SJ-10 복구 가능한 위성의 열모세관 대류 공간 실험

요약

우주 페이로드 설계를 위한 프로토콜, 열모세관 대류에 대한 공간 실험, 실험 데이터 및 이미지 분석이 이 백서에 제시되어 있습니다.

초록

열모세관 대류는 미세 중력 유체 물리학에서 중요한 연구 주제입니다. 환상 액체 풀에서 열모세 체대류의 표면 파도에 대한 실험 연구는 SJ-10 복구 위성에 대한 19 개의 과학 실험 프로젝트 중 하나입니다. 제시된 것은 실험 모델, 측정 시스템 및 제어 시스템을 포함하는 열모세관 대류에 대한 공간 실험 연구를 위한 페이로드를 위한 설계입니다. 가변 체적 비를 가진 환상 액체 풀의 실험 모델 의 구성에 대한 세부 사항이 제공됩니다. 유체 온도는 서로 다른 지점에서 0.05 °C의 높은 감도를 가진 6 개의 열전대에 의해 기록됩니다. 액체 없는 표면의 온도 분포는 적외선 열 화상 카메라를 통해 캡처됩니다. 자유 표면 변형은 1 μm의 높은 정확도로 변위 센서에 의해 감지됩니다. 실험 과정은 완전히 자동화되어 있습니다. 이 연구는 실험 데이터 및 이미지 분석을 통해 액체가 없는 표면의 열모세관 진동 현상과 대류 패턴 전환에 초점을 맞추고 있습니다. 이 연구는 열모세관 대류의 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 것이며, 열모세관 대류의 비선형 특성, 흐름 불안정성 및 분기 전이에 대한 추가 통찰력을 제공합니다.

서문

공간의 미세 인력 조건 하에서, 인력의 부재로 인해 많은 흥미로운 물리적 현상이 제시된다. 자유 표면이 있는 액체에는 온도 구배 또는 농도 구이에 의해 발생하는 새로운 유동 시스템(예: 열모세관 흐름)이 존재합니다. 지상의 전통적인 대류와는 달리, 열모세관 대류는 우주 환경에서 유비쿼터스 현상입니다. 그것은 미세 중력 유체 물리학에서 매우 중요한 연구 주제이기 때문에, 실험의 숫자는 우주뿐만 아니라 지상에서 수행되었습니다. 최근, 공간 실험 연구는 SJ-10 복구 과학 실험 위성에 열 모세관 대류에 수행되었다. 우주 실험 페이로드는 그림 1(왼쪽)과 같이 유체 실험 시스템, 액체 저장 및 분사 시스템, 온도 제어 시스템, 열전대 측정 시스템, 적외선 열화상 카메라, 변위 센서, CCD 이미지 수집 시스템 및 전기 제어 시스템 등 8개의 시스템으로 구성되었습니다. Figure 1 열모세선 대류의 표면 파에 대한 연구를 위한 공간 실험 페이로드는 그림 1(오른쪽)에 나와 있습니다. Figure 1 이 연구는 흐름의 불안정성, 진동 현상 및 전이에 초점을 맞추었으며, 이는 층류에서 혼돈으로의 전환 과정에서 중요한 특징입니다. 이러한 기본 과목에 대한 연구는 강한 비선형 흐름에 관한 연구에 큰 의미가 있습니다.

부피력에 의해 구동되는 부력 대류와 달리, 열모세관 대류는 두 개의 불협화음 유체 사이의 계면 내의 표면 장력에 의해 발생하는 현상입니다. 표면 장력의 크기는 온도, 용광농도 및 전기장 강도를 포함한 일부 스칼라 파라미터에 따라 변경됩니다. 이러한 스칼라 필드가 인터페이스에서 고르지 않게 분포되면 자유 표면에 표면 장력 그라데이션이 존재하게 됩니다. 자유 표면의 유체는 표면 장력 구배가 더 적은 표면 장력을 가진 위치에서 더 큰 표면 장력을 가진 위치로 이동하도록 구동됩니다. 이 흐름은 이탈리아의 물리학자 카를로 마랑고니에 의해 처음 해석되었다. 따라서, 그것은 "마랑고니^효과"1명명되었다 . 자유 표면에 마랑고니 흐름은 점도에 의해 내부 액체로 확장하고 그 결과 마랑고니 대류로 알려진 것을 생성한다.

