研究人员指南 ： 流体物理学

国家航空航天局研究人员指南 ：流体物理 该国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 计划发布fi CE 的科学。作者:David F. Chao, 博士 *罗伯特 · 格林博士 * *Tyler Hatch *John B. McQuillen *William V. Meyer 博士 * * *Henry Nahra, 博士 *Padetha Tin, 博士 * * *Brian J. Motil, 博士 * *执行编辑 ： Bryan DansberryEditor: Carrie Gilder设计师 ： Cory Duke发布日期 ： 2015 年 10 月修订版 ： 2020 年 1 月盖和后盖:前面:零沸腾罐实验使用正戊烷模拟低温推进剂 ， 以研究挥发性流体吸收热量时对挥发性流体的加压。混合tank can be used to reduce the pressure. During this particular test, as the fluid was mixed压力下降 ， 油箱出口处的金属部件中的余热成核在罐中循环的较小的气泡围绕大的蒸汽气泡或罐体空隙。（ 图片来源 ： NASA ）背面:进行了空间近晶岛 （ OASIS ） 实验的观察和分析在微重力科学手套箱的国际空间站上。它研究了在微重力环境中自由悬浮的液晶 ， 以促进对二维流体动力学。该图像是薄 fi lm 液体的微观视图 ，包含多层液晶 ， 改变 fi lm 的局部颜色。两层晶体是黑色的 ， 大约 10 层是白色的 ， 25 层是黄色的 ， 50 层是红色的60 层为蓝色。 （ 图片来源 ： NASA ）* 低重力探索技术分支 ， 美国宇航局格伦研究中心 ， 俄亥俄州 44135* * 热系统和运输过程分支 ， 美国宇航局格伦研究中心 ， 俄亥俄州 44135* * * 大学空间研究协会 ， 美国宇航局格伦研究中心 ， 俄亥俄州 441352 实验室是开放的国际空间站 （ ISS ） 在地球上方 250 英里的轨道上运行提供了一个研究平台 ， 以改善地球上的生命 ， 使空间探索 ， 了解宇宙。这位研究员的意图指南是帮助潜在的 ISS fi uid 物理研究人员计划实验利用微重力环境来了解热量和质量transfer effect fuid flows and behavior. It covers the nature of theISS 上的加速环境 ， 可用于进行 fi uid 的设施物理学研究 ， 以前微重力研究的例子 ， 以及当前正在开发物理项目 ， 以便在国际空间站上执行。欧洲航天局宇航员指挥官 Alex Gerst 进行操作以重新配置光显微镜从高级胶体实验 - 温度 - 7 （ ACE - T - 7 ） 实验操作到生物物理学的模块 （ LMM ）实验操作。他拿着一个被移除的 ACE 模块。 (图片来源 ： NASA)3 4 国际空间站的独特功能研究环境1. 微重力， 或明显的失重 ， 改变了许多可观察到的物理和生命科学中的现象。系统和过程受微重力的影响包括表面润湿和界面张力 ，多相 <unk> 流与传热 ， 多相系统动力学 ，凝固 fi 阳离子 ， 以及 fi re 现象和燃烧。微重力诱导从细菌到人类 ，包括基因表达和三维 (3D) 的整体改变细胞聚集成组织样结构。2. 极端的外部环境条件强加给国际空间站包括暴露于极端的热和冷循环 ， 超真空 ， 原子氧气和高能辐射。材料的测试和鉴定暴露在这些极端条件下提供了数据 ， 以使在地球上以及在地球上使用的长寿命 ， 可靠的组件的制造世界上最先进的卫星和航天器部件。3. 低地球轨道在 51 度的轨道倾斜和 90 分钟的轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 海拔高度约为 250英里 （ 400 公里 ） 和超过地球 90% 的轨道路径这个轨道路径可以提供改进的空间分辨率和与太阳同步轨道相比 ， 可变照明条件典型的地球遥感卫星。