日报标题：天宫二号要上天了，设计师来介绍下「热毛细对流实验」
中国科普博览，我们科学家有话说
作为“天宫一号”的“继承者”，天宫二号即将进行的各类实验达到了史无前例的 14 项，堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。
我们邀请到天宫二号热毛细对流空间实验项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员，来谈谈天宫二号 14 项载荷中的—— “热毛细对流空间实验项目”。
天宫二号热毛细对流空间实验项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员
热毛细对流现象是指在空间环境完全失重的特殊条件下，由表面张力驱动的热毛细流动成为主要的自然对流形式，它也是影响空间流体热、质输运过程的主要因素。
那么，热毛细现象又是一种怎样奇妙的物理过程呢？
热毛细对流，是一种与流体表面或者界面相关的热对流现象。众所周知，在流体的交界面上存在着分子与分子之间的相互作用力，也就是表面张力，而随着温度的变化，表面张力的大小也会发生相应的变化。所以，当流体交界面上的温度分布不均匀时，就会造成在不同的位置表面张力的大小不同，从而形成驱动流体流动的现象，这就是热毛细对流。
此外，热毛细对流现象在实际工业生产中有着广泛的应用，特别是高质量晶体生长的过程。
然而时至今日，科学家对热毛细流动的认知仍然十分有限。因此，开展热毛细对流的研究有助于人类更好地进行空间探索和应用。
谈完现象，我们再聊聊装备：精妙的实验装置——“液桥”
“液桥”作为一种典型的热毛细流动体系，是晶体生长重要的方法 -浮区法的模型，也是此次天宫二号热毛细对流空间实验项目的主要实验装置。
液桥实验装置示意图
如图，是液桥模型的简要示意，液体位于上下两个碟片之间，分别对上下两个碟片进行不同温度加热形成温度差，从而在液体表面形成热毛细对流。
该实验设备可通过控制完成注液、拉桥、清桥、温度控制、温度和图像采集及打包传输等操作。其中，实验用的流体介质 -硅油被储存在液缸内，空间实验时，通过高精度PI电机牵引实现注液、拉桥，最后完成建桥这一过程，液桥的高径比和体积比参数由拉桥和注液电机控制实现。
同时，这个设备里设计安装了清桥系统，一旦在太空实验过程中出现断桥现象，可以通过电机驱动清桥系统擦洗桥柱实现再建桥过程，这也是此次项目实验装置的重要特色之一。
整个实验过程，将被位于液桥一左一右一近景一远景的两个 CCD 图像传感器进行图像的采集，观测液桥的形貌，判断液桥体积变化和断桥与否。空间实验过程中，科学家将通过控制软件同时完成数据下传和指令上传的双向传输，不仅可以通过提前输入程序来进行实验，也可以根据实验实际需求注入指令进行科学操作，从而实现天地互动。
除了随天宫二号“上天”的实验装置，在地面还预先设置了相同的实验装置。
主要是鉴于空间实验机会少且费用极高，而且热毛细对流现象与其影响因素之间的关系并不是用简单公式就可以准确描述的，这就需要地面实验为空间实验的顺利进行提供科学合理的参考范围，为空间实验的顺利进行奠定基础。
在地面环境中，科学家们搭建了大尺寸液桥对比实验平台，采用和空间实验一样的多路温度采集装置。此外，为了更加全面的观测液桥的流动机制，针对实验需求，加工了蓝宝石和红外桥柱，分别采用粒子图像测速技术和红外热像仪观测液桥流动的速度场和温度场。
通过地面实验，科学家们积累了大量实验数据，为空间实验的顺利开展“预热”：
- 首先，在地面大尺寸液桥实验首次验证了胡文瑞院士提出的体积比效应，测定了晶体几何参数对于临界条件的影响；
- 第二，测定液桥界面温度场，得到对流模式转换：得到了较完整的流场模式转换过程；
- 第三，观测液桥速度场，得到流场结构和两次转捩；
- 第四，分析和研究流体流动体系失稳和分岔转捩过程及其振荡行为。
这些精准的数据都将成为天宫二号空间实验过程中的重要支撑。
天宫二号热毛细对流空间实验项目部分实验装置
来源：科普中国
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