液橋是座什么橋？
——“天宮二號”液橋熱毛細(xì)對流實驗
2017-01-20 08:04:33中國科學(xué)院力學(xué)研究所吳笛
軍事文摘 2016年22期
◎文/中國科學(xué)院力學(xué)研究所 吳笛
液橋是座什么橋？
——“天宮二號”液橋熱毛細(xì)對流實驗
◎文/中國科學(xué)院力學(xué)研究所 吳笛
“天宮二號”的自我介紹：
嗨，同學(xué)們好！也許你已經(jīng)聽說了，2016年9月15日我從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功飛向太空。我是一個真正意義上的空間實驗室，而且我這次到太空將要開展10余項空間科學(xué)與應(yīng)用項目，應(yīng)用項目是我國載人航天歷次任務(wù)中最多的一次哦。其中，涉及微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測、空間環(huán)境監(jiān)測、對地觀測及地球科學(xué)研究以及新技術(shù)試驗等多個領(lǐng)域。今天我想為大家介紹的就是其中一項—液橋熱毛細(xì)對流實驗項目。一聽這個名字好像很復(fù)雜，別急，讓我?guī)懵磦€究竟！
著名的趙州橋
液體組成的橋——液橋
說到橋，大家首先想到的應(yīng)該是交通道路的橋梁結(jié)構(gòu)，比如獨木橋、石拱橋、鋼筋混凝土橋、斜拉橋等等，這些橋都是由質(zhì)地堅硬的固體結(jié)構(gòu)材料搭建而成的。
那么，你是否見過一種橋是由水或者液體做成的呢？答案是肯定的！當(dāng)你在洗手的時候，指間的小液柱就是液橋。
什么是液橋？
液橋其實并不是我們常見的交通運輸?shù)臉蛄?，而是在固體間的小液柱。之所以被稱為液橋，是因為“橋”字有連接兩地的含義，液橋就是連接著兩個固體表面之間的一段液體。所以，你若想站在液橋上看風(fēng)景，那是不可以的哦！
液橋如何形成？
氣液界面之間存在著表面張力，使得液體表面好比有一層很薄的彈性薄膜一樣。正是這樣一層“虛擬”的薄膜，使得液橋的表面形貌得以維持，而不會垮塌。由于表面張力很弱，所以在正常重力環(huán)境下形成的液橋尺寸很?。ㄍǔＶ挥袔缀撩祝?，超過這個尺寸，液橋?qū)o法平衡其重力而垮塌。
你能把液橋拉多長？
液橋的尺寸雖小，可是卻不能小看它的作用哦！我們一定有這樣的體會∶在沙灘上，如果用手捏一把干燥的細(xì)沙，松手還是散沙；但是如果在沙子中摻一點水，就可以捏出各種形狀的沙團(tuán)。
干燥的細(xì)沙
這是因為干燥的散沙加入水后，水在細(xì)微的沙子顆粒之間形成了液橋，使得散沙能聚集起來。我們用寫字的毛筆，蘸了墨水后能形成一個筆鋒，也是因為在筆毫間形成了液橋。仔細(xì)觀察，生活中液橋的例子還有很多。
摻水的沙
毛筆蘸墨水后形成筆鋒
沙粒間液橋?qū)ι沉５淖饔?/p>
神秘的空間實驗裝置
也許你覺得這些生活中的小例子不足為奇，但其實，液橋是“太空微重力流體力學(xué)研究”的一個重要課題。
你知道嗎？在“天宮二號”上就搭載著這樣一個神秘的科學(xué)實驗裝置—液橋熱毛細(xì)對流實驗箱，專門用來開展液橋熱毛細(xì)對流實驗。
這套液橋熱毛細(xì)對流實驗箱重13千克，大小比普通臺式電腦還要小。紅色電接口完成裝置的供電和通信?？茖W(xué)家在地面安排實驗動作并上傳指令，實驗箱收到指令后，內(nèi)部機(jī)構(gòu)將相互配合完成一系列的實驗操作。
“天宮二號”上的液橋熱毛細(xì)對流實驗箱
>太空中的液橋和地面上的液橋有何不同？>
特點1：可以建立大尺寸液橋
在微重力環(huán)境下，重力幾近消失，物體處于漂浮的狀態(tài)。地面上只能形成的小液滴，到了空間站便可以形成大的液球。這是因為重力消失后，表面張力大顯神威。
