青少年探究太空中水傳熱規(guī)律實驗設計

鄧櫳濤

【摘要】隨著人類對宇宙的不斷探索，必將面臨在微重力的環(huán)境下液體加熱的問題。目前，在太空中對水的加熱方式并不理想，存在如加熱機器笨重，加熱不均勻，加熱效率低，對資源浪費較大等問題。通過設計一個實驗探究太空中水的傳熱規(guī)律為將來對太空水加熱方式與加熱器的設計提供理論基礎。

【關鍵詞】空間站 傳熱規(guī)律 密度 航天員 失重人類自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星上天到現(xiàn)在的半個世紀，開展了眾多近地和近日空間探索和開發(fā)。如今，載人航天技術發(fā)展水平不僅是一個國家的綜合國力的體現(xiàn)，更聯(lián)系著一個國家的國防安全。近年來，我國載人航天事業(yè)飛速發(fā)展，取得了舉世矚目的成績，使得我國躋身成為世界航天大國前列。

為保障航天員的各項生命指標，載人航天器的生命保障系統(tǒng)創(chuàng)造的航天器內(nèi)部環(huán)境應盡量接近地面。盡管如此，航天員在太空環(huán)境下的生活依然會有很多不便。早期的航天員只可攝入冷食，隨著航天食品系統(tǒng)技術逐漸發(fā)展，允許航天員食用熱食，但食品加工方式受限，航天器發(fā)射成本較高，因此對航天器上設置的各項系統(tǒng)的尺寸、功能、重量、體積等都有嚴格限制。因為將生冷的食物轉化為熟食需要高溫，而用電設備在使用過程中會釋放電磁波，高溫需要高功率，釋放的電磁波會影響航天器內(nèi)其他設備的正常運行造成安全隱患。

目前，在太空中對水的加熱方式并不理想，存在如加熱機器笨重，加熱不均勻，加熱效率低，對資源浪費較大等問題。根據(jù)由中國科協(xié)技術協(xié)會、中國科學院、中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團公司主辦，中國科協(xié)青少年科技中心、中國宇航學會承辦“2017年空間站搭載青少年科學實驗方案征集活動”需求，通過探究太空中水的傳熱規(guī)律來為將來對太空水加熱方式與加熱器的設計提供理論基礎。

一、研究方法

熱量是指由于溫差的存在而導致的能量轉化過程中所轉化的能量，是能量傳遞的一種形式，是系統(tǒng)能量轉換的度量。熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導，熱對流，熱輻射。太空微重力環(huán)境下與在地球地面上氣體與液體傳熱規(guī)律并不相同，下面從這三個方面分別闡述這三種熱傳導方式的基本原理并對太空中和地面上加熱水的過程進行分析。

1.熱傳導的影響

物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞成為熱傳導，簡稱導熱。根據(jù)已有的實際導熱問題的經(jīng)驗提煉和實驗結果，導熱現(xiàn)象的規(guī)律已經(jīng)總結為傅里葉定律。對簡化的一維導熱問題，即溫度僅在一個方向x上發(fā)生變化，方向x沿容器中心線方向。對于x方向上任意一個dx的微元層來說，根據(jù)傅里葉定律，單位時間內(nèi)通過該層的導熱熱量與該處的溫度變化率及面積成正比。

2.熱對流的影響

熱對流是由于液體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷、熱流體相互摻混導致的熱量傳遞過程。熱對流僅能發(fā)生在流體中，因而熱對流必然伴隨著有熱傳導現(xiàn)象。引起液體流動的原因可分為自然對流與強制對流兩大類。自然對流是由于流體冷、熱部分的密度不同而引起的。如果流體的流動是由于水泵和風機等壓差作用造成的，則稱為強制對流。對于水箱中的水進行加熱由于沒有水泵等因素作用忽略強制對流的影響。

對在軌航天器內(nèi)部的參考系中，地心引力與慣性離心力相抵消，航天器內(nèi)部整體呈現(xiàn)出微重力的狀態(tài)。由于微重力極小，在航天器內(nèi)部的液體產(chǎn)生的浮力與自然對流大小可忽略。

3.熱輻射的影響

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射，因熱的原因而發(fā)出的輻射能量稱為熱輻射。實驗表明，物體的輻射能力與溫度有關，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領也大不一樣。把能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能量的物體稱為黑體，黑體的吸收本領和輻射本領在相同溫度的物體中是最大的。

本次實驗使用的是液體是純水，溫度范圍為24℃至70℃，在溫度為70℃時。為了減小水向外的熱輻射，采用在容器內(nèi)側鍍高反射率的材料并忽略熱輻射在本實驗中的影響。且輻射進入固體后會被很快吸收，不會向外界傳熱。

二、實驗設計

通過選題背景中分析的物理模型可知，太空中水的熱力傳導只包含傅里葉定律，而傅里葉定律只適用于勻質介質中，因此本實驗中的容器中將充滿水，沒有其他介質。溫度選取從室溫（24℃）加熱至太空中復水箱出水溫度70℃。容器使用在20℃-70℃下膨脹系數(shù)低的材料。為精確探究出時間、溫度、距離間的規(guī)律，我們將使用精度為0.1℃的傳感器。

