Экспериментальные исследования конвективных процессов в газовых и сверхкритических средах на орбитальном комплексе «Мир»

Актуальность проблемы.

Развитие космонавтики стимулировало исследования процессов роста полупроводниковых и белковых кристаллов, получения сверхчистых и композиционных материалов, электрофореза, поведения жидкости, газа и плазмы в условиях невесомости. Предполагалось, что отсутствие силы тяжести на орбитальных космических объектах, как одного из основных факторов, определяющих тепломассоперенос в жидкостях и газах, позволит реализовать практически диффузионный режим массопереноса в большинстве технологических процессов и получать в этих условиях высококачественные материалы с высокой однородностью свойств. Кроме того, ожидалось, что исключение конвекции даст возможность получить точные значения отдельных теплофизических параметров различных веществ. Однако результаты уже первых экспериментов, выполненных в условиях реальной невесомости, свидетельствовали о возможном влиянии на эти процессы микрогравитационной обстановки, существующей на борту космических аппаратов (КА). Наблюдалась значительная неоднородность концентрации легирующих примесей в выращенных кристаллах, невоспроизводимость результатов одних и тех же космических экспериментов, проведенных на одном и том же оборудовании, но в разное время. Ряд кристаллов, выращенных в орбитальных условиях, имел более высокую неоднородность свойств, чем их наземные аналоги. В экспериментах по выращиванию кристаллов из газовой фазы наблюдалась неожиданно большая скорость роста, чем это следовало, исходя из модели диффузионного массопереноса. Диффузионные коэффициенты переноса, измеренные на КА с использованием виброзащитных платформ, ослабляющих действующие вибрационные микроускорения, были значительно ниже найденных на фоне собственных микроускорений в обычном режиме полета КА.

Многие из перечисленных выше явлений могут быть объяснены наличием слабых конвективных течений, способных возникать в микрогравитационном поле КА. Первые экспериментальные подтверждения этого были получены на основе анализа теплопроводности сжиженных газов ещё во время полета КА «Аполлон-14». Однако, попытки прямого наблюдения и исследования конвекции, обусловленной действующими на борту КА микроускорениями, предпринятые до работ, выполненных в рамках настоящей диссертации, были безуспешными.

Воздействие реального поля массовых сил на борту КА оказалось более сложным, чем это представлялось на первом этапе исследований. Последующие работы и эксперименты, дополнительный анализ уже выполненных экспериментов показали, что сложившаяся ситуация связана с недостаточной изученностью физических основ проблемы. Действительно, в космических экспериментах, в силу имеющихся представлений о перспективах переноса в космос производства ряда уникальных и дорогостоящих полупроводниковых и биологических материалов, наибольшее развитие получили процессы объёмной кристаллизации из раствора, направленной кристаллизации из раствора или расплава, бестигельной зонной плавки и роста из газовой фазы. Эти процессы сильно зависят от состояния среды, из объема которой к границе растущего кристалла поступают исходные компоненты: градиентов температуры и концентрацииналичия и свойств примесей или транспортных агентовналичия потоков, их характера и интенсивностискорости движения и формы фронта кристаллизацииналичия или отсутствия свободной поверхноститеплофизических свойств среды и условий теплопередачи. В силу такого большого количества действующих факторов и параметров, практически невозможно иметь полную информацию, характеризующую тот или иной технологический процесс, а выявление и анализ влияния микроускорений на сложные и взаимосвязанные физические механизмы, сопровождающие такие процессы, зачастую наталкивается на непреодолимые трудности. Кроме того, микроускорения на борту КА сами по себе являются сложным объектом для исследования. В частности, на КА может не быть постоянного выделенного направления вектора остаточных ускорений, как это имеет место в наземных условиях, а имеется эволюция его по амплитуде и по направлению. В этом случае, знание только отдельных параметров микроускорений, например их амплитудной и частотной характеристик, не позволяют правильно интерпретировать космические эксперименты. Осложняющим фактором также является то, что в наземных экспериментах из-за относительно больших гравитационно-конвективных эффектов невозможно создать условия полного подобия при моделировании слабых течений как гравитационной, так и иной природы и, следовательно, получить исчерпывающие данные о наличии и роли тех или иных физических механизмов и о справедливости теоретических моделей гидродинамики невесомости.

