“液橋”是座什么橋?居然要在太空搭!
發布日期:2016-09-15 瀏覽次數: 字體【
即將發射的“天宮二號”空間實驗室,是一個真正意義上的空間實驗室,將開展10余項空間科學與應用項目,是載人航天歷次任務中應用項目最多的一次。涉及微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究以及新技術試驗等多個領域。
中國科學院空間應用工程與技術中心代表中國科學院牽頭負責載人航天等重大科技工程空間應用系統方面的任務規劃、總體管理和技術集成工作,負責所有科學應用載荷的系統集成、地面測試和在軌運控、成果推廣等任務。
關于“天宮二號”的各項高精尖裝備,接下來的一段時間里,科學大院將一一為大家介紹。本篇為第二篇——液橋熱毛細對流實驗項目。

作者:吳笛(中國科學院力學研究所)

說到橋,大家首先想到的應該是交通道路的橋梁結構,比如獨木橋、石拱橋、鋼筋混凝土橋、斜拉橋等等,這些橋都是質地堅硬的固體結構材料搭建而成。

著名的“趙州橋”

那么你是否見過一種橋是由水或者液體做成的呢?


答案其實是一定的!——當你在洗手的時候,指間的小液柱就是“液橋”

液體組成的橋——“液橋”

 什么是液橋?

液橋其實并不是我們常見的交通運輸的橋梁,而是在固體間的小液柱。之所以被稱為液橋,是因為“橋”字有連接兩地的含義,液橋就是連接著兩個固體表面之間的一段液體。所以,可以很負責任地告訴大家,想站在液橋上看風景,那是不可以的。

液橋如何形成?

氣液界面之間存在著表面張力,使得液體表面好比有一層很薄的彈性薄膜一樣。正是這樣一層“虛擬”的薄膜,使得液橋的表面形貌得以維持,而不會“垮塌”。由于表面張力很弱,所以在正常重力環境下形成的液橋尺寸很小(通常只有幾毫米),超過這個尺寸,液橋將無法平衡其重力而垮塌。

你能把液橋拉多長?

液橋的尺寸雖小,可是卻不能小看它的作用哦!我們一定有這樣的體會:在沙灘上,如果用手捏一把干燥的細砂,松手還是散沙;但是如果在沙子中摻一點水,就可以捏出各種形狀的沙團。

干燥的細沙

摻水的沙團(圖片來源見水印)

這是因為干燥的散沙加入水后,水在細微的沙子顆粒之間形成了液橋,使得散沙能聚集起來。我們用寫字的毛筆,蘸了墨水后能形成一個筆鋒,也是因為在筆毫間形成了液橋。仔細觀察,生活中液橋的例子還有很多。

沙粒間“液橋”對沙粒的作用

神秘的空間實驗裝置

也許你覺得這些生活中的小例子不足為奇,但其實,液橋是“太空微重力流體力學研究”的一個重要課題。

你知道嗎?在即將發射的“天宮二號”上,就搭載著這樣一個神秘的科學實驗裝置——“液橋熱毛細對流實驗箱”

該實驗裝置由中國科學院力學研究所國家微重力重點實驗室負責研制,在天宮二號上專門用來開展液橋熱毛細對流實驗。

天宮二號上的“液橋熱毛細對流實驗箱”

這套液橋熱毛細對流實驗箱重13kg,大小比普通臺式電腦還要小。紅色電接口完成裝置的供電和通信。科學家在地面安排實驗動作并上注指令,實驗箱收到指令后,內部機構將相互配合完成一系列的實驗操作。

那么問題來了:太空中的液橋和地面上的液橋有什么不同的地方呢?

 
特點1:可以建立大尺寸液橋

在微重力環境下,重力幾近消失,物體處于“漂浮”的狀態。地面上只能形成的小液滴,到了空間站便可以形成大的液球。這是因為重力消失后,表面張力大顯神威。

于是,利用太空的微重力環境,可以建立起很大尺寸的液橋,而這在地面上將是不可能的事情。

在太空中擰濕毛巾的效果

目前,國際空間站上已經做出了直徑50mm的液橋。想讓液橋保持穩定是有前提的,理論上講,需要保證液橋的高度和直徑的比例小于一定值。否則,液橋過于細長,將會發生Raleigh不穩定,即使是在太空還是會“斷橋”。