엄밀히 말하면, 자유 표면의 유체 시스템의 경우, 열모세관 대류 및 부력 대류는 항상 정상 중력 하에서 동시에 나타납니다. 일반적으로 거시적 대류 시스템의 경우, 열모세관 대류는 사소한 효과이며 일반적으로 부력 대류와 비교하여 무시됩니다. 그러나 소규모 대류 시스템 또는 미세 중력 환경에서 부력 대류가 크게 약화되거나 사라지며 열모세관 대류가 유동 시스템에서 지배적이 될 것입니다. 장기간 동안, 연구는 인간의 활동과 연구 방법의 한계로 인해 거시 적 규모의 부력 대류에 초점을 맞추고있다^2,,3,,4. 그러나 최근 수십 년 동안 항공 우주, 필름, MEMS 및 비선형 과학과 같은 현대 과학 및 기술의 급속한 발전으로 열모세관 대류에 대한 추가 연구의 필요성이 점점 더 절실해지고 있습니다.

미세 중력 유체 역학에 관한 연구는 중요한 학문적 중요성과 응용 전망을 가지고있다. 많은 역학자, 물리 화학자, 생물학자 및 재료 과학자들이 이 분야에서 일하기 위해 모였습니다. 카모타니와 오스트라흐는 미세 중력 조건^{2,,5,,6,,7,,8하에서} 환형 액체 풀에서 열모세 체소대류에 대한 실험을 완료하고 꾸준한 흐름, 진동 흐름 및 임계 조건을 관찰했습니다. Schwabe 등은 유사한 환형 액체 풀^3,,9에서 부력-열모세관 대류를 연구하고 진동 흐름이 먼저 열모세관 파동으로 나타난 것을 발견하고 온도 차이의 증가와 함께 더 복잡한 흐름으로 전환했습니다. 에서 2002, 슈바베와 벤츠 등. 러시아 FOTON-12 위성에 수행 환상 액체 풀에서 열 모세관 대류에 실험의 그룹을보고^4,,10. 그들의 공간 실험 결과는 지상 실험 결과와 일치하였다. 일부 일본 과학자들은 국제 우주^,정거장^{11,,12,13에서}마랑고니 우주 실험 (MEIS)이라는 이름의 액체 다리 열모세관 대류에 대한 세 가지 일련의 실험을 수행했습니다. 카메라, 열화상, 써모커플 센서, 3D-PTV 및 광변색 기술을 포함한 일부 실험 장비가 이 세 가지 작업에 적용되었습니다. 서로 다른 종횡비에서 열모세관 대류의 임계 조건을 결정하고 3차원(3D) 유동 구조를 관찰했습니다.

지난 30년^,동안, 미세중력 과학은 중국에서^{14, 15,,16,}그리고¹⁵우주^17,18에서다수의 미세 중력 실험이 수행되어 왔다.^, 유체 물리학 분야에서, 첫 번째 미세 중력 실험은 1999년에 SJ-5 회수 가능한 위성에서 2층 유체에 대한 연구였으며, 입자 추적 방법^14에의해 유동 구조를 얻었다. 2004년, SZ-4에서 액적의 열모세관 이동에 대한 연구가 수행되었고, 이동 속도와 임계 마하(Ma) 수 사이의 관계가^15,,16을얻었다. 2005년, JB-4^17에서다중 버블 열모세관 이동에 대한 실험 연구가 수행되었고, Ma 수가 8,000명으로 증가함에 따라 이동 규칙이 얻어졌다. 한편, 버블 병합과 같은 문제도 연구되었다. 2006년, SJ-8 회수 가능한 위성에서 확산 질량 전달에 대한 연구가 수행되었고, 마하-젠더간섭계가 우주 실험에서 처음 적용되었고, 확산 질량 전달 과정이 관찰되었고, 확산 계수를^{평가하였다 18.}

최근에는 열모세관 대류의 진동 및 분기 공정에 초점을 맞춘 일련의 지상 실험 연구가 수행되었으며 부력과 열모세관력의 결합 효과가 분석되었습니다. 실험 결과는^{19,,20,,21,,22의}많은 경우에 지배적인 역할을 하기 때문에 지상 실험에서 부력 효과를 무시할 수 없다는 것을 보여준다. 2016년, TG-2의 액체 교량에서 열모세체 대류를 연구하기 위한 2개의 미세 중력 실험이 수행되었고, SJ-10 회수 가능한 위성^23,,24의환상 액체 풀에서 열모세관 대류를 연구하였다. 본 논문은 SJ10에 열모세체 대류의 실험 페이로드를 소개하고, 우주 실험 결과를 소개합니다. 이러한 방법은 열모세관 진동의 메커니즘을 탐구하는 데 도움이 될 것입니다.