Понимание вышеизложенных проблем направило дальнейшие усилия на более подробное изучение фундаментальных закономерностей гидромеханики и тепломассообмена в условиях орбитального полета при обеспечении одновременных измерений бортовых микроускорений. Становится признанным, что для проведения эффективных исследований необходимо в максимальной степени использовать математическое и физическое моделирование для космических условий. Это позволяет уточнить параметры проведения экспериментов, оптимизировать разрабатываемую научную аппаратуру, минимизировать затраты на проведение дорогостоящих космических экспериментов, уточнить требования к условиям микрогравитации на борту КА, определив критические микроускорения (суммарное возмущение, частотный спектр, длительность воздействия и т. п.) для каждого из исследуемых процессов. К настоящему времени такие требования имеются для Международной космической станции (см. гл. 1), но они вырабатывались в период конца 80-х — начала 90-х годов прошлого века и сейчас ясно, что требуется их переосмысление и уточнение. В этой связи нужно отметить, что из-за невозможности выполнять необходимое количество экспериментов непосредственно в условиях отсутствия силы тяжести, по крайней мере, до окончания развертывания МКС, математическое и физическое моделирование, а также исследование соответствующих процессов на Земле должны иметь решающее значение при подготовке космических экспериментов.

Таким образом, обсуждаемые причины обусловили необходимость систематических экспериментальных исследований конвективных течений на Земле и в космосе при контролируемых и заданных граничных и внешних условиях, с тем, чтобы получить возможность тестирования применяемых математических моделей, определить характеристики внешних воздействий, оказывающих существенное влияние на изучаемые процессы, и найти способы управления этими процессами.

Практической реализацией указанного подхода стали развиваемые в настоящей диссертации именно такие методы проведения бортовых экспериментов на орбитальной станции «Мир», а также прямые эксперименты по обнаружению и изучению:

— тепловой гравитационно-инерционной конвекции в газовой среде;

— тепловой вибрационно-инерционной конвекции и явлений, связанных с воздействием вибраций, в сверхкритических средах.

Методом исследования в первом случае явилось измерение температурного расслоения в газовой среде, вызванного свободной или вынужденной конвекцией, во втором — прямое наблюдение искажений фронта температурной волны, распространяющейся от источника нагрева.

Гравитационно-инерционная чувствительность неоднородных сред позволила предложить метод оценки микрогравитационной обстановки на борту космических аппаратов, основанный на зависимости интенсивности регистрируемых конвективных потоков от остаточных ускорений. Откликом на воздействие микроускорения в случае разработанного в рамках диссертационной работы прибора «Дакон», будет разность температур между отдельными точками в объеме воздушной конвективной ячейки во времени, которая при известных условиях на границах ячейки и теплофизических свойствах среды будет мерой интенсивности конвективных течений, и, соответственно, действующих микроускорений. Следовательно, датчик, основанный на таком принципе может служить индикатором микроускорений, причем его особенностью будет способность интегрально воспринимать не только величину и преимущественное направление квазистатических и низкочастотных ускорений, но и угловые ускорения.

