“十四五”时期是我国开启全面建设社 会主义现代化国家新征程的第一个五年,谋 划好“十四五”发展十分重要。新时期面对 我国社会主要矛盾变化带来的新要求,面对 错综复杂国际环境带来的新挑战,中国共产 党人坚持创新发展理念,在十九届五中全会 “坚持创新在我国现代化建设全局中的核心 地位,把科技自立自强作为国家发展的战略 支撑”,要求坚持“四个面向”,深入实施 创新驱动发展战略,加快建设科技强国。中 国科学院做为国家的战略科技力量,在这场 科技创新的国家体系建设中应该承担什么样 的角色,侯院长在《强化国家战略科技力量 使命担当,努力在科技自立自强中发挥骨干 引领作用》的报告中给出了庄严承诺,做为 党领导下的国家战略科技 “国家队”,要恪 守国家战略科技力量的使命定位,要围绕国 家重大战略需求攻坚克难、知重负重、勇于 担当,强化目标导向和问题导向,聚焦主责 主业,努力在科技自立自强和科技强国建设 中做出更大创新贡献。
在这场科技创新的大会战中,做为中科 院的基础科研单元,做为中科院的一份子, 我们每个课题组每一个人应该做哪方面的工作?我们课题组主要从事的领域是微重力流 体物理,涉及气液界面和流动稳定性、相变 传热、空间流体管理等方面的地基和空间实 验研究工作,当前刘秋生研究员正带领大家 承担中国空间站两相系统实验柜科学实验系 统的研制工作,目前两相柜飞行件已顺利完 成交付, 正在开展整机环境试验和系统联试。 后续的科研工作中,从国家需求出发,结合 研究基础, 可开展以下几个方面工作或布局。
(一)微—变重力环境下相变界面热质 输运特性与流动稳定性研究
航天战略地位持续攀升,其在国家整体 发展战略中的作用日益突出,各航天大国均 组建了天军, 世界航天呈现井喷式发展态势, 中国 2021 全年发射 55 次,位居全球第一, 完成了包括“空间站天和核心舱”“天问一 号火星探测器”等一系列成就, “探测更远、 巡航更长、驻留更久”,对于“进入空间、 利用空间和探索空间”的能力要求持续提升, 而微重力流体物理恰是航天器和运载器的空 间散热系统、空间流体机械、空间生保等流 体管理和热管理技术的重要支撑。
(1)空间气液两相流动与相变换热
NASA 将“微(弱)重力下的多相流、 流体管理和传热”作为空间流体物理优先建 议开展的首要空间实验研究方向之一。欧空 局先后启动了多项关于蒸发、冷凝和多尺度 沸腾的空间相变流体传热及重力影响规律的 研究计划。在中国载人航天工程计划框架中, 早在 2013 年“空间两相应用系统中的流动与 传热研究”已列为中国未来空间站上微重力 主要研究方向之一。按照空间站“建站为应 用”的发展理念,依托课题组承担的“空间 站两相柜科学实验系统”平台的技术和领域 优势,以空间科学项目的形式深度参与,利 用太空独特的长时间微重力环境,从流动稳 定性、强化换热方法、界面非平衡、空间抑霜等方面持续开展“空间复杂界面流动和传 热强化研究”。
图 2 中国空间站“两相系统实验柜”
(2) 空间低温流体物理规律研究与低温 推进剂在轨应用系列关键技术
未来深空探测任务中,低温推进剂液氢 / 液氧(LH2/LO2 )、甲烷 / 液氧(LCH4/ LO2 )等使用面临最突出的技术瓶颈是在空 间微—变重力、复杂外部热流、真空等多场 耦合环境中将面临长期在轨贮存、安全有效 管理、可靠性加注等。基于此,课题组联合 研究所、高校、行业用户,提出了在空间站 舱外建立“空间站低温流体研究与推进剂管 理实验平台”,以“空间站运维期实验平台 建设、科学项目群”中继续深化论证和加强 方案设计,后续可考虑依托该平台开展“空 间低温流体与推进剂在轨管理研究”项目群, 深入研究空间低温流体(推进剂)长期在轨管理与加注实验过程中科学问题和技术验 证。
(3) 空间飞行器姿态、流动耦合非线性 动力学与控制
在大型空间飞行器中,由于推进剂占到 结构重量的 90% 以上,由此衍生出的突出 问题是结构本体和液体推进剂的固液耦合问 题,尤其是未来深空探测中,飞行器面临着 重复使用、变重力环境下的多次启动、复杂 外力和外热等过中问题,在此过程中的重力 效应和表面张力效应的主导影响交替,再加 上高挥发液体推进剂的外热敏感性,产生了 复杂的“气—液— 固耦合的非线性问题”, 美国SLS、SpaceX 的星舰均出现过类似问题。 开展微—变重力、复杂载荷作用下推进剂和 飞行器结构耦合晃动带来的动力学和热力学 等科学问题的综合研究,验证空间飞行器姿 态、流动耦合非线性动力学控制方法,对于 航天器在各个空间场景下的可靠性重复使用 至关重要。
(二)高热流密度器件的散热方法研究
在国家双减的大要求下,能源的合理有 效利用是突出的问题。随着微电子、激光技 术、国防、航天技术的发展,包括空间高集 成电子学系统、兰金循环发电系统、高功率 密度电池、海量数据中心等,对于大功率热 源、高热流密度、高温度均匀性等热管理均 提出了更高的要求。因此,开展适应不同重 力环境下的喷雾冷却、紧凑型气液两相传热 装置的稳定性研究,研究对流换热、液膜表面蒸发以及液膜表面的核态沸腾传热,气液 两相流流型、流阻、热质传输与系统稳定性 等研究,深入探究能效比高、能耗低、质量小、 工质温变小的高效散热方法,将有利于支撑 民用领域到军事场景应用。
上述的考虑主要基于流体动力学和热力 学耦合下的应用场景,国内从事该领域的高 校、行业部门也有不少,大家各有优缺点, 科学院的优势在于有空间的平台,可以开展 科学问题研究,但对于行业的技术需求和发 展态势不太了解。行业部门的优势在于他们 是最终的用户,更加关注关键技术的尽快落 地,从基础研究方面的项目申请方面话语权 偏弱。目前商业航天发展如火如荼,国家队 在深空探测领域持续布局,科学院和行业部 门联合申请更容易发挥各自在研究基础、行 业资源方面的优势, 也更容易聚焦关键问题。
在科技创新的大需求和科技报国的使命 引领下,我们需要瞄准实际应用场景,开展 基础研究, 稳中求进, 科研方式从“自由探索” 向“国家需求牵引”转变,联合所内外的潜 在的科研组织,集中力量干大事,努力在科 技强国建设中贡献更大力量。
朱志强,副研究员,中 国科学院微重力重点实验室。 研究方向:相变界面热质输 运,微重力流体物理。