5 目录实验室是开放的3578国际空间站研究环境的独特特征为什么使用 ISS 作为流体物理实验室 ？空间流体物理过去研究的结果复杂流体胶体8814液晶多相流和传热沸腾生产设施1819212223零沸腾罐实验填充床反应器实验受限蒸汽气泡实验界面现象 / 毛细管流2531国际空间站流体物理学研究的机会复杂流体3131323333343435胶体和悬浮液液晶泡沫粒状材料颗粒物管理磁流变液聚合物流体多相流3536363637零沸腾罐实验系列电液动力学绝热气液流动实验流动沸腾和冷凝实验毛细管、热毛细管和溶剂毛细管流动现象经验教训384041ISS 流体物理研究设施加速度测量和环境表征流体集成机架光显微镜模块41414242微重力科学 Glovebox加快对空间站 （ EXPRESS ） 机架的实验处理 43国际空间站发展和飞行流体物理研究资助、开发和开展国际空间站研究4445ISS 美国国家实验室其他政府机构国际资金来源464647引文首字母缩略词48516 为什么使用 ISS 作为流体物理实验室?Fu 是任何能够响应于施加力的材料 ； 因此 ， 两种液体几乎所有的生命支持过程 ， 环境和生物 ，Take place in the fluid phase. Fluid motion accounts for most transport and mixing在自然和人为过程以及所有生物体内。流体物理学是研究液体和气体的运动以及相关的质量、动量和能量的传输。需要更好地理解fi uid 行为创造了一个充满活力的多学科研究社区 ， 其持续的活力标志着新的 fi 领域在两个基本领域的不断涌现和应用科学。特别是低重力环境研究 <unk> uid 物理和输运现象的机会。失重条件允许研究人员在这在地球上是不可能的。在太空中进行的实验产生了丰富的结果。出乎意料的 ， 大多数无法在地球实验室中观察到。这些结果有提供了对适用于这两种情况的基本 fi uid 行为的有价值的见解地面和空间环境。此外 ， 对 fi uid 管理和推进和生命支持系统的热传递大大有助于美国在太空探索方面的领导地位。许多仍然未知或尚未完全理解。为了设计人类或机器人探索太空和其他行星环境 ， 它是有必要了解工程和 fi uid 系统在附近的运行情况 -在太空旅行或重力降低期间经历的失重环境在月球或火星上发现的环境。<unk> e 在空间或其他行星上的系统行为中的差异身体可以主要归因于浮力。接近消除浮力在低重力环境中不均匀的 FIID 和沉积由国际空间站提供 ， 允许科学家研究整个范围的行为虽然这些条件可以在自由落体设施中实现 ， 例如 drop塔和飞机 ， 这些测试的持续时间有限 ， 这对 fi uids 来说是不够的需要几分钟、几小时甚至几天才能成功进行的实验。<unk> e <unk> uid 物理学科 ， 专注于与重力相关的研究问题 ，包括对复杂的 fi uids 、多相 fi ow 和传热的研究 ， 以及界面现象 (包括毛细管法) 。7 过去研究的结果空间流体物理重力通过产生驱动运动、形状、相界和挤压气体。一个显著的 fi 不能重力驱动运动是浮力诱导的 fi ow ， 其中较轻、密度较低的 fi uids 在更密集的 fi uids fi ow 向下。这种类型的 fi ow 的一个例子可以在沸腾的水 ， 其中蒸汽气泡随着温度的升高而升高 ， 而密度较大的水则下降。沉降是一种类似的重力驱动现象。在微重力下 ，这些重力驱动的过程几乎被消除了。缺少这些现象使科学家能够观察到存在于在地球引力的影响下 ， 但通常被掩盖。复杂流体复杂的流体包括非牛顿流体 ， 如胶体、聚合物、泡沫、微乳液、凝胶、颗粒材料和许多生物材料如蛋白质、生物膜和细胞。复杂的流体包括一大类材料的尺寸范围从亚纳米到微米尺度与他们的物理熵和结构分子间相互作用决定的性质力和界面相互作用。对胶体 ， 液晶和行为的样品研究的描述以下部分提供了在国际空间站上进行的近晶气泡。