Здесь необходимо отметить, что свойство конвективного датчика одновременно воспринимать микроускорения различного вида, когда на его выходе будет иметься только один или несколько интегральных сигналов, с одной стороны, усложняет анализ и интерпретацию полученных данных, с другой — перспективно при отработке математических моделей гравитационно-инерционной тепловой конвекции для реальных условий космического полета. Поскольку датчик имеет выбранные оси максимальной чувствительности, то при использовании системы из нескольких взаимно ориентированных датчиков в сочетании с компьютерными программами по расчету конвекции возможно измерение величины и направления квазистатических, низкочастотных и угловых составляющих ускорений. Это открывает более широкие возможности для мониторинга динамической обстановки на борту КА, определения степени влияния вибрационных и инерционных микроускорений на различные жидкостные или газовые системы и технологические процессы, а также определения для этих систем и процессов допустимых и критических уровней действующих микроускорений. Конечно, точность измерений, выполненных с использованием гравитационной чувствительности конвективных ячеек, не будет высокой. Однако, учитывая то, что и шкала гравитационной чувствительности большинства изучаемых в условиях микрогравитации гидродинамических процессов также определена с точностью не более половины порядка величины, применение предложенной системы является более, чем оправданным. Таким образом, указанный прибор, выполненный в различных модификациях, может быть рекомендован, как часть системы сертификации космических аппаратов (КА) и, в том числе, Международной космической станции для проведения технологических и ряда других гравитационно-чувствительных экспериментов.

Особенностью экспериментов по исследованию тепловой вибрационно-инерционной конвекции, предпринятое в настоящей диссертации, является то, что объектом исследования выбраны состояния среды, когда она находится в далекой (0.1 -5 К) окрестности критической точки. В этом случае, как оказалось, возможно учесть или практически полностью устранить тепловую гравитационную конвекцию, связанную с фоновыми ускорениями, и исследовать явления, связанные с вибрационными воздействиями. Для околокритических сред такие эксперименты были возможны только в условиях микрогравитации па борту ОК «Мир» из-за значительного расслоения среды в условиях земной силы тяжести.

Учитывая изложенное, можно считать, что тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы.

Целью работы являются экспериментальные исследования, направленные на выявление и изучение конвективных явлений, обусловленных микроускорениями, действующими на борту Орбитального комплекса «Мир», и вынужденными вибрационными воздействиями.

В диссертации ставятся задачи:

— разработать и реализовать методы наземного физического моделирования конвективных процессов применительно к условиям микрогравитации;

— разработать и реализовать методы проведения бортовых экспериментов на орбитальной станции «Мир» при контролируемых и заданных внешних воздействиях;

— экспериментально обнаружить и исследовать тепловую конвекцию в газовых и сверхкритических средах, вызываемую фоновыми микроускорениями, а также при вынужденных вибрационных воздействиях на пилотируемой орбитальной станции;

— исследовать степень и характер отклика конвективных ячеек с исследуемыми средами и заданными граничными условиями в зависимости от параметров действующих постоянных и переменных микроускорений.

Научная новизна результатов.

Научная новизна работы заключается в экспериментальном подтверждении возникновения конвективных течений, вызванных действием слабых гравитационно-инерционных полей и вибрационных воздействий на орбитальных КА, и проведении ключевых экспериментов по исследованию конвективных процессов в зависимости от условий микрогравитации, а именно:

— тепловой гравитационно-инерционной конвекции в газовой среде;

— тепловой вибрационно-инерционной конвекции и явлений, связанных с воздействием вибраций, в сверхкритических средах.

При этом впервые:

— разработаны и реализованы методы проведения исследований тепловой конвекции в условиях действия слабых гравитационно-инерционных сил на борту пилотируемого орбитального комплекса «Мир» с обеспечением контролируемых и заданных внешних условий и воздействий;

— экспериментально подтверждено возникновение гравитационно-инерционной тепловой конвекции в газовой среде, вызванной действием микроускорений на КА;

— прямыми экспериментами, позволяющими проводить численную проверку результатов, подтверждена предсказанная ранее теоретически и на основе косвенных экспериментов, более высокая гравитационная чувствительность неоднородных по температуре сред к составляющей остаточных микроускорений, ортогональной градиенту температуры;

— проведены измерения конвекции и оценка низкочастотных микроускорений в модулях ОК «Мир» при различных режимах полета станции и активности экипажа;

— выполнен сравнительный анализ данных, полученных с помощью аппаратуры «Дакон», с результатами расчетов угловых скоростей и угловых ускорений ОК «Мир», полученных другими авторами для режимов изменения ориентации станции;