于是，利用太空的微重力環(huán)境，可以建立起很大尺寸的液橋，而這在地面上將是不可能的事情。
目前，國際空間站上已經(jīng)做出了直徑50毫米的液橋。想讓液橋保持穩(wěn)定是有前提的，理論上講，需要保證液橋的高度和直徑的比例小于一定值。否則，液橋過于細(xì)長，即使是在太空還是會“斷橋”。
在太空中擰濕毛巾的效果
太空中液橋不穩(wěn)定斷橋過程
特點2：可以產(chǎn)生熱毛細(xì)流動
當(dāng)液橋兩端的溫度不一樣的時候，一端熱一端冷，在液體表面張力的作用下，會產(chǎn)生熱毛細(xì)流動。熱毛細(xì)流動是空間微重力環(huán)境下的主要自然對流形式。
表面張力會隨著溫度變化，溫度高的地方表面張力低，溫度低的地方表面張力高，表面張力不均勻成為驅(qū)動微重力流動的因素。由于表面張力又稱毛細(xì)力，所以這種表面張力溫度效應(yīng)驅(qū)動流動，又稱為熱毛細(xì)流動。
表面張力驅(qū)動的液橋熱毛細(xì)對流機(jī)理
微重力環(huán)境下的對流和地面自然對流有很大的不同∶
在地面上，浮力對流是自然對流的主要形式，流體受熱膨脹后，就會往上??；而流體冷卻縮小后，就會下沉，自然對流就形成了。
要知道，從開水壺里的流動到大氣環(huán)流都是浮力對流機(jī)制。產(chǎn)生浮力對流的根本原因是重力作用，所以在空間微重力環(huán)境下，浮力對流消失，熱毛細(xì)流動開始主導(dǎo)自然對流。
正常重力環(huán)境下的浮力對流
令科學(xué)家頭疼的熱毛細(xì)流動
由于地面浮力效應(yīng)的掩蓋，熱毛細(xì)效應(yīng)曾經(jīng)一度被忽視?？茖W(xué)家們曾經(jīng)以為，只要沒有重力，對流就會消失。那么，太空將是理想的無對流環(huán)境，如果在這種環(huán)境中制造高純度晶體，將會得到高純度的單晶。
但是，現(xiàn)實永遠(yuǎn)是殘酷的。很多科學(xué)家專門在國際空間站和探空火箭上（微重力環(huán)境）開展了晶體生長實驗。結(jié)果呢？與地面類似，晶體還是有條紋缺陷。
生長出的高純（99.999%）單晶鉭
晶體生長得到的條帶缺陷
最后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境下自然對流并沒有消失。雖然浮力對流消失了，但是在地面上名不見經(jīng)傳的熱毛細(xì)對流卻起作用了，變成了攔路虎，這大約就是俗話常說的“按了葫蘆起了瓢”吧。
更不可思議的是，當(dāng)溫差超過臨界條件時，這種熱毛細(xì)流動還會進(jìn)入一種振蕩流的狀態(tài)，可以表現(xiàn)為溫度的振蕩。想想晶體在生長的過程中，忽冷忽熱的，不出現(xiàn)條紋才怪！通過太空和地面的對比實驗，人們才知道，即使在地面熱毛細(xì)流動也會導(dǎo)致這種條帶缺陷微觀結(jié)構(gòu)。所以說，熱毛細(xì)流動震蕩就是晶體生長中一個專搞破壞的“熊孩子”。
第一次太空液橋?qū)嶒?/h2>
我國科學(xué)家一直以來期待著能在空間微重力環(huán)境進(jìn)行實驗，揭開熱毛細(xì)對流的神秘面紗。經(jīng)過多年努力，“液橋熱毛細(xì)對流”研究項目終于拿到了一張“天宮二號”的“船票”，這也是我國第一次在微重力條件下開展液橋熱毛細(xì)對流實驗。
讓我們一起期待這套空間科學(xué)實驗裝置帶來豐碩的科學(xué)成果，探尋神奇的熱毛細(xì)對流更深層次的奧秘吧！
（本文首發(fā)于“科學(xué)大院”微信公眾號，由中國科學(xué)院力學(xué)研究所供稿。）
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