液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制,但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点,在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究,分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明：微重力下镓的融化过程中,热传导起主导作用;镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%,储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍;融化时间随过热度增加而减小,随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.     

微重力下低温液氪贮箱热力学特性

在轨滑行阶段液氪贮箱长期处于微重力环境。为研究其内部传热和相变过程对大轨道转移飞行器贮供单元工作性能的影响,建立了微重力液氪贮箱CFD模型,采用VOF法及Lee气液相变理论,研究了重力水平、初始液氪温度、初始充满率对微重力下液氪贮箱热分层及压力变化的影响。结果表明:常重力g0下贮箱的压升率分别为10^-4 g₀,10^-5 g₀,10^-6 g₀的1.84倍、1.98倍、2.04倍,微重力下温度分层程度(2～3 K)远低于常重力(90 K);不同初始液氪温度下贮箱压力随时间呈先降低后升高的变化趋势,且初始液氪温度越低,贮箱压升率越小;微重力下液氪贮箱存在临界初始充满率,当初始充满率Φ>70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而增大,当Φ<70%时贮箱压升率随初始充满率的升高而减小。     

地面模拟静止微重力环境中导线先期着火特性研究

针对在微重力环境中运行的载人航天飞行器上的电缆和导线在工作时由于电流过载导致温度升高而引起着火的情况,提出了"功能模拟"实验原理,并且利用地面实验设备对微重力环境下导线的着火前期特性进行了功能模拟实验研究.通过实验,得到了在微重力情况下由于浮升力的减小使自然对流减弱导致电流过载时导线的热平衡温度高于地面正常重力情况,从而证明了这正是引起航天飞行器着火的潜在点火源.     

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.     

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.     

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.     

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率.     

微重力环境下半球形贮箱液体重定位试验研究

本文利用落塔形成的微重力环境,对半球形贮箱中液体重定位问题进行了试验研究。所用液体与半球形箱壁之间的接触角为零并在加载前形成了失重初始凹液面.本试验分侧向不加干扰及加干扰两种初始条件.通过高速摄影机观察了液体重定位的全过程并测量了重定位流速和重定位时间。试验结果表明,液体重定位呈壁流流型.实测重定位时间与理论估算值一致.     

微重力煤燃烧研究现状及发展趋势

微重力环境抑制了煤在地面燃烧时所受的浮力影响,提供了发现煤燃烧新现象及获得更准确的煤燃烧数据的理想条件,相关研究有助于揭示煤燃烧的基本规律和浮力对煤燃烧的作用,研究结果可用于校核和发展煤燃烧模型,进而促进地面煤的高效低污染利用.综述了国内外微重力煤燃烧研究现状,介绍了最新进展和成果,并对未来研究进行展望.     

微重力条件下红外材料的空间生长

根据近年红外材料在空间生长的研究概况,分析了涵盖熔体、气相、液相外延和分子束外延等生长方法及各个方法生长红外材料的基本原理,在地面生长遇到的问题,以及在空间微重力环境中进行红外材料生长的优势.同时基于中国利用熔体法在天宫二号上已经进行的ZnTe：Cu晶体的空间生长科学实验及地基实验结果,通过对空间和地面实验结果进行对比,提出了在超高真空环境下,利用分子束外延方式生长高性能、大尺寸红外材料的可能性,以及未来在空间微重力条件下进行红外材料生长的研究方向及具体应用.     

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明：气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g^-0.488,脱附周期正比于g^-1.113,加热面上的平均热通量正比于g^0.229.     

孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究, 分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征. 实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10mm×10mm×0.5mm), 以含气率0.0046 (气液摩尔分数比)的FC-72作为工质, 利用恒流源对加热片通电加热. 通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知, 经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征. 相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内, 表明重力对气泡生长早期影响较小, 但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.     

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.     

Progress in Research on Materials Under Microgravity in China

Research on materials under microgravity in China began in the 1980s, sparked by Prof. Lanying Lin (academician of CAS), Prof. Xiji Wang (academician of CAS), Prof. Guirong Min (academician of CAS), and Prof. Huabao Lin (academician of CAS), and others. The first semiconductor crystal, first optical crystal, and first alloys were grown in space on board a recoverable satellite in 1987. Since then, microgravity materials science became a new scientific branch in China.Scientific and technical activities on space crystal growth and solidification are carried out through two major programs: ground-based studies and orbital experiments. The main results obtained during 2001-2003 are reported below.     

Progress on Microgravity Sciences in China

The main progress of the research activities on microgravity fluid physics, combustion, biotechnology research and fundamental Physics in China are briefly summarized in the present paper. The major space missions and experimental results obtained on board the Chinese recoverable/nonrecoverable satellites and the Chinese manned spaceship named "Shen Zhou" are presented summarily. The recent main activities of the ground-based studies in China are introduced in brief.     

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.     

空间里的时间:微重力等环境下的生物节律研究

生物钟是地球上的生物为适应环境周期性变化经历长期演化而来的内在机制.在分子水平上受生物钟基因及其他相关基因的调节;在组织水平上,生物钟由主生物钟和外周生物钟组成.生物钟对于各种生物的生理、认知和行为等具有重要功能,是生物适应环境的决定因素之一.空间环境下的微重力、辐射、光照条件、社会性因素等与地面存在很大差异,这些因素均可能导致节律紊乱,影响生物的生理及环境适应性.因此,对地外生命的研究也应该考虑生物钟因素.对航天员而言,节律紊乱可引起睡眠障碍,并且对骨肌系统、神经系统、心血管系统及内分泌系统等造成不利影响,导致人的认知和工效水平下降.在未来空间生命探索以及航天员健康保障研究中,生物钟是一个不可忽视的重要因素.     

天宫二号碲化锌晶体生长

在天宫二号飞船综合材料实验炉六工位采用碲熔剂法生长了碲化锌晶体,生长时最高温度为800℃,以0.5mm·h^-1的提拉速度向炉膛内部提拉生长晶体.飞行实验后,用相同实验参数在地面进行了对比实验.结果发现,空间样品尾部有一个非常大的橙色结晶区域（约10mm×6mm×2mm）,而地面生长样品中碲化锌晶体尺寸仅为约3mm×3mm×1mm,空间生长的碲化锌晶粒尺寸明显优于地面.空间微重力环境下,由于毛细作用,空间样品的塞子处有Te和ZnTe的外延膜生成.而地面生长的锭条在塞子处只有零星点状气相生产物.因此微重力条件有利于碲化锌晶体材料的生长.     

微重力环境中哺乳动物细胞分子生物学效应研究进展

随着载人航天事业的不断发展,空间失重环境引起的航天员健康问题（心血管疾病、免疫抑制、肌肉萎缩、骨质疏松等）日益突出,这已成为人类探索空间的一大阻碍.越来越多的研究关注到微重力条件下机体及细胞的变化.近期的研究表明,在细胞水平上,微重力会引起细胞降解,改变细胞骨架,并造成细胞在分子水平（如细胞增殖、分化、迁移、粘附、信号转导等过程）的一系列改变.本文对微重力条件下免疫细胞、内皮细胞、骨细胞、癌细胞的相关研究进行了归纳总结,研究结果可为微重力条件下机体及相关细胞的研究提供指导,为治疗或缓解微重力条件造成的疾病提供方法和思路.