대류 패턴 전이, 온도 진동 및 액체가 없는 표면 변형을 관찰하기 위해 6개의 열전대, 적외선 열화상 카메라 및 변위 센서를 사용하여 주파수, 진폭 및 기타 물리적 양을 정량화합니다. 진동을 사용했습니다. 공간의 열모사 대류의 진동 및 전이에 대한 조사를 통해 우주에서 재료의 성장에 대한 과학적 지침을 제공하는 미세 중력 환경에서 열모세관 대류 메커니즘이 될 수 있습니다. 발견하고 이해합니다. 또한, 기포가 없는 액체 표면 유지 보수 및 액체 주입 기술과 같은 우주 실험의 기술적 돌파구는 유체의 미세 중력 실험의 단순성과 기술적 수준을 더욱 향상시킬 것입니다. 물리학.

이 논문은 SJ-10 과학 실험 위성에서 수행된 열모세관 표면파 프로젝트의 페이로드 개발 및 우주 실험을 소개합니다. 우주 실험 페이로드로서, 이 열모세관 대류 시스템은 특히 위성 발사 과정에서 격렬한 충격을 방지하는 강력한 진동 방지 능력을 가지고 있습니다. 원격 작동의 요구 사항을 충족하기 위해, 우주 실험 과정은 자동으로 제어되고, 우주 실험 데이터는 우주선의 지상 신호 수신 스테이션에 다음 과학자의 실험에 전송 될 수있다 플랫폼.

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프로토콜

1. 실험 시스템의 설계 및 준비

1. 환상 액체 풀을 구성합니다.
   1. 내경에서 R_i = 4mm, 외경 에서 R_o = 20mm, d = 높이 12mm를 측정하는 구리 환상 액체 풀을 구축합니다.
   2. 리퀴드 풀의 바닥으로 직경 20mm의 R_P = 20mm를 측정하는 폴리설폰 플레이트를 사용하십시오(재료 표참조).
   3. 액체 분사 구멍으로 내벽 (원의 중심에서 6mm 떨어져) 가까운 직경 2mm의 φ를 측정하는 작은 구멍을 드릴.
2. 인터페이스를 유지 관리합니다.
   1. 내부 및 외부 측면 벽에 날카로운 모서리(45° 각도)를추가합니다(그림 2).
   2. 12mm보다 큰 높이로 내부 및 외벽에 크리핑 방지^{액체(21)(재료} 표참조)를 적용합니다.
3. 작업 액체의 저장 시스템을 준비합니다.
   1. 2cSt 실리콘 오일을 작동 액으로 선택합니다(재료 표참조).
   2. 실리콘 오일을 저장하기 위한 용기로 유압 실린더를 사용하십시오(재료 표참조).
   3. 발사 전에 버블 프리 기술을 사용하여 작동 유체를 유압 실린더에 주입하십시오.
      참고: 작동 유체에 현탁된 기포는 실험실패를 초래합니다.
      1. 액체를 60°C로 가열하고 약 6시간 동안 압력 <150 Pa를 가하여 실리콘 오일 내의 가스를 배출한다.
      2. 액체 저장 시스템의 압력이 <200 Pa가 될 때까지 진공 청소기를 청소합니다.
      3. 실리콘 오일이 가스 없이 진공 실린더를 채울 수 있도록 밸브를 완화합니다(그림3).
4. 작동 액에 대한 사출 시스템을 설정합니다.
   1. 액체의 분사 또는 흡입을 구동하는 스텝 모터를 선택합니다(재료 표참조).
   2. 솔레노이드 밸브를 적용하여 사출 시스템의 온-오프 스위치를 제어합니다(재료 표참조).
   3. 범용 조인트(그림4)를사용하여 스텝 모터를 액체 실린더에 연결합니다.
   4. 액체 실린더, 솔레노이드 밸브 및 사출 구멍을 외부 직경 4mm의 파이프로 연속적으로 연결합니다.

2. 온도 조절 시스템 구축

1. 내부 실린더를 가열 필름(저항 R_t = 14.4±0.5 Ω)으로 포함하고 K형 열전쌍으로 온도 T_i를 측정합니다(재료 표참조).
2. 6개의 냉동 칩(2개의 칩마다 그룹으로 병렬로 연결되고 3개의 그룹이 직렬로 연결됨)을 외벽에 대칭적으로 부착하고 추가 K형 열전형을 사용하여 외벽 온도 T_o를 얻습니다.
   참고 : 온도 차이는 ΔT = T_i - T_o입니다.