太空中液橋Raleigh不穩定斷橋過程

這個“斷橋”真的不關法海和白娘子的事

 
特點2:可以產生熱毛細流動

當液橋兩端的溫度不一樣的時候,一端熱一端冷,在液體表面張力的作用下,會產生熱毛細流動。熱毛細流動是空間微重力環境下的主要自然對流形式。

表面張力會隨著溫度變化,溫度高的地方表面張力低,溫度低的地方表面張力高,表面張力不均勻成為驅動微重力流動的因素。由于表面張力又稱毛細力,所以這種表面張力溫度效應驅動流動,又稱為熱毛細流動,或者叫做Marangoni對流。

表面張力驅動的液橋熱毛細對流機理

微重力環境下的對流和地面自然對流有很大的不同:在地面上,浮力對流是自然對流的主要形式,流體受熱膨脹后,就會往上浮;而流體冷卻縮小后,就會下沉,自然對流就形成了。

從開水壺里的流動到大氣環流都是浮力對流機制。

產生浮力對流的根本原因是重力作用,所以在空間微重力環境下,浮力對流消失,熱毛細流動開始主導自然對流。

正常重力環境下的浮力對流

令科學家頭疼的熱毛細流動

由于地面浮力效應的掩蓋,熱毛細效應曾經一度被忽視。科學家們曾經以為,“只要沒有重力,對流就會消失”。那么,在太空中將是理想的無對流環境,如果在這種環境中制造高純度晶體,將會得到高純度的單晶。

晶體生長示意圖

生長出的高純(99.999%)單晶鉭

但是,現實永遠是殘酷的。很多科學家專門在國際空間站和探空火箭上(微重力環境)開展了晶體生長實驗。結果呢?與地面類似,還是有條紋缺陷。

晶體生長得到的條帶缺陷

最后,科學家發現,在微重力環境下,自然對流并沒有消失。雖然浮力對流消失了,但是在地面上名不見經傳的熱毛細對流卻起作用了,變成了攔路虎,這大約就是俗話常說的“按了葫蘆起了瓢”吧。

更不可思議的是,當溫差超過臨界條件時,這種熱毛細流動還會進入一種振蕩流的狀態,可以表現為溫度的振蕩。想想晶體在生長的過程中,忽冷忽熱的,不出現條紋才怪。

通過太空和地面的對比實驗,人們才知道,即使在地面熱毛細流動也會導致這種條帶缺陷微觀結構。

可以說,熱毛細流動震蕩就是晶體生長中一個專搞破壞的熊孩子。

至于液橋為什么會出現振蕩,目前科學界依然持有兩種不同的觀點,在此不過多展開。

國際空間站液橋實驗

研究團隊:多年努力,迎來第一次太空實驗

我國科學家一直以來期待著能在空間微重力環境進行實驗,揭開熱毛細對流的神秘面紗。

經過多年努力,“液橋熱毛細對流”研究項目終于拿到了一張“天宮二號”的“船票”,這也是我國第一次在微重力條件下開展液橋熱毛細對流實驗。

該項目的主任設計師、中國科學院力學研究所康琦研究員表示:“為生產出高質量的半導體材料,就要科學控制單晶硅在晶體生長過程中浮力對流和熱毛細對流的影響,而太空特有的微重力環境將使科學家深入剖析熱毛細對流的真實過程。”

液橋熱毛細對流研究項目主任設計師、

中國科學院力學研究所康琦研究員

為配合此次空間項目的開展,研究人員已經在地面開展許多匹配試驗研究。

他們在實驗室利用藍寶石搭建了一套液橋裝置,通過粒子圖像測速和紅外熱像儀等先進設備觀測和分析液橋流動,得到了大量的地面實驗數據。

項目副主任設計師段俐研究員表示,“由于空間實驗機會少、成本較高,而且熱毛細對流現象與其影響因素之間的關系并不是用簡單公式就可以準確描述的,所以需要進行地面實驗,為空間實驗的順利進行提供科學合理的參考范圍。”

項目副主任設計師、

中國科學院力學研究段俐研究員

歷經3年多的工程研制,熱毛細對流箱通過了層層的地面試驗的考驗。這套裝置將搭乘天宮二號飛船冉冉升空,屆時科學家可以用天地互動的方式開展一系列的空間實驗。

期待我們國家自主研發的這套空間科學實驗裝置帶來豐碩的科學成果,讓我們窺探神奇的熱毛細對流更深層次的奧秘吧。


信息來源:中國科學院力學研究所
(責任編輯:張琦
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