液桥是座什么桥?——“天宫二号”液桥热毛细对流实验

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液桥是座什么桥?——“天宫二号”液桥热毛细对流实验
作者:暂无
来源:《军事文摘·科学少年》 2016年第11期
文/中国科学院力学研究所吴笛
“天宫二号”的自我介绍:
嗨,同学们好!也许你已经听说了,2016年9月15日我从酒泉卫星发射中心成功飞向太空。

我是一个真正意义上的空间实验室,而且我这次到太空将要开展10余项空间科学与应用项目,应用项目是我国载人航天历次任务中最多的一次哦。

其中,涉及微重力流体物理、空间材
料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术
试验等多个领域。

今天我想为大家介绍的就是其中一项—液桥热毛细对流实验项目。

一听这个
名字好像很复杂,别急,让我带你慢慢看个究竟!
什么是液桥?
液桥其实并不是我们常见的交通运输的桥梁,而是在固体间的小液柱。

之所以被称为液桥,是因为“桥”字有连接两地的含义,液桥就是连接着两个固体表面之间的一段液体。

所以,你
若想站在液桥上看风景,那是不可以的哦!
说到桥,大家首先想到的应该是交通道路的桥梁结构,比如独木桥、石拱桥、钢筋混凝土桥、斜拉桥等等,这些桥都是由质地坚硬的固体结构材料搭建而成的。

那么,你是否见过一种桥是由水或者液体做成的呢?答案是肯定的!当你在洗手的时候,
指间的小液柱就是液桥。

液桥如何形成?
气液界面之间存在着表面张力,使得液体表面好比有一层很薄的弹性薄膜一样。

正是这样
一层“虚拟”的薄膜,使得液桥的表面形貌得以维持,而不会垮塌。

由于表面张力很弱,所以
在正常重力环境下形成的液桥尺寸很小(通常只有几毫米),超过这个尺寸,液桥将无法平衡
其重力而垮塌。

你能把液桥拉多长?
液桥的尺寸虽小,可是却不能小看它的作用哦!我们一定有这样的体会:在沙滩上,如果
用手捏一把干燥的细沙,松手还是散沙;但是如果在沙子中掺一点水,就可以捏出各种形状的
沙团。

这是因为干燥的散沙加入水后,水在细微的沙子颗粒之间形成了液桥,使得散沙能聚集起来。

我们用写字的毛笔,蘸了墨水后能形成一个笔锋,也是因为在笔毫间形成了液桥。

仔细观察,生活中液桥的例子还有很多。

神秘的空间实验装置
也许你觉得这些生活中的小例子不足为奇,但其实,液桥是“太空微重力流体力学研究”
的一个重要课题。

你知道吗?在“天宫二号”上就搭载着这样一个神秘的科学实验装置—液桥
热毛细对流实验箱,专门用来开展液桥热毛细对流实验。

这套液桥热毛细对流实验箱重13千克,大小比普通台式电脑还要小。

红色电接口完成装置的供电和通信。

科学家在地面安排实验动作并上传指令,实验箱收到指令后,内部机构将相互
配合完成一系列的实验操作。

太空中的液桥和地面上的液桥有何不同?
特点1:可以建立大尺寸液桥在微重力环境下,重力几近消失,物体处于漂浮的状态。


面上只能形成的小液滴,到了空间站便可以形成大的液球。

这是因为重力消失后,表面张力大
显神威。

于是,利用太空的微重力环境,可以建立起很大尺寸的液桥,而这在地面上将是不可
能的事情。

目前,国际空间站上已经做出了直径50毫米的液桥。

想让液桥保持稳定是有前提的,理论上讲,需要保证液桥的高度和直径的比例小于一定值。

否则,液桥过于细长,即使是在太
空还是会“断桥”。

特点2:可以产生热毛细流动
当液桥两端的温度不一样的时候,一端热一端冷,在液体表面张力的作用下,会产生热毛
细流动。

热毛细流动是空间微重力环境下的主要自然对流形式。

表面张力会随着温度变化,温
度高的地方表面张力低,温度低的地方表面张力高,表面张力不均匀成为驱动微重力流动的因素。

由于表面张力又称毛细力,所以这种表面张力温度效应驱动流动,又称为热毛细流动。

微重力环境下的对流和地面自然对流有很大的不同:
在地面上,浮力对流是自然对流的主要形式,流体受热膨胀后,就会往上浮;而流体冷却
缩小后,就会下沉,自然对流就形成了。

要知道,从开水壶里的流动到大气环流都是浮力对流
机制。

产生浮力对流的根本原因是重力作用,所以在空间微重力环境下,浮力对流消失,热毛
细流动开始主导自然对流。

令科学家头疼的热毛细流动
由于地面浮力效应的掩盖,热毛细效应曾经一度被忽视。

科学家们曾经以为,只要没有重力,对流就会消失。

那么,太空将是理想的无对流环境,如果在这种环境中制造高纯度晶体,
将会得到高纯度的单晶。

但是,现实永远是残酷的。

很多科学家专门在国际空间站和探空火箭
上(微重力环境)开展了晶体生长实验。

结果呢?与地面类似,晶体还是有条纹缺陷。

最后,科学家发现,在微重力环境下自然对流并没有消失。

虽然浮力对流消失了,但是在
地面上名不见经传的热毛细对流却起作用了,变成了拦路虎,这大约就是俗话常说的“按了葫
芦起了瓢”吧。

更不可思议的是,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,可以表现为温度的振荡。

想想晶体在生长的过程中,忽冷忽热的,不出现条纹才怪!通过太空和地面的对比实验,人们才知道,即使在地面热毛细流动也会导致这种条带缺陷微观
结构。

所以说,热毛细流动震荡就是晶体生长中一个专搞破坏的“熊孩子”。

第一次太空液桥实验
我国科学家一直以来期待着能在空间微重力环境进行实验,揭开热毛细对流的神秘面纱。

经过多年努力,“液桥热毛细对流”研究项目终于拿到了一张“天宫二号”的“船票”,这也
是我国第一次在微重力条件下开展液桥热毛细对流实验。

让我们一起期待这套空间科学实验装置带来丰硕的科学成果,探寻神奇的热毛细对流更深层次的奥秘吧!
(本文首发于“科学大院”微信公众号,由中国科学院力学研究所供稿。

)。

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