微重力环境及应用

从微重力概念出发，阐述了微重力环境的特点和物理原理，以及材料制备利用的物理效应，介绍了在不同地面上空间微重力环境下材料加工，药物制备，种子培育等方面的应用。     

国家微重力实验室介绍

微重力科学是当前空间科学的前沿领域，主要研究微重力环境下的流体物理、物理化学、材料科学及生物科学和技术．微重力科学的发展将促进自然科学某些领域取得突破性的进展，并为空间技术的商业化应用奠定一定的基础．为了适应我国航天事业发展，由国防科工委和中国科学院共同投资建立了国家微重力实验室，这是国家高技术研究发展计划航天领域专家委员会的一个重大的应用基础性建设项目．文章简要介绍了国家微重力实验室的研究方向、组织结构和有关实验室的情况．     

微重力科学和应用

微重力科学是研究微重力环境中流体介质运动规律的一门新兴学科，它包括微重力流体科学、空间材料科学和空间生物技术三个主委部分．在微重力环境中，浮力驱动的对流极大地减弱，沉淀几乎消失，流体内部的静压梯度接近于零，由此而发展了无容器过程．理解和利用这些过程就可以充分开发微重力资源，可以进行地面实验室难于进行的基础科学研究以及生产昂贵的药物和材料．空间站和空间平台的建立为微重力研究提供了理想的实验条件．     

微重力环境下液体表面张力的实验观察与研究

在微重力环境中,重力的作用几乎消失,液体的表面张力起主导作用,微重力下液体的流动特性和平衡界面也会产生显著变化．为了使学生们能更真切、更直观地观察到微重力下的奇妙现象,我们搭建了短时微重力系统并开展了一些实验演示与观测研究．通过微重力系统模拟微重力环境,可以清楚地观察到液体表面的变化,更有助于同学们深入了解微重力下的物理规律和实验现象,对于激发同学们认识和发现新的规律和总结新的定律具有重要意义．     

微重力环境利用

文章阐述了微重力条件下的流体物理基本现象的研究,包括流体和体积输运,扩散与质量输运,毛细与润湿、固化、成核与过冷、临界现象以及学科的相关性。继之,简要介绍了微重力实际应用,包括：太空材料加工,各咱晶体生长,金属与合金、复合材料、玻璃等加工工艺;燃烧与微重力问题;生命科学中微重力利用问题（另文发表）。其间,顺便讨论了航天技术发展对微重力科学的推进与限制,针对我国卫星应用这个课题,以理论联系实际的方法进行分析评价。该文是对《微重力实验环境》一文（见１９９８年第７期《物理》）的补充。     

微重力环境下蜡烛火焰与油滴沉降的实验研究

搭建了短时微重力实验系统,对微重力条件下蜡烛火焰与油滴沉降进行了实验观测,帮助学生理解微重力环境下的物理规律与实验现象.     

α—碘酸锂晶体的空间生长

文章报道了三次α－碘酸锂晶体空间生长实验．该实验是在我国返回式科学技术探测卫星上完成的．为研究空间微重力环境对于晶体生长和物性的影响，应用Ｘ射线衍射、Ｘ射线形貌、Ｘ射线荧光分析、光学透过率和介电测量等技术，对在微重力和常重力条件下生长的晶体结构、完整性、杂质分布以及介电常数等参数进行了研究．研究结果表明：微重力条件下，晶体中β－碘酸锂的含量比地面低；微重力对α－碘酸锂的晶体形态和结构没有影响；微重力条件下生长的晶体的完美性优于地面晶体；微重力环境使碘酸锂晶体的介电常数增高     

微重力燃烧实验落塔技术改进

上抛工作模式是一种有效的地基微重力实验技术．它能在基本上不增加落塔高度的情况下，成倍地增加微重力实验时间．本文将简要介绍在工程热物理所25米落塔设施上由实时过程控制技术和数控全速同步泛能换能技术组成的牵引式上抛技术的工作原理，基本组件，微重力状态下蜡烛火焰实验的初步结果，以及与NASA落塔和航天飞机实验结果的对比．     

用高空气球搭载微重力实验研究浮力对预混V形火焰的影响

在地面实验中观测到的燃烧现象,包含了浮力的影响。利用微重力实验在浮力消失后研究火焰,有助于深入理解燃烧过程。本文介绍了利用高空气球搭载微重力实验对甲烷－空气预混Ｖ形火焰的研究。实验提供了长时间微重力环境下火焰的动态图像。利用计算机图像处理方法对火焰图像的分析表明,在本实验的工况下,微重力下预混Ｖ形火焰锋面的张角比正常重力下变大,皱折和摆动加剧。这说明浮力确实影响预混燃烧过程。     

微重力环境下油滴沉降实验观察与分析

微重力条件下,物体的重力影响几乎消失,这时液体的流动特性会发生不同于重力作用下的变化.为了形象地观察到这个变化过程,根据微重力原理建立了一个短时微重力实验系统.在其模拟的微重力环境下,观测到油滴下降时的形状与速度变化.通过观察该实验,提高了学生的观察能力及总结物理实验规律的能力.     

