从地面向上,随着与球心距离增大,物 体受到的重力越来越小,当进入太空环境, 物体受到的重力几乎为零,我们把这种环境 称之为微重力环境。太空环境中,浮力对流 非常微弱,在这种特殊的环境中,还会发生 和地球上一样的现象吗?
我们以地球和微重力环境中的蜡烛火焰[1] 状态为例(如图 1 所示) ,地球上的蜡烛火 焰呈红黄色的长矛形,称为泪滴形火焰;而 微重力环境下的火焰则是蓝色的球形。这是 因为地面环境,亦称为常重力环境,蜡烛被 点燃后,火焰周围的温度升高,低密度的高 温已燃气体上升,而远离火焰、密度较高的 冷空气补充进来,形成了对流,将火焰拉成 长条形,并且由于不完全燃烧产生碳黑,因 此火焰呈红黄色。而微重力环境下,由于几 乎没有浮力对流,火焰只能安静的燃烧,且 能以更低温度维持燃烧,产生的碳烟含量较 少,因此火焰呈蓝色的球形。
假如你身处太空环境中,不小心碰倒一 杯水,不要担心水会亲吻你的脚,因为它会 趋于球形悬浮在空中(如图 2 所示) 。2013 年 6 月 20 日,神舟十号女航天员王亚平在天 宫一号开展了水膜和水球制作实验(图 3) , 演示了液体表面张力的作用。首先,她将一 个金属圈插入装满水的饮水袋中,抽出后在金属圈上便形成了一个水膜。为了验证该水 膜是否结实, 她轻晃金属圈, 水膜并未破裂, 只是甩出了一个小水滴。当她继续将一个画 有中国结图案的塑料片贴在水膜表面时,水 膜也依然完好。当在水膜上继续注水时,水 膜甚至会长成一个晶莹剔透的大水球。这些 魔法般的现象是如何发生的呢?地面常重力下,由于重力作用很强,分子与分子之间微 小的引力或斥力(称为表面张力)可以忽略 不计,水膜会在重力作用下四分五裂而难以 维持;但在微重力环境下,重力作用很弱, 这时微小的表面张力便充分显示它的能力— 使物体具有表面收缩到最小面积的倾向(最 小表面自由能) [2] 。由于球形的表面自由能 最小, 因此微重力下的水滴形状趋向于球形。
图 1 蜡烛燃烧(NASA)
图 2 太空中的水
(a)太空水膜
(b)太空水球
图 3 神舟十号太空授课照片(水膜与水球实验)
图 4 对冲湍流预混火焰示意图
在地球上,许多被重力(或浮力)效应 掩盖的“次级效应”在微重力这个特殊的环 境中往往会演变为主要因素,由此产生很多 奇妙的现象。从古至今,人类对于宇宙未知 领域的探索从未停止,而微重力下各种课题 的研究也成为近年来的研究热点。
这里再介绍一种对冲火焰。对冲火焰示 意图如图4所示[3],两个喷嘴固定在喷嘴架上, 上下对称布置的两个喷口几何尺寸相同。整 个喷嘴包括进气段、整流段、收缩段、出口 段和保护气段。湍流预混气体对冲实验是将 预先混合好的燃料和氧化剂同时从上下两个 喷嘴喷出,相遇后在两喷嘴之间形成稳定的 轴对称流场。点火之后,两个火焰稳定在自 由滞止点附近且被产物区域隔离,火焰出现图 5 微重力下的对冲火焰平台并且与喷嘴轴向方向垂直。
图 6 常重力下的对冲火焰
我们再对比一下微重力环境和常重力环 境下的预混气体对冲火焰 [3] 的不同形态, 如图 5 和图 6,与地面实验相比,微重力环 境下火焰更平坦、更对称;而常重力下的对 冲预混火焰边缘向上卷曲、翘起。两种环境 下的这种差异就是由是否具有浮力对流引起 的。
微重力与地面常重力存在的环境差异往 往导致各种不同的现象。就燃烧而言,当太 空环境中发生火灾时,不能再采取与地面火 灾相同的处理方式。因此,研究物质在微重 力环境下的特性和规律对于指导微重力环境 下的各种设计具有重要意义,这需要我们新 一代的研究者继续不断地努力。
参考文献:
[1] http: // www. New scientist. com/gallery /dn17734-space-station-science /2.
[2] 冯伟泉 , 柯受全 , 于东波 , 黎厉伟 . 航天飞机 G417 载荷研制及油滴与水滴接触微重力实验 . 航天器 环境工程 , 2014, 31: 115- 121.
[3] 王绥德 , 王双峰 , 王强 . 湍流预混火焰熄灭特 性的实验研究 . 燃烧科学与技术 , 2014, 20: 466-470.
作者简介:李丹,中国科学院 微重力实验室 2015 级硕博生, 导师 : 王双峰研究员。