1.地面組實驗步驟

（1）將容器內(nèi)部元器件組裝好，擰緊容器兩端蓋子。將容器水平放置；

（2）將容器內(nèi)注滿水，同時檢查容器密閉性；

（3）接通電源，加熱器開始加熱的同時開始記錄各個點的溫度讀數(shù)；

（4）當距離加熱端最遠的一組溫度傳感器（三只）的讀數(shù)都達到70攝氏度時停止加熱；

（5）待容器內(nèi)水溫恢復室溫后再將容器的加熱端直立在上端與直立在下端是分別重復前面的實驗，每種實驗分別進行5次。

2.太空組實驗步驟

（1）在地面將容器內(nèi)部元器件組裝好后，擰緊容器兩端蓋子；

（2）將容器內(nèi)注滿水，同時檢查容器密閉性；

（3）當空間站進入預定軌道后，將容器平放在天花板上；

（4）接通電源，加熱器開始加熱的同時開始記錄各個點的溫度讀數(shù)；

（5）當距離加熱端最遠的一組溫度傳感器（三只）的讀數(shù)都達到70攝氏度時停止加熱；

（6）待容器內(nèi)水溫恢復室溫后，以天花板為參考系，將容器的加熱端直立在上端與加熱器直立在下端是分別重復前面的實驗。

3.容器設計

根據(jù)太空中對存水的罐頭的加熱方式進行試驗儀器的設計。加熱時加熱片與金屬過盈塞接觸，通過金屬過盈塞對內(nèi)部的水進行加熱，整個過程是一個三維的加熱過程，為了試驗的簡單，將加熱過程簡化為一維。因此容器主體設計為一內(nèi)徑為80mm，使用導熱性差的PEEK（聚醚醚酮）的圓環(huán)體，壁厚10mm，主體兩端分別有蓋，蓋與主體使用相同材質，通過螺紋連接，用密封圈進行密封。螺紋依照GB/T 15756-2008設計，大徑100mm，小徑96.9mm，螺距3mm。為防止熱量通過熱傳導方式從容器壁傳導到外界導致熱量損失，使試驗數(shù)據(jù)不準確，容器采用雙層結構（外層未在效果圖上畫出）。外層與傳感器蓋為一體，大徑115mm，小徑110mm，通過螺紋連接到加熱器蓋，密封后容器夾層抽為真空，防止容器內(nèi)壁向外傳熱。加熱側的蓋上安置一片半徑為30mm的電加熱器，功率為45W，采用28V直流供電，在距離加熱側開口30mm處設置第一組溫度傳感器，之后每隔30mm設置一組溫度傳感器，共設置多組傳感器。每組溫度傳感器由三只溫敏電阻組成，分別位于管上方，管中央，與管下方，三個溫敏電阻都不與容器壁接觸，通過支架連接到管壁。所有溫敏電阻的數(shù)據(jù)線從空心支架輸出到容器外。容器的另一蓋上螺口包裹一層一氯丁乳膠。

4.測溫設計

電路部分目的是檢測容器內(nèi)各個監(jiān)測點的實時溫度，該電路以Arduino為基礎，整體電路設計搭載在Arduino之上的。本課題將會用到MEGA2560集成電路板以及一塊擴展板對數(shù)字信號輸入引腳的數(shù)量進行擴充。

測溫由傳感單元、計算單元兩大部分組成。傳感器我們選用的是Si7051數(shù)字傳感器，精度±0.1℃，通過I2C總線與單片機溝通。

三、實驗分析

采集到每次實驗的數(shù)據(jù)后，計算出每一組傳感器的平均值，記作該截面的溫度，每個測溫點根據(jù)時間與溫度變化可畫出溫度-時間變化曲線，每個時刻可以畫出溫度-距離變化曲線。

地面上液體受重力場影響存在熱對流，比較地面上不同擺放方式加熱曲線的不同。太空中液體加熱不受熱對流的影響，比較不同擺放方式加熱曲線的是否存在不同。最后比較太空中加熱曲線與地面上加熱曲線的不同，因為地面上存在熱對流，因此地面上溫度-距離變化曲線應該比太空上的曲線更加平緩。

四、方案總結

本實驗方案中包含兩組實驗，一組在地面進行，一組在空間站中進行，目的為探究太空中水的傳熱規(guī)律。通過理論推測，我們可以得出太空中對密閉容器中的水加熱時，熱量只通過熱傳導的方式傳播，不會有熱對流的產(chǎn)生，因此地面組實驗的加熱效率應比太空組的高，且太空組中的三個實驗得出的熱傳導規(guī)律應完全相同。本實驗通過太空中對水加熱的實驗，可以得到水的導熱率，通過與地面實驗的對比得到熱對流因素對水加熱過程中的影響。

在實驗容器設計上，采用導熱性差的PEEK（聚醚醚酮）材料，減少了實驗容器本身的傳熱對實驗的影響；加熱時加熱整個容器的橫截面，使容器的截面均勻受熱；采用雙層的結構減少由于熱傳導向外傳導的熱量；利用在容器內(nèi)側鍍高反射率膜的方式減少熱輻射向外輻射的熱量。在有限的空間與條件下以盡可能精準的采集溫度在時間與空間上的數(shù)據(jù)變化。

通過本實驗，我們可以觀察太空中水的傳熱行為，探究出在太空中水的傳熱規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律給出提高加熱效率的方式，為以后優(yōu)化失重環(huán)境下的液體加熱裝置提供理論依據(jù)。

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本課題受中國科學院科技人才早期培養(yǎng)計劃支持，成果獲“2017年空間站搭載青少年科學實驗方案”一等獎。本課題指導專家：中國航天科技集團錢航博士。