空间站微重力流体实验设备需求分析

对国际空间站和中国科学实验卫星及载人飞行器上开展的微重力流体实验情况进行论述和分析,重点分析了国际空间站（ISS）微重力流体科学实验设备情况.根据中国空间微重力流体物理科学发展需求,结合国际空间站微重力流体科学实验对设备的需求,提出了未来在中国空间站开展微重力流体实验时空间实验设备需要重点考虑和解决的问题,同时提出相关设计建议.      

中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验卫星、天宫二号空间实验室等空间平台开展的微重力科学与技术应用研究取得的最新成果,并对中国载人空间站时代微重力科学发展的前景予以瞻望,推动微重力科学与应用研究在中国的快速、可持续发展.      

1990年中国返回式卫星的微重力水平监测

叙述了1990年中国返回式卫星采用的微重力测量系统概况、微重力测量数据的处理方法、微重力测量结果与分折。指出:这是国内首次空间微重力水平监测;研制的JS05-1A 微重力测量仪动态精度优于4μg,响应时间6ms,达到了国际同类仪器的先进水平;该仪器为指导优化空间晶体生长的微重力环境及了解卫星工作状况提供了有力手段。通过对该卫星微重力水平监测所获得的73505对数据进行分折,发现有效载荷动作是影响卫星微重力水平的主要因素,为10~(-4)g 量级;有效载荷不动作时,除1.23%的时间存在10~(-4)g量级不明干扰外,有97.6%的时间微重力的绝对值小于4×10~(-5)g,仅O.3%的时间在10~(-4)g 量级。     

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

微重力量值对气液两相流相分布及液相湍流统计量影响的数值研究

气液两相流在空间领域具有广阔的应用前景, 深入理解微重力量值(微重力大小)对相分布和液相湍流的影响十分必要. 采用欧拉elax-elax拉格朗日双向耦合模型深入研究了不同微重力量值对相分布和液相湍流的影响. 液相速度场通过直接数值模拟求解, 气泡的运动轨迹由牛顿运动方程跟踪. 研究表明, 气泡分布和液相湍流与微重力量值均具有直接联系. 在低微重力量值下, 气泡近似均匀分布在槽道内, 且对液相湍流统计量几乎没有影响; 然而当微重力量值较高时, 大量气泡聚集在壁面附近, 液相湍流由于气泡的注入受到极大调制.      

微重力环境下植物培养箱设计

基于空间微重力下植物的生物学效应及其微重力信号转导研究需要,在微重力条件下培养拟南芥,获得经微重力条件生长的拟南芥样品.在空间实验过程中实时采集、存储和传输植物样品的数字图像,并根据生物样品的生长周期对生物样品进行低温固定和储存,再由返回式卫星带回地面,开展微重力植物生物学效应研究.      

落弹舱的微重力环境

本文首先建立了分析落弹舱运动的各种坐标系,给出了解算姿态运动参数的数学模型.然后根据落弹舱微重力加速度的物理背景,对其微重力环境进行了数学描述和物理解释,推导了舱内任意部位微重力加速度表达式,阐明影响微重力环境的主要因素是气动阻力和姿态角运动.最后分析和近似估算了落弹舱的微重力水平,给出了气动阻力对落弹舱微重力水平影响的数值计算结果:平流层气球在30km以上释放落弹舱,优于5×10-2g的微重力持续时间超过30秒.      

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.      

冷原子干涉重力仪在深空环境下的微重力探测

主要介绍了冷原子干涉的基本概念和原子干涉重力仪的发展;介绍了原子干涉的基本原理和在微重力环境下原子干涉重力仪的优势;阐述了国际上微重力环境下原子干涉重力仪的研究现状及其可能的应用。相对其他重力仪而言,原子干涉重力仪成为深空重力场测量的上佳选择,并且深空微重力环境可以有效延长原子干涉仪的干涉时间,提高仪器灵敏度。     

空间材料加工所需微重力水平估算

本文从微重力定义出发,论述了微重力物理效应在流体中发生的原因,并由此把微重力物理效应分成一级和二级效应两类。建立了各类空间村料加工和微重力物理效应的联系,并分别给出发生各类微重力物理效应所需的微重力水平估算。     