— разработаны конвективные ячейки для экспериментального исследования тепловой гравитационно-инерционной и вибрационной конвекции на космических аппаратах, проведено наземное моделирование течений в этих ячейках применительно к микрогравитационной обстановке на ОК «Мир»;

— разработана научная аппаратура для экспериментального изучения гравитационно-инерционной конвекции на ОК «Мир» — прибор «Дакон»;

— определена амплитудно-частотная характеристика конвективной ячейки (датчика) аппаратуры «Дакон» с использованием периодических колебаний инерционного поля;

— выполнены бортовые эксперименты по изучению конвективных течений в сверхкритической жидкости в далекой окрестности термодинамической критической точки;

— экспериментально обнаружено, и на основе модели динамической стабилизации объяснено ориентирующее действие вибрационного поля на тепломассоперенос в сверхкритической жидкости в условиях микрогравитации;

— предложена программа и выполнены эксперименты по изучению параметров виброзащитной платформы ВЗП-1К с использованием бортовых микроакселерометров и датчика конвекции «Дакон».

Научная и практическая значимость работы.

По мнению автора диссертации, научная и практическая значимость работы состоит в том, что в ней обоснована необходимость и впервые экспериментально подтверждена возможность использования гравитационно-чувствительных физических моделей с заданными и контролируемыми граничными условиями, как одного их элементов сертификации условий микрогравитации на космических аппаратах и Международной космической станции для ряда технологических и научных экспериментов. Экспериментально апробированы методы изучения конвективных явлений в условиях микрогравитации, в том числе применительно к технологиям получения новых материалов в космосе и контролю микрогравитационной обстановки на беспилотных и пилотируемых орбитальных объектах. При этом:

— полученные экспериментальные данные представляют интерес для математического моделирования конвективных процессов, протекающих в условиях микрогравитации, включая технологические процессы получения различных материалов в космосе;

— разработанные в диссертационной работе методы исследования могут использоваться при постановке дальнейших космических экспериментов по изучению тепловой и вибрационной конвекции в различных средах;

— полученные результаты и экспериментальная методика позволяют в наземных условиях для определенных диапазонов параметров моделировать процессы, протекающие в невесомости;

— экспериментально обнаруженные эффекты возбуждения конвекции слабыми остаточными и вибрационными микроускорениями и методы измерения конвекции позволяют перейти к детальным исследованиям конвективного тепломассообмена в условиях микрогравитации;

— результаты диссертации вошли в Предложения, Научно-технические обоснования и Технические задания на космические эксперименты «Изгиб» и «Крит», направленные на изучение микрогравитационной обстановки и конвективных процессов на Международной космической станции.

Результаты диссертации использовались Ракетно-космической корпорацией «Энергия» им. С. П. Королева, г. Королев, Центральным НИИ машиностроения, г. Королев, Институтом проблем механики РАН, г. Москва, Институтом прикладной математики РАН, г. Москва, Пермским государственным университетом при проведении и анализе результатов экспериментов «Дакон», 1998;2000; ALICE-1, 1995; ALICE-2, 19 982 000, «Демпфер», 1996;2000, выполненных на ОК «Мир» в целях исследования проблем гидродинамики и физики жидкости в невесомости, контроля микрогравитационной обстановки и обеспечения требуемых уровней микрогравитации на борту станции.

Результаты наземного физического моделирования тепловой и вибрационной конвекции для условий микрогравитации в газовых средах использованы в Ракетно-космической корпорации «Энергия» при создании и экспериментальной отработке на борту ОК «Мир» прибора «Дакон», аппаратуры ALICE-1 и ALICE-2.

Данные, полученные в диссертации, нашли применение в Институте проблем механики РАН и Институте прикладной математики РАН при тестировании математических моделей, используемых при расчетах конвекции для условий микрогравитации, уровней и характера микроускорений при различных режимах полета ОК «Мир».

Материалы диссертации вошли в лекции и лабораторные практикумы «Гидромеханика невесомости», «Конвекция жидкостей с особыми свойствами» и «Конвекция в замкнутых объемах» для студентов.