3. 측정시스템 구축

참고: 모든 장치는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있습니다.

1. 액체 풀 내부에 6개의 열전대(TT₁ - T_6)를놓아 서로 다른 지점에서 온도를 측정합니다. 자세한 레이아웃은 그림 5에나와 있습니다.
2. 적외선 카메라를 액체 표면 바로 위에 놓고 렌즈를 회전하여 초점을 조정하고 액체가 없는 표면의 온도 필드 정보를 수집합니다(재료 표참조).
3. 변위 센서를 조정하여 액체 표면의 특정지점(r = 12mm)의 변위를 측정합니다(재료 표참조).
   참고: 레이저 변위 센서는 100μs 고속 샘플링을 실현하기 위해 이 페이로드에 사용되며, 이는 1 μm의 해상도와 ± 0.1% F.S의 선형성을 가진 초고정밀 측정 방법입니다.
4. 액체 표면에 CCD 카메라토 포커스를 사용하고 자유 표면의 변화를 기록합니다(재료 표, 그림 6참조).
   참고: 유효 픽셀 수는 752 x 582이고 최소 조명은 1.6 Lux/F2.0입니다.

4. 실험 과정

1. 실험 제어 소프트웨어를 시작하고 전원 버튼을 켭니다.
2. 액체 주입을 수행합니다.
   1. 솔레노이드 밸브에 12V를 적용하여 엽니다.
   2. 모터 버튼을 켜면 모터를 2.059mm의 단계로 누르고 10,305 mL의 실리콘 오일을 액체 풀에 주입합니다.
   3. 솔레노이드 밸브 전원을 끄고 솔레노이드 밸브를 닫습니다.
3. 선형 가열을 수행합니다.
   1. 다음과 같이 실험 조건을 설정: 가열 대상 온도 T_i = 50°C; 냉각 목표 온도 T_o = 15 °C; 및 가열 속도 = 0.5 °C / 분.
4. 데이터를 수집합니다.
   1. 적외선 이미저, 열전대, 변위 센서 및 CCD의 해당 샘플링 주파수를 각각 7.5Hz, 20Hz, 20Hz 및 25Hz로 설정합니다.
   2. 데이터 수집 시스템의 버튼을 클릭하고 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 온도, 변위 및 기타 정보를 모니터링합니다(그림7).
5. 전원 버튼을 끕니다.
   참고: 다음 실험의 온도와 냉기 끝의 온도가 주변 온도와 같을 때까지 1시간 정도 기다립니다.

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결과

정확한 부피비를 정의하고 CCD가 캡처한 이미지를 기반으로 액체 표면 지형을 재구성했습니다. 임계 불안정 상태를 결정하고 진동 특성은 단일 지점 온도 신호 및 변위 진동 신호에 대한 분석을 통해 연구되었습니다. 유량계의 구조를 수득하고, 유동 패턴의 전이를 시간이 지남에 따라 적외선 영상의 변화를 통해 결정하였다. 유량 특성, 유동 메커니즘 및 분기 전이는 여러...

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토론

공간 자원의 한계로 인해, 전체 장비의 부피는 단지 400 mm × 352 mm × 322 mm, 단지 22.9 ± 0.2 kg의 무게. 이것은 실험 장치를 선택하고 배치 할 때 매우 불편하며 유량 시스템의 구축이 중요한 단계가됩니다. 따라서, 증가온도차는 유체가 일련의 유동 현상을 생성할 수 있도록 액체 풀의 2단에 설정된다. 단일 실험에서 정상에서 진동까지 대류의 전체 공정을 관찰하기 위해 2cSt 실리콘 오일은 투명성과 적...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
anti-creeping liquid	3M	EGC-1700
CCD	WATTEC	WAT-230VIVID
Displacement sensor	Panasonic	HL-C1
Heating film	HongYu	125 Q/W335.1A
Hydraulic cylinder	FESTO	ADVU-40-25-P-A
Infrared camera	FLIR	Tau2
LED	693 Institute	10257MW7C
Montor	PI	M-227
Montor controller	PI	C-863
Pipe, 4mm	FESTO	PUN-4X0,75-GE
polysulfone plate	507 Institute
Refrigeration chip	Zhongke	9502/065/021M
Silicon oil, 2cSt	Shin-Etsu	KF-96
Solenoid	FESTO	MFH-2-M5
Temperature controller	Eurotherm	3304
Thermocouple, K-type	North University of China	ZBDX-HTTK