“天宮搭橋”探秘熱毛細對流

“天宮二號”肩負為空間站積累經驗的使命，是中國航天史上“最忙碌”的空間實驗室。荷載的實驗項目眾多且涉及領域廣泛，其中一個項目是中國首次在微重力條件下開展的液橋熱毛細對流實驗。

所謂液橋就是由液體形成的“橋”。和生活中常見到的橋不同，它并不是真正意義上的橋，而是取其連接兩地之意，液橋就是連接兩固體表面之間的小液柱。

氣液之間存在表面張力，使液橋得以維持，但是在正常重力的條件下，表面張力很小，液橋的尺寸也就很小，難以達到實驗要求。而在太空，物體處于“漂浮”狀態，表面張力變大，可形成大液球，建立起大尺寸的液橋，為開展液橋熱毛細對流實驗提供便利。

大多數人對熱毛細對流現象陌生，但是很熟悉浮力現象。日常生活中，當流體受熱膨脹后，就會往上浮;而流體冷卻縮小后，就會下沉，由此形成自然對流，浮力對流是自然對流的主要形式。

在太空微重力的環境下，失重會導致浮力消失，浮力對流也就隨之消失了。“天宮二號”液橋熱毛細對流空間實驗項目主任設計師康琦介紹說，在空間微重力的作用下，熱毛細對流現象會取代浮力對流成為主要自然對流形式。

對于熱毛細對流現象是一種怎樣奇妙的物理過程，“天宮二號”液橋熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師段俐解釋說，熱毛細對流是一種與流體表面或者界面相關的熱對流現象。眾所周知，流體的交界面上存在著分子間的相互作用力，也就是表面張力，而隨著溫度變化，表面張力大小也會相應變化。所以，當流體交界面上的溫度分布不均勻時，就會造成在不同的位置，表面張力的大小不同，從而形成驅動流體流動的現象，這就是熱毛細對流現象。

熱毛細對流現象在實際工業生產中有著廣泛的應用，特別是高質量晶體的生長過程。康琦表示，要生產出高質量的半導體晶體材料，就要科學控制晶體生長過程中浮力對流、熱毛細對流的影響，而太空特有的微重力環境將使科學家可以深入剖析熱毛細對流的真實過程。

液橋作為一種典型的熱毛細流動體系，是晶體生長的重要方法——浮區法的主要模型，也是此次“天宮二號”液橋熱毛細對流空間實驗項目的主要實驗裝置。這套液橋熱毛細對流實驗箱重13公斤，歷經3年多的研制，通過層層地面試驗的考驗，在太空中這個實驗設備可通過控制完成注液、拉橋、清橋、溫度控制、溫度和圖像采集及打包傳輸等操作。其中，實驗用的流體介質-硅油被儲存在液缸內，通過高精度PI電機牽引實現注液、拉橋，最后完成建橋這一過程。段俐特別介紹說，這個設備里設計安裝了清橋系統，一旦在太空實驗過程中出現斷橋現象，可以通過電機驅動清橋系統擦洗橋柱實現再建橋過程，這也是此次項目實驗裝置的重要特色之一。同時通過圖像傳感器進行圖像的采集，觀測液橋的狀態，科學家可在地面上通過軟件操作來控制實驗的進行，實現天地互動。

實驗證明熱毛細流動也會導致晶體的微觀結構缺陷。甚至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，流體內部也表現出溫度的振蕩，晶體在生長的過程中會忽冷忽熱，造成缺陷。

此次實驗主要研究在空間微重力環境下熱毛細對流的失穩機理問題，同時突破并掌握微重力環境下的液橋建橋、液面保持和失穩重建等空間實驗關鍵技術，進一步提升微重力流體科學的空間實驗能力和技術水平。期待我國自主研發的這套空間科學實驗裝置帶來豐碩的科學成果，帶我們一同窺探神奇的熱毛細對流更深層次的奧秘。