“天宮搭橋”探秘?zé)崦?xì)對(duì)流

“天宮二號(hào)”肩負(fù)為空間站積累經(jīng)驗(yàn)的使命，是中國(guó)航天史上“最忙碌”的空間實(shí)驗(yàn)室。荷載的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目眾多且涉及領(lǐng)域廣泛，其中一個(gè)項(xiàng)目是中國(guó)首次在微重力條件下開(kāi)展的液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)。

所謂液橋就是由液體形成的“橋”。和生活中常見(jiàn)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(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。而在太空，物體處于“漂浮”狀態(tài)，表面張力變大，可形成大液球，建立起大尺寸的液橋，為開(kāi)展液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)提供便利。

大多數(shù)人對(duì)熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象陌生，但是很熟悉浮力現(xiàn)象。日常生活中，當(dāng)流體受熱膨脹后，就會(huì)往上浮;而流體冷卻縮小后，就會(huì)下沉，由此形成自然對(duì)流，浮力對(duì)流是自然對(duì)流的主要形式。

在太空微重力的環(huán)境下，失重會(huì)導(dǎo)致浮力消失，浮力對(duì)流也就隨之消失了。“天宮二號(hào)”液橋熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師康琦介紹說(shuō)，在空間微重力的作用下，熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象會(huì)取代浮力對(duì)流成為主要自然對(duì)流形式。

對(duì)于熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象是一種怎樣奇妙的物理過(guò)程，“天宮二號(hào)”液橋熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副主任設(shè)計(jì)師段俐解釋說(shuō)，熱毛細(xì)對(duì)流是一種與流體表面或者界面相關(guān)的熱對(duì)流現(xiàn)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(huì)相應(yīng)變化。所以，當(dāng)流體交界面上的溫度分布不均勻時(shí)，就會(huì)造成在不同的位置，表面張力的大小不同，從而形成驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的現(xiàn)象，這就是熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象。

熱毛細(xì)對(duì)流現(xiàn)象在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是高質(zhì)量晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。康琦表示，要生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體晶體材料，就要科學(xué)控制晶體生長(zhǎng)過(guò)程中浮力對(duì)流、熱毛細(xì)對(duì)流的影響，而太空特有的微重力環(huán)境將使科學(xué)家可以深入剖析熱毛細(xì)對(duì)流的真實(shí)過(guò)程。

液橋作為一種典型的熱毛細(xì)流動(dòng)體系，是晶體生長(zhǎng)的重要方法——浮區(qū)法的主要模型，也是此次“天宮二號(hào)”液橋熱毛細(xì)對(duì)流空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的主要實(shí)驗(yàn)裝置。這套液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)箱重13公斤，歷經(jīng)3年多的研制，通過(guò)層層地面試驗(yàn)的考驗(yàn)，在太空中這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備可通過(guò)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?shù)炔僮鳌Ｆ渲校瑢?shí)驗(yàn)用的流體介質(zhì)-硅油被儲(chǔ)存在液缸內(nèi)，通過(guò)高精度PI電機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)注液、拉橋，最后完成建橋這一過(guò)程。段俐特別介紹說(shuō)，這個(gè)設(shè)備里設(shè)計(jì)安裝了清橋系統(tǒng)，一旦在太空實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)斷橋現(xiàn)象，可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)清橋系統(tǒng)擦洗橋柱實(shí)現(xiàn)再建橋過(guò)程，這也是此次項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)裝置的重要特色之一。同時(shí)通過(guò)圖像傳感器進(jìn)行圖像的采集，觀測(cè)液橋的狀態(tài)，科學(xué)家可在地面上通過(guò)軟件操作來(lái)控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)天地互動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)證明熱毛細(xì)流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致晶體的微觀結(jié)構(gòu)缺陷。甚至當(dāng)溫差超過(guò)臨界條件時(shí)，這種熱毛細(xì)流動(dòng)還會(huì)進(jìn)入一種振蕩流的狀態(tài)，流體內(nèi)部也表現(xiàn)出溫度的振蕩，晶體在生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)忽冷忽熱，造成缺陷。

此次實(shí)驗(yàn)主要研究在空間微重力環(huán)境下熱毛細(xì)對(duì)流的失穩(wěn)機(jī)理問(wèn)題，同時(shí)突破并掌握微重力環(huán)境下的液橋建橋、液面保持和失穩(wěn)重建等空間實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升微重力流體科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn)?zāi)芰图夹g(shù)水平。期待我國(guó)自主研發(fā)的這套空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置帶來(lái)豐碩的科學(xué)成果，帶我們一同窺探神奇的熱毛細(xì)對(duì)流更深層次的奧秘。崔馨月