利用返回式卫星开展微重力试验

本文介绍我国首次利用返回式卫星进行微重力搭载试验和具体实施的办法,以及试验所获得的令人鼓舞的科学成果。同时还提出研制微重力卫星的新设想,为进一步开展空间微重力条件下的科学研究活动,提供新的途径。     

微重力燃烧研究进展

微重力燃烧是一门非常新的学科,它研究在微重力环境下的基本燃烧过程。本文概括最近几年刚发展起来的以下几方面的进展:微重力燃烧研究所用的设备;固体材料的着火性;预混气燃烧;液滴燃烧;颗粒群燃烧;空间飞行器着火安全性。最后对我国开展微重力燃烧研究提出建议。     

微重力流体科学空间实验的分析和设想

本文通过回顾国外微重力空间实验的发展,着重分析研究发展趋向及微重力流体科学在空间材料科学中的地位。基于我们理论和地面实验工作基础,提出对微重力流体科学空间实验的一些设想。最后,我们着重说明为什么把Marangoni对流和液体桥的稳定作为近期重点跟踪课题。     

Advances of Microgravity Sciences

Advances of microgravity sciences in China are introduced. The research works include ground-based study and space experiments. In the recent years, the main means still are theoretical analysis, numerical simulation, ground-based experiment, and short-time microgravity experiments of drop tower. Besides, many space experiment projects are arranged. SJ-10 recoverable satellite will carry out 19 scientific experiment projects. Nine of them are for microgravity Sciences. The other ways for space microgravity experiment are with the help of Chinese Shenzhou spacecraft, Chinese Tiangong space laboratory, and Chinese space station in the near future. The Chinese space station will become main platform of Chinese microgravity sciences experiment in space.      

Thin film bioreactors in space.

Studies from the Skylab, SL-3 and D-1 missions have demonstrated that biological organisms grown in microgravity have changes in basic cellular functions such as DNA, mRNA and protein synthesis, cytoskeleton synthesis, glucose utilization and cellular differentiation. Since microgravity could affect prokaryotic and eukaryotic cells at a subcellular and molecular level, space offers us an opportunity to learn more about basic biological systems with one important variable removed. The thin film bioreactor will facilitate the handling of fluids in microgravity, under constant temperature and will allow multiple samples of cells to be grown with variable conditions. Studies on cell cultures grown in microgravity would enable us to identify and quantify changes in basic biological function in microgravity which are needed to develop new applications of orbital research and future biotechnology.     

在空间微重力下生长碲镉汞晶体

本文叙述了我国首次在空间微重力下进行的碲镉汞(MCT)晶体生长试验及一些观测结果。生长是从熔体进行的。在空间90min的加热时间内,将MCT多晶试样熔化,然后随炉冷却,最后在地面上再结晶。于是,生长出约3cm长的晶体,其表面光滑.结构致密,无孔洞,由1～3个大晶粒组成,其中单晶占74%。X射线能量色散分析(EDS)表明,其径向组分均匀性优于±0.02,其中约1cm长的一段晶体的径向组分均匀性优于±0.01。电学特性与地面上生长的样品基本相同。     

微重力对拟南芥长势影响的代谢网络流平衡分析

微重力作为典型的空间环境因素,对植物生长发育的影响机制是空间生命科学的研究热点。微重力环境直接或间接影响植物代谢,并引起许多生理适应。 随着系统生物学的发展,代谢网络模型使微重力环境下的植物代谢建模成为可能。采用流平衡分析方法对模式植物拟南芥不同组织的代谢网络进行分析,研究微重力对拟南芥生长发育的影响机制。通过比较空间与地面条件下拟南芥的生物质产量,发现空间条件下拟南芥黄化幼苗、幼苗、芽、根、下胚轴的生物量分别下降了33.00%,51.52%,6.89%,12.53%,11.70%,与空间环境下拟南芥的长势变化趋势一致。代谢通路富集分析发现,微重力使得拟南芥的碳固定等通路下调,而磷酸戊糖途径上调,初步解析了微重力对拟南芥生长发育的影响机制,也验证了流平衡方法用于微重力生物学效应研究中的可行性。      

姿态运动对落舱微重力的影响研究

本文采用试验的均匀设计方法，结合对气动力矩的理论估算，利用计算机仿真，研究了姿态运动对落舱微重力水平的影响．结果表明，在落舱下落的前60s内，要想保持优于10(－3)g数量级的微重力水平，以满足一般科学实验的要求，则必须安装姿态控制系统．