3−5 курсов физического факультета ПермГУ по специализации «Физическая гидродинамика».

Работа выполнялась в рамках «Программы научных и прикладных исследований и экспериментов на ОК «Мир», разрабатываемых кафедрой общей физики ПермГУ, научных тем «Гидромеханика невесомости» и «Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимахвлияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость». Исследования проводилась также по программе «Университеты России» (1992) — проектам Минобразования РФ (1992, 1994, 1996, 2000, 2002) — Миннауки РФ (1995) — гранту Российского фонда фундаментальных исследований и Департамента образования и науки Администрации Пермской области 01−02−96 479;

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных методов измерения и обработки данных, детальной проработкой методических вопросов, подробным анализом погрешностей и воспроизводимостью результатов. В тех задачах, для которых имеются теоретические результаты, наблюдается их согласие с экспериментальными данными автора. Также его результаты согласуются с данными других авторов, полученными в соприкасающихся областях исследуемых параметров.

Автором представляются к защите:

— методика и аппаратура — прибор «Дакон» — для экспериментального изучения гравитационно-инерционных конвективных движений в стратифицированной по температуре жидкости, находящейся в реальном микрогравитационном поле космических аппаратов;

— методика и результаты калибровки прибора «Дакон» в наземных условиях;

— результаты калибровки прибора на борту ОК «Мир» по отношению к вынужденным переменным ускорениям;

— экспериментальное обнаружение гравитационно-инерционной тепловой конвекции на ОК «Мир» и подтверждение более высокой гравитационной чувствительности неоднородных по температуре сред к составляющей остаточных микроускорений, ортогональной градиенту температуры;

— результаты экспериментальных исследований тепловой гравитационно-инерционной конвекции и оценки низкочастотных микроускорений в различных модулях орбитальной станции;

— сравнительный анализ данных, полученных с помощью аппаратуры «Дакон», с результатами расчетов угловых скоростей и угловых ускорений ОК «Мир», полученными другими авторами для режимов изменения ориентации станции;

— результаты лабораторного моделирования течений, возникающих в конвективной ячейке прибора «Дакон» в неоднородно нагретой жидкости под действием вращательных вибраций, характерных для условий орбитального полета;

— предложения по совершенствованию датчика конвекции для Международной космической станции;

— методика, результаты и интерпретация экспериментальных исследований тепловой вибрационно-инерционной конвекции в сверхкритической жидкости в далекой окрестности термодинамической критической точки в условиях микрогравитации;

— методика и результаты испытаний виброзащитной платформы ВЗП-1К совместно с прибором «Дакон» и бортовыми микроакселерометрами в условиях ОК «Мир».

Апробация работы и структура диссертации.

Результаты диссертации, в частности, докладывались на I и II Российских национальных конференциях по теплообмену, Москва, 1994, 1998; VII Российском Симпозиуме «Механика невесомости. «Итоги и перспективы фундаментальных исследований гравитационно-чувствительных систем», Москва, 2000; VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике, Пермь, 2001; I и II Российских конференциях по космическому материаловедению, Калуга, 1999,2003; International Symposium on Hydrodynamics and Heat/Mass Transfer in Microgravity, Perm-Moscow, 1991; International Workshop «Non-Gravitational Mechanisms of Convection and Heat/Mass Transfer», Zvenigorod, 1994; International Aerospace Congress, Moscow, 1994; Aerospace Sciences Meetings & Exhibits, Reno, NV, 1995, 2000, 2003; Third Microgravity Fluid Physics Conference, Cleveland, Ohio, 1996; Joint Xth European and Vlth Russian Symposium on Physical Sciences in Microgravity, St. Petersburg, Russia, 1997; Russian-French Workshop on Near-Critical Fluids Space Flight Experiments, Toulouse, 1997; XVIII Microgravity Measurement Group Meeting, Florida, 1999; 1st Meeting of the Topical Team «Chemical-Physics in Near-Critical and Supercritical Fluids», Paris, 2000; 20th International Congress of Theoretical and Appllied Mechanics, Chicago, 2000; International Symposium «International Scientific Cooperation onboard Mir», Lyon, 2001; X — XII Международных зимних школах, Пермь, 1995 — 1999.

