawczych2,3,4. Jednak w ostatnich dziesięcioleciach, wraz z szybkim rozwojem nowoczesnej nauki i technologii, takiej jak lotnictwo, film, MEMS i nauka nieliniowa, potrzeba dalszych badań nad konwekcją termokapilarną staje się coraz pilniejsza.
Badania dotyczące hydrodynamiki mikrograwitacji mają ważne znaczenie akademickie i perspektywy zastosowania. Wielu dynamików, fizykochemików, biologów i materiałoznawców zebrało się, aby pracować w tej dziedzinie. Kamotani i Ostrach przeprowadzili eksperymenty nad konwekcją termokapilarną w pierścieniowym basenie cieczy w warunkach mikrograwitacji2,5,6,7,8 i zaobserwowali stały przepływ, przepływ oscylacyjny i warunki krytyczne. Schwabe i in. badali konwekcję wyporowo-termokapilarną w podobnym pierścieniowym basenie cieczy3,9 i odkryli, że przepływ oscylacyjny najpierw pojawił się jako fale termokapilarne, a następnie zmienił się w bardziej złożony przepływ wraz ze wzrostem różnicy temperatur. W 2002 roku Schwabe i Benz i in. opisali grupę eksperymentów dotyczących konwekcji termokapilarnej w pierścieniowym basenie cieczy, przeprowadzonych na rosyjskim satelicie FOTON-124,10. Wyniki ich eksperymentów kosmicznych były zgodne z wynikami eksperymentów naziemnych. Niektórzy japońscy naukowcy przeprowadzili trzy serie eksperymentów nad konwekcją termokapilarną mostka cieczowego, nazwane Eksperymentem Marangoni w Kosmosie (MEIS), na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej11,12,13. W tych trzech zadaniach zastosowano część sprzętu eksperymentalnego, w tym kamerę, kamerę termowizyjną, czujniki termoparowe oraz technologię 3D-PTV i fotochromową. Określono krytyczne warunki konwekcji termokapilarnej przy różnych proporcjach oraz zaobserwowano trójwymiarowe (3D) struktury przepływowe.
W ciągu ostatnich 30 lat nauka o mikrograwitacji była intensywnie rozwijana w Chinach14,15,16, a wiele eksperymentów mikrograwitacji zostało przeprowadzonych w kosmosie17,18. W dziedzinie fizyki płynów pierwszym eksperymentem mikrograwitacji było badanie dwuwarstwowego płynu na odzyskiwalnym satelicie SJ-5 w 1999 roku, a strukturę przepływu uzyskano metodą śledzenia cząstek14. W 2004 roku przeprowadzono badania nad termokapilarną migracją kropli na SZ-4 i uzyskano zależność między prędkością migracji a krytyczną liczbą Macha (Ma)15,16. W 2005 roku przeprowadzono eksperymentalne badania nad wielopęcherzykową migracją termokapilarną na JB-417, a reguły migracji uzyskano w miarę zwiększania liczby Ma do 8 000. W międzyczasie badano również takie problemy, jak łączenie się baniek. W 2006 roku przeprowadzono badania nad dyfuzyjnym transferem masy na satelicie odzyskiwalnym SJ-8, interferometr Macha-Zehndera został po raz pierwszy zastosowany w eksperymencie kosmicznym, zaobserwowano proces dyfuzyjnego transferu masy i oceniono współczynnik dyfuzji18.
W ostatnich latach przeprowadzono serię badań eksperymentalnych na temat procesów oscylacji i bifurkacji w konwekcji termokapilarnej, a także przeanalizowano sprzężony wpływ wyporu i siły termokapilarnej. Wyniki eksperymentów pokazują, że efekt wyporu nie może być ignorowany w eksperymentach naziemnych, ponieważ w wielu przypadkach odgrywa on dominującą rolę19,20,21,22. W 2016 roku przeprowadzono dwa eksperymenty mikrograwitacyjne w celu zbadania konwekcji termokapilarnej w mostku cieczowym na TG-2 oraz konwekcji termokapilarnej w pierścieniowym basenie cieczy na satelicie odzyskiwalnym SJ-1023,24. Niniejszy artykuł przedstawia eksperymentalny ładunek konwekcji termokapilarnej na SJ10 oraz wyniki eksperymentu kosmicznego. Metody te będą pomocne w zbadaniu mechanizmu oscylacji termokapilarnej.