Methods for improving the microgravity environment onboard automatic spacecrafts for microgravity investigations

It is shown that none of the domestic spacecrafts on which microgravity experiments can be performed satisfy the requirements for experiments on the physics of liquid and space materials science by the level of their onboard microgravity environment. The necessary level of microgravity environment for such experiments is ～10^?7 g ₀. Procedures for decreasing the microgravity onboard a prospective spacecraft intended for microgravity studies to a level necessary level are proposed.     

Gravity effects on partially premixed flames: an experimental-numerical investigation

While premixed and nonpremixed microgravity flames have been extensively investigated, the corresponding literature regarding partially premixed flames (PPFs) is sparse. We report the first experimental investigation of burner-stabilized microgravity PPFs. Partially premixed flames with multiple reaction zones are established in microgravity on a Wolfhard–Parker slot burner in the 2.2 s drop tower at the NASA Glenn Research Center. Microgravity measurements include flame imaging, and thermocouple and radiometer data. Detailed simulations are also used to provide further insight into the steady and transient response of these flames to variations in g. The flame topology and interactions between the various reaction zones are strongly influenced by gravity. The flames widen substantially in microgravity. During the transition from normal to microgravity, the flame structure experiences a fast change and another relatively slower transient change. The fast response is due to the altered advection as the value of g is reduced, while the slow response is due to the changes in the diffusive fluxes. The radiative heat loss from the flames increases in microgravity. A scaling analysis based on a radiation Damköhler number is able to characterize the radiation heat loss.     

不同重力下窄通道内薄材料表面的火焰传播

在常重力下模拟微重力燃烧对载人航天器的火灾安全具有重要意义.窄通道就是这样一种可以有效限制自然对流的模拟设施.但是,不同重力下火焰传播的相似性仍然是有待研究的问题.本文用实验和数值模拟的方法,比较了不同重力下有限空间内热薄材料表面的逆风传播火焰.不同重力下火焰形状和火焰传播速度的比较表明,1cm高的水平窄通道可以有效地限制自然对流,在常重力下用这种通道能够模拟微重力下相同几何尺寸的通道中的火焰传播.因此,在地面上首先利用水平窄通道,模拟相同环境中的微重力火焰传播,然后考虑通道尺寸变化对火焰传播的影响,有可能成为地面模拟其他尺寸的空间中的微重力燃烧的方法.     

微重力环境中的蜡烛火焰

对蜡烛火焰动态特征的分析表明,从正常重力状态过渡到微重力状态,火焰的空气动力学特征比质量和能量的传输特征的变化快。通过一台差分干涉仪首次测量得到了微重力环境中蜡烛火焰的温度。结果表明,微重力蜡烛火焰的温度小于正常重力蜡烛火焰的温度。微重力蜡烛火焰之所以呈蓝色是因为其温度小于烟黑生成的阈值温度1300K。但当环境氧浓度足够高时,火焰温度大于烟黑生成的阈值温度,火焰中明显有烟黑生成,颜色为亮黄色。     

The importance of thermal radiation transfer in laminar diffusion flames at normal and microgravity

The importance of radiation heat loss in laminar and turbulent diffusion flames at normal gravity has been relatively well recognized in recent years. There is currently lack of quantitative understanding on the importance of radiation heat loss in relatively small scale laminar diffusion flames at microgravity. The effects of radiation heat transfer and radiation absorption on the structure and soot formation characteristics of a coflow laminar ethylene/air diffusion flame at normal- and microgravity were numerically investigated. Numerical calculations were conducted using GRI-Mech 3.0 combustion chemistry without the NO_x mechanism and complex thermal and transport properties, an acetylene based soot formation model, and a statistical narrow-band correlated-k non-grey gas radiation model. Radiation heat transfer and radiation absorption in the microgravity flame were found to be much more important than their counterparts at normal gravity. It is important to calculate thermal radiation transfer accurately in diffusion flame modelling under microgravity conditions.     

Application of computed tomography to microgravity combustion

This paper describes applications of computed tomography (CT) to combustion phenomena under microgravity conditions. Infrared Thermography (IT) has been considered as a promising method for two-dimensional measurement of flames. We have applied IT to CT for a butane flame under microgravity conditions. The method joining spectroscopy to CT for diffusion flame of hydrogen has also been carried out. Intensity of chemical luminescence, which is originated from combustion-chemical reaction in the flame, can be measured by scanning a spectrometer with collimator. The effectiveness of the CT applications to microgravity combustion has been confirmed from two method.