天舟一号|中国将领先欧空局一步揭秘空间环境下的蒸发与冷凝 _小知识

出品：科普中国
制作：中国科学院空间应用工程与技术中心中国科学院力学研究所刘秋生团队中国科普博览
监制：中国科学院计算机网络信息中心
编者按：
刚刚发射成功的天舟一号，除了要与天宫二号交会对接、实施推进剂在轨补加，还要开展一系列空间科学实验和技术试验的任务。
中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统的总体单位，代表中国科学院抓总负责载人航天空间科学与应用任务的规划、实施及成果产出与推广，具体承担工程研制的组织管理，系统设计、集成、测试，可靠性保障，在轨技术支持，有效载荷运控管理，数据获取及应用成果的推广服务等系统技术支持、支撑、保障、服务工作。
在此特别感谢中国科学院空间应用工程与技术中心的支持！
中国首艘货运飞船天舟一号发射成功！
除了货运，天舟一号还承担着不少科学任务。其中一个项目，已经引起了欧空局的注意。
这个项目包括两个部分，空间蒸发与冷凝科学实验，和两相系统实验平台关键技术研究，负责人是中国科学院力学研究所刘秋生研究员。参与研究的除了中国科学院力学所，还有中山大学、中国科学院空间应用中心和东南大学。
这是我国首次空间冷凝与蒸发相变传热科学与热控技术实验研究，也是我国首次在一个空间实验装置中开展2种以上科学与技术实验的多目标流体物理空间实验。
实验有两个目的，在科学上，可望能够探究空间蒸发与冷凝相变传热特殊规律；在技术上，可望验证本次实验中采用的空间两相回路热控与实验流体管理等关键实验技术。
为什么这个项目能够引起欧空局的注意呢？这个项目究竟要做什么，又有什么意义呢？
为什么要研究空间的冷凝与蒸发？

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图1
蒸发与冷凝是自然界中普遍存在的现象，其相变传热过程也是物理学长期研究的经典问题。
如水挥发（蒸发）与降雨（冷凝）是我们地球人类生存环境维持的基本保障，这个循环过程每时每刻都受到重力引起的自然（浮力）对流的极大影响。
在地球上，这样的蒸发与对流对我们的生活产生了非常多的影响。例如，空调、热管等热设备都是利用相变传热原理设计的换热器。
空间飞行器（如载人空间站、卫星）中所处的微重力环境，没有自然对流，这将极大影响蒸发与冷凝相变过程，热设备工的作环境也将与我们地球上完全不同。
那么，地球上的空调和热管等散热器是否可以直接用到太空中？
它们在太空还可以正常的工作吗？
如果不能照搬地球上的现有热设备，那么“太空空调、太空热管”等空间热设备应该怎样设计或怎样使用？才能更好用或更耐用？

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图2. 空间在轨流体管理

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图3.空间热流体设备
现在我们对微（变）重力环境中的相变界面热毛细流动、空间两相流体界面的瑞利-泰勒（R-T）不稳定性、毛细输运稳定性等新问题和新现象的相关理论可以说是认知匮乏，但是，上图中所展示的空间热流体设备和空间在轨流体管理都需要这方面研究的支持。
所以这项研究对于空间站的建设、宇航员在太空的生活都有着重要意义。
前期欧美的空间实验已经初步发现，空间微重力环境中的一些热设备工作环境恶化，导致换热效率明显降低、使用寿命不如地面预期等技术问题。