Aby obserwować przejście wzorca konwekcyjnego, oscylację temperatury i deformację powierzchni bez cieczy, użyto sześciu termopar, kamery termowizyjnej na podczerwień i czujnika przemieszczenia do ilościowego określenia częstotliwości, amplitudy i innych fizycznych wielkości oscylacji. Dzięki badaniom nad oscylacjami i przejściami w konwekcji termokapilarnej w kosmosie, można odkryć i zrozumieć mechanizm konwekcji termokapilarnej w środowisku mikrograwitacji, który dostarcza naukowych wskazówek dla wzrostu materiałów w kosmosie. Co więcej, przełomowe odkrycia technologiczne w takich eksperymentach kosmicznych, takie jak techniki utrzymywania powierzchni cieczy i wstrzykiwania cieczy bez pęcherzyków, jeszcze bardziej zwiększą prostotę i poziom techniczny eksperymentów mikrograwitacji w fizyce płynów.
Ten artykuł przedstawia rozwój ładunku użytecznego i eksperyment kosmiczny projektu termokapilarnego falowania powierzchniowego przeprowadzonego na eksperymentalnym satelicie naukowym SJ-10. Jako ładunek do eksperymentów kosmicznych, ten termokapilarny system konwekcyjny ma silną zdolność antywibracyjną, aby zapobiec gwałtownym wstrząsom, szczególnie podczas procesu wystrzeliwania satelity. Aby spełnić wymagania zdalnej obsługi, proces eksperymentu kosmicznego jest kontrolowany automatycznie, a dane z eksperymentów kosmicznych mogą być przesyłane do naziemnej stacji odbiorczej sygnału statku kosmicznego, a następnie do platformy eksperymentalnej naukowców.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Projekt i przygotowanie systemu eksperymentalnego
2. Ustanowienie systemu kontroli temperatury
3. Ustanowienie systemu miar
UWAGA: Wszystkie urządzenia mogą być sterowane za pomocą oprogramowania.
4. Proces eksperymentalny
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Zdefiniowano dokładny stosunek objętości, a topografię powierzchni cieczy zrekonstruowano na podstawie obrazów zarejestrowanych przez CCD. Określono krytyczny warunek niestabilności, a charakterystykę oscylacji zbadano poprzez analizę sygnałów temperatury w pojedynczym punkcie oraz sygnałów oscylacji przemieszczenia. Uzyskano strukturę pola przepływu, a przejście wzorca przepływu określono na podstawie zmian obrazu w podczerwieni w czasie. Charakterystykę przepływu, mechanizm przepływu or...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ze względu na ograniczone zasoby przestrzenne objętość sprzętu jako całości wynosi zaledwie 400 mm × 352 mm × 322 mm, przy wadze zaledwie 22,9 ± 0,2 kg. Jest to bardzo niewygodne przy wyborze i układaniu urządzeń eksperymentalnych, a ustanowienie systemu przepływu staje się krytycznym krokiem. Dlatego rosnąca różnica temperatur jest ustawiana na dwóch końcach basenu cieczy, dzięki czemu płyn może generować szereg zjawisk przepływu. Aby w jednym eksperymencie zaobserwować cały proces konwekcji od ustalonego do oscylacyjne...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie mamy nic do ujawnienia.
Jest wielu uczestników, którzy przyczynili się do pracy opisanej w tym artykule, w tym wszyscy członkowie naszego zespołu projektowego, a także niektóre osoby z Centrum Badań i Szkolenia Astronautów (ACC) i Neusoft.
Ta praca jest finansowana przez Strategiczny Priorytetowy Program Badawczy w dziedzinie Nauki o Kosmosie, Chińskiej Akademii Nauk: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 i XDA04020202-05) oraz przez wspólny fundusz Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (U1738116).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| przeciwpełzająca | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| Czujnik przemieszczenia | Panasonic | HL-C1 | |
| Folia grzewcza | HongYu | 125 Q / W335.1A Siłownik | |
| hydrauliczny | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| Kamera termowizyjna | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 Instytut | 10257MW7C | |
| Montor | PI | M-227 | |
| Sterownik Montor | PI | C-863 | |
| Rura, 4mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| płyta polisulfonowa | 507 Instytut | ||
| Układ chłodniczy | Zhongke | 9502/065/021M | |
| Olej silikonowy, 2cSt | Shin-Etsu | KF-96 | |
| Elektromagnes | FESTO | MFH-2-M5 | |
| Regulator temperatury | Eurotherm | 3304 | |
| Termopara, typ K | North University of China | ZBDX-HTTK |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.