Результаты работы неоднократно обсуждались на Пермском Гидродинамическом семинаре, 1994 — 2002; семинарах Института проблем механики РАН, Института теплофизики СО РАН, Института механики сплошных сред УрО РАН, Seminar «Chemistry and Material Science», University of Alabama in Huntsville, 1997.

Результаты работы также рассматривались на Научной сессии Отделения проблем машиностроения, механики и процессов управления.

РАН «Задачи механики в условиях микрогравитации», Москва, 1993; заседаниях секции № 1 «Космическое материаловедение» Совета РАН по космосу, Москва, 1996, 2000; подсекции 9.3 «Механика невесомости и гравитационно-чувствительные системы» КНТС Росавиакосмоса, Москва, 1999; проблемного совета № 4 РК НТС Росавиакосмоса, Москва, 2000.

Диссертация состоит из Введения, 3-х глав, Основных результатов и выводов, Списка цитируемой литературы (143 наименования). Общий объем диссертации 156 страниц, включая 62 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

1. Обоснована задача постановки космических экспериментов по изучению конвективных явлений в условиях микрогравитации применительно к технологиям получения новых материалов в космосе и контролю микрогравитационной обстановки на беспилотных и пилотируемых орбитальных объектах.

2. Показано, что гравитационно-чувствительные физические модели с заданными и контролируемыми граничными условиями могут быть использованы для мониторинга динамической обстановки на борту космических аппаратов. Совместно с соответствующими компьютерными программами по моделированию физических процессов они также могут быть рекомендованы в качестве одного из элементов сертификации беспилотных КА и Международной космической станции для ряда технологических и других научных экспериментов.

3. Разработаны и реализованы методы проведения исследований конвективных процессов в условиях действия слабых гравитационно-инерционных сил на борту Орбитального комплекса «Мир» с обеспечением контролируемых и заданных внешних условий и воздействий, в том числе с использованием специализированных виброзащитных платформ.

4. Разработана аппаратура «Дакон» для изучения гравитационно-инерционной конвекции в условиях микрогравитации, с использованием которой выполнены измерения на борту Орбитального комплекса «Мир». При этом:

— Впервые в условиях микрогравитации экспериментально обнаружена тепловая гравитационно-инерционная конвекция в газовой среде, вызванная остаточными микроускорениями и вынужденными вибрационными воздействиями. При этом прямыми экспериментами, позволяющими проводить численную проверку результатов, подтверждена предсказанная ранее теоретически и на основе косвенных экспериментов, более высокая гравитационная чувствительность неоднородных по температуре сред к составляющей остаточных микроускорений, ортогональной градиенту температуры;

— Проведены измерения тепловой гравитационно-инерционной конвекции и выполнена оценка низкочастотных микроускорений в модулях орбитальной станции при различных режимах её функционирования и активности экипажа;

— В результате сравнительного анализа данных, полученных с помощью прибора «Дакон», с расчетами угловых ускорений для режимов изменения ориентации ОК «Мир» показано, что реально действующие микроускорения в этом случае значительно выше расчетных;

— В процессе подготовки, сопровождения и интерпретации космических экспериментов предпринято наземное физическое моделирование конвекции применительно к микрогравитационной обстановке на ОК «Мир»;

— Разработаны предложения по совершенствованию датчика конвекции для Международной космической станции.

5. Подготовлены и выполнены на ОК «Мир» эксперименты по изучению конвективных течений в сверхкритической жидкости в далекой окрестности термодинамической критической точки. При этом:

— Впервые экспериментально обнаружено и на основе модели динамической стабилизации объяснено ориентирующее действие вибрационного поля на тепломассоперенос в сверхкритической жидкости в условиях микрогравитации;

— Показано, что остаточные микроускорения, в зависимости от частоты изменения инерционного поля, могут вызывать конвективные течения или вынужденные колебания в стратифицированных по плотности средах.