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

• Автор: Иванов, Александр Иванович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

1. Сущность исследуемой проблемы, история и состояние
вопроса в настоящее время
1.1. Микрогравитационная обстановка на КА. Гравитационноконвективные и изотермические течения в условиях пониженной силы тяжести
1.2. Эксперименты по росту кристаллов и исследованию физических и физико-химических процессов на орбитальных КА
1.3. Экспериментальные исследования гравитационноинерционной и вибрационной конвекции на космических аппаратах
2. Экспериментальные исследования тепловой конвекции с
использованием прибора «Дакон»
2.1. Обоснование системы измерения конвекции и результаты математического моделирования
2.2. Физическое моделирование слабых течений в кубической конвективной ячейке в наземных условиях
2.2.1. Устройство наземного варианта прибора и описание лабораторного оборудования
2.2.2. Результаты экспериментов и их обсуждение
2.2.3. Сравнение экспериментальных и расчетных данных
2.3. Течения в жидкости при угловых качаниях конвективной ячейки
2.3.1. Методика эксперимента и используемое оборудование
2.3.2. Результаты экспериментов и их обсуждение
2.4. Прибор для проведения космических экспериментов -датчик конвекции «Дакон»
2.4.1. Устройство прибора
2.4.2. Наземные калибровочные испытания
2.5. Космические эксперименты с прибором «Дакон»
2.5.1. Проверка функциональных параметров аппаратуры в бортовых условиях
2.5.2. Калибровка прибора на борту ОК «Мир
2.5.3. Эксперименты в условиях микрогравитационной обстановки на ОК «Мир»
2.6. Выводы и предложения по совершенствованию датчика
конвекции для Международной космической станции
3. Исследование тепловой конвекции в окрестности
термодинамической критической точки на ОК «Мир»
3.1. Особенности конвекции в сверхкритических жидкостях

3.2. Описание оборудования ALICE-1,2
3.3. Методика эксперимента ALICE
3.4. Измерение микроускорений на корпусе аппаратуры ALICE-1 -во время проведения экспериментов на ОК «Мир»
3.5. Анализ эксперимента ALICE
3.6. Эксперименты с контролируемыми вибрационными воздействиями на аппаратуре ALICE
3.6.1.Методика эксперимента
3.6.2.Результаты экспериментов
Основные результаты и выводы работы
Список публикаций

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

прибора с квазистатическими микроускорениями. В третьих, авторы [138] совершенно не принимают во внимание угловые ускорения, тогда как оценки, опирающиеся на параметры прибора .ШЗТЗАР, указывают на возможность возникновения течений под действием крутильных вибраций. Далее, авторы связывают постоянный сдвиг сигналов в промежутках между изменениями ориентации лишь с градиентом гравитации. Однако по данным [138], в большинстве случаев в этих промежутках на протяжении нескольких часов корабль располагался, например, левым крылом или днищем к центру Земли и, следовательно, вращался относительно своего центра масс с орбитальным периодом. При надлежащем расположении осей чувствительности датчика по отношению к центробежному ускорению, создаваемому этим вращением, мог появиться вклад в сигнал, сопоставимый с действием неоднородностей гравитационного поля.
Эксперимент «Виброкристаллизация» [140] был направлен на изучение конвективных потоков, вызванных вынужденными вибрациями твердого тела, погруженного в жидкость. В эксперименте было установлено, что при введении в жидкость тела, колеблющегося с низкой частотой (десятки Гц) и малой амплитудой (десятки-сотии микрон) скорости вибрационно-стимулированных течений в условиях микрогравитации заметно превосходят скорости течений, вызванных вибрационным воздействием на Земле, которые одновременно превосходят по интенсивности конвективные потоки, вызванные другими факторами. Метод возбуждения течений в жидкости, использовавшийся в данном эксперименте, может рассматриваться, как один из альтернативных способов управления нестационарными потоками тепла и массы в условиях микрогравитации, также как магнитное поле или внешнее контролируемое вибрационное воздействие. Это открывает возможность управления распределением основных компонентов и активаторных