“天宫搭桥”探秘热毛细对流

“天宫二号”肩负为空间站积累经验的使命，是中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。荷载的实验项目众多且涉及领域广泛，其中一个项目是中国首次在微重力条件下开展的液桥热毛细对流实验。

所谓液桥就是由液体形成的“桥”。和生活中常见到的桥不同，它并不是真正意义上的桥，而是取其连接两地之意，液桥就是连接两固体表面之间的小液柱。

气液之间存在表面张力，使液桥得以维持，但是在正常重力的条件下，表面张力很小，液桥的尺寸也就很小，难以达到实验要求。而在太空，物体处于“漂浮”状态，表面张力变大，可形成大液球，建立起大尺寸的液桥，为开展液桥热毛细对流实验提供便利。

大多数人对热毛细对流现象陌生，但是很熟悉浮力现象。日常生活中，当流体受热膨胀后，就会往上浮;而流体冷却缩小后，就会下沉，由此形成自然对流，浮力对流是自然对流的主要形式。

在太空微重力的环境下，失重会导致浮力消失，浮力对流也就随之消失了。“天宫二号”液桥热毛细对流空间实验项目主任设计师康琦介绍说，在空间微重力的作用下，热毛细对流现象会取代浮力对流成为主要自然对流形式。

对于热毛细对流现象是一种怎样奇妙的物理过程，“天宫二号”液桥热毛细对流空间实验项目副主任设计师段俐解释说，热毛细对流是一种与流体表面或者界面相关的热对流现象。众所周知，流体的交界面上存在着分子间的相互作用力，也就是表面张力，而随着温度变化，表面张力大小也会相应变化。所以，当流体交界面上的温度分布不均匀时，就会造成在不同的位置，表面张力的大小不同，从而形成驱动流体流动的现象，这就是热毛细对流现象。

热毛细对流现象在实际工业生产中有着广泛的应用，特别是高质量晶体的生长过程。康琦表示，要生产出高质量的半导体晶体材料，就要科学控制晶体生长过程中浮力对流、热毛细对流的影响，而太空特有的微重力环境将使科学家可以深入剖析热毛细对流的真实过程。

液桥作为一种典型的热毛细流动体系，是晶体生长的重要方法——浮区法的主要模型，也是此次“天宫二号”液桥热毛细对流空间实验项目的主要实验装置。这套液桥热毛细对流实验箱重13公斤，历经3年多的研制，通过层层地面试验的考验，在太空中这个实验设备可通过控制完成注液、拉桥、清桥、温度控制、温度和图像采集及打包传输等操作。其中，实验用的流体介质-硅油被储存在液缸内，通过高精度PI电机牵引实现注液、拉桥，最后完成建桥这一过程。段俐特别介绍说，这个设备里设计安装了清桥系统，一旦在太空实验过程中出现断桥现象，可以通过电机驱动清桥系统擦洗桥柱实现再建桥过程，这也是此次项目实验装置的重要特色之一。同时通过图像传感器进行图像的采集，观测液桥的状态，科学家可在地面上通过软件操作来控制实验的进行，实现天地互动。

实验证明热毛细流动也会导致晶体的微观结构缺陷。甚至当温差超过临界条件时，这种热毛细流动还会进入一种振荡流的状态，流体内部也表现出温度的振荡，晶体在生长的过程中会忽冷忽热，造成缺陷。

此次实验主要研究在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，同时突破并掌握微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术，进一步提升微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。期待我国自主研发的这套空间科学实验装置带来丰硕的科学成果，带我们一同窥探神奇的热毛细对流更深层次的奥秘。