胶体在国际空间站之前 ， 一系列的微重力实验是由自己的 ， 产生了许多新的和有趣的结果。一些早期的实验包括胶体无序跃迁 ， 胶体凝胶 - 2 和硬球物理学 ，所有人都在航天飞机上拥有。<unk> ey 揭示了硬球胶体中树突生长的 fi rst 观察结果systems. Research results established that cololid samples remaining in a glassy地球上的相 （ 即 ， 在地球上不结晶 ） ， 变得有序 （ 即 ， 结晶 ）在微重力中。在国际空间站上 ， 空间胶体物理 （ PCS ） 实验研究了相位不同的行为、生长动力学、形态和力学性能胶体悬浮液的类型 ， 包括二元胶体合金 （ 图 1 ） ， 胶体聚合物混合物、分形胶体聚集体和自然熵驱动从无序玻璃态到有序晶体态的转变 (图 2) 。8 Figure 1. ground vs. space: The two PCS photos above are of white light shown through binary alloy samples (Manley,et al, 2004). The left sample was grown on the ground and the right sample (sample AB6) was grown on the ISS during增量 2. 不同的颜色是不同波长的光被晶核衍射的结果 ，表明颗粒在悬浮液中的有序放置。一个清晰定义的光谱揭示了一个高度有序的胶体悬浮液中的颗粒位置二元胶体合金测试 (BCAT) - 3 / 4 / 5 / 6 实验是一组笔记本大小科学调查包含 10每个样品。一次在微重力船上环境国际空间站 ， 这些样本单独混合直到他们的结构是随机化和样品是拍摄为图 2. 研究进行的物理胶体在空间主要调查人员得出了一些意想不到的令人惊喜的结果 ： 解决方案 -结构进化。在地球上形成玻璃的物种在太空中形成晶体和树枝状生长 ；许多不同的领域fu uid 物理是已解决。以及初步研究预期的成核和生长 ， 但从未在晶体生长过程中观察到的 (Cheng 等 ， 2002) 。<unk> e BCAT 对种子生长的实验表明 ， 玻璃态 (完全无序) 样品在没有重力的情况下均匀结晶沉积和干扰如图 3 所示。种子颗粒的使用预测会导致异质成核 (许多不同的晶体) ， 而不是大的均匀晶体。9 图 3. 3.8 微米直径的 “种子 ” 颗粒在一起的混合物的扫描电极显微镜 （ SEM ） 图像与块状胶体 (0.33 微米直径的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 球体) 。球形表面可以产生径向向外生长的小原子核。因为曲率使其难以保持无应变的结构 ， 它们应该从表面分离 ， 允许种子产生新的晶核。BCAT 实验的另一个重点是相分离的研究ISS 上的模型关键型 FUID 样本。这些模型系统不需要传统的关键 fi uids 的微开尔文温度控制。作为一个模型用于理解由相同尺寸 （ 单分散 ） 颗粒形成的理想系统其吸引力可以通过添加聚合物来调节。耗竭吸引力用于确定粒子之间的有效吸引力。从这些研究发现 ， 临界点不是文献预测的地方(该文献基于在重力存在下观察相分离) 。需要一个真正的微重力环境来探测这些物理学。相位分离过程和有序无序过渡之间的竞争remains larely unstuded. BCAT measurements captured the archase of phase结晶分离是 “完整 ” 样品的重点。改进对这些过程的理解将导致更多的再 fi Ned 制造过程和商业产品。显示了一些令人兴奋和令人惊喜的结果在图 4 中。磁流变 (MR) - uids 是小型 (微米级) 的悬浮液非磁性介质中的超顺磁性粒子。当暴露于磁性时 ， 可以迅速转变为类似固体的状态10 图 4. 样品在微重力下的图像。左边