◆鄧櫳濤

(北京一零一中學(xué))

人類自1957年第一顆人造地球衛(wèi)星上天到現(xiàn)在的半個(gè)世紀(jì)，開展了眾多近地和近日空間探索和開發(fā)。如今，載人航天技術(shù)發(fā)展水平不僅是一個(gè)國家的綜合國力的體現(xiàn)，更聯(lián)系著一個(gè)國家的國防安全。近年來，我國載人航天事業(yè)飛速發(fā)展，取得了舉世矚目的成績，使得我國躋身成為世界航天大國前列。

為保障航天員的各項(xiàng)生命指標(biāo)，載人航天器的生命保障系統(tǒng)創(chuàng)造的航天器內(nèi)部環(huán)境應(yīng)盡量接近地面。盡管如此，航天員在太空環(huán)境下的生活依然會(huì)有很多不便。早期的航天員只可攝入冷食，隨著航天食品系統(tǒng)技術(shù)逐漸發(fā)展，允許航天員食用熱食，但食品加工方式受限，航天器發(fā)射成本較高，因此對(duì)航天器上設(shè)置的各項(xiàng)系統(tǒng)的尺寸、功能、重量、體積等都有嚴(yán)格限制。因?yàn)閷⑸涞氖澄镛D(zhuǎn)化為熟食需要高溫，而用電設(shè)備在使用過程中會(huì)釋放電磁波，高溫需要高功率，釋放的電磁波會(huì)影響航天器內(nèi)其他設(shè)備的正常運(yùn)行造成安全隱患。

目前，在太空中對(duì)水的加熱方式并不理想，存在如加熱機(jī)器笨重，加熱不均勻，加熱效率低，對(duì)資源浪費(fèi)較大等問題。根據(jù)由中國科協(xié)技術(shù)協(xié)會(huì)、中國科學(xué)院、中國載人航天工程辦公室、中國航天科技集團(tuán)公司主辦，中國科協(xié)青少年科技中心、中國宇航學(xué)會(huì)承辦“2017年空間站搭載青少年科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案征集活動(dòng)”需求，通過探究太空中水的傳熱規(guī)律來為將來對(duì)太空水加熱方式與加熱器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

一、研究方法

熱量是指由于溫差的存在而導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化過程中所轉(zhuǎn)化的能量，是能量傳遞的一種形式，是系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的度量。熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流，熱輻射。太空微重力環(huán)境下與在地球地面上氣體與液體傳熱規(guī)律并不相同，下面從這三個(gè)方面分別闡述這三種熱傳導(dǎo)方式的基本原理并對(duì)太空中和地面上加熱水的過程進(jìn)行分析。

1. 熱傳導(dǎo)的影響

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞成為熱傳導(dǎo)，簡稱導(dǎo)熱。根據(jù)已有的實(shí)際導(dǎo)熱問題的經(jīng)驗(yàn)提煉和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律已經(jīng)總結(jié)為傅里葉定律。對(duì)簡化的一維導(dǎo)熱問題，即溫度僅在一個(gè)方向x上發(fā)生變化，方向x沿容器中心線方向。對(duì)于x方向上任意一個(gè)dx的微元層來說，根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)通過該層的導(dǎo)熱熱量與該處的溫度變化率及面積成正比。

2. 熱對(duì)流的影響

熱對(duì)流是由于液體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，因而熱對(duì)流必然伴隨著有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。引起液體流動(dòng)的原因可分為自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流兩大類。自然對(duì)流是由于流體冷、熱部分的密度不同而引起的。如果流體的流動(dòng)是由于水泵和風(fēng)機(jī)等壓差作用造成的，則稱為強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)于水箱中的水進(jìn)行加熱由于沒有水泵等因素作用忽略強(qiáng)制對(duì)流的影響。

對(duì)在軌航天器內(nèi)部的參考系中，地心引力與慣性離心力相抵消，航天器內(nèi)部整體呈現(xiàn)出微重力的狀態(tài)。由于微重力極小，在航天器內(nèi)部的液體產(chǎn)生的浮力與自然對(duì)流大小可忽略。

3. 熱輻射的影響

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射，因熱的原因而發(fā)出的輻射能量稱為熱輻射。實(shí)驗(yàn)表明，物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也大不一樣。把能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能量的物體稱為黑體，黑體的吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)在相同溫度的物體中是最大的。

本次實(shí)驗(yàn)使用的是液體是純水，溫度范圍為24℃至70℃，在溫度為70℃時(shí)。為了減小水向外的熱輻射，采用在容器內(nèi)側(cè)鍍高反射率的材料并忽略熱輻射在本實(shí)驗(yàn)中的影響。且輻射進(jìn)入固體后會(huì)被很快吸收，不會(huì)向外界傳熱。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過選題背景中分析的物理模型可知，太空中水的熱力傳導(dǎo)只包含傅里葉定律，而傅里葉定律只適用于勻質(zhì)介質(zhì)中，因此本實(shí)驗(yàn)中的容器中將充滿水，沒有其他介質(zhì)。溫度選取從室溫(24℃)加熱至太空中復(fù)水箱出水溫度70℃。容器使用在20℃-70℃下膨脹系數(shù)低的材料。為精確探究出時(shí)間、溫度、距離間的規(guī)律，我們將使用精度為0.1℃的傳感器。

1. 地面組實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將容器內(nèi)部元器件組裝好，擰緊容器兩端蓋子。將容器水平放置；

(2)將容器內(nèi)注滿水，同時(shí)檢查容器密閉性；

(3)接通電源，加熱器開始加熱的同時(shí)開始記錄各個(gè)點(diǎn)的溫度讀數(shù)；

(4)當(dāng)距離加熱端最遠(yuǎn)的一組溫度傳感器(三只)的讀數(shù)都達(dá)到70攝氏度時(shí)停止加熱；

(5)待容器內(nèi)水溫恢復(fù)室溫后再將容器的加熱端直立在上端與直立在下端是分別重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)，每種實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行5次。

2. 太空組實(shí)驗(yàn)步驟

(1)在地面將容器內(nèi)部元器件組裝好后，擰緊容器兩端蓋子；

(2)將容器內(nèi)注滿水，同時(shí)檢查容器密閉性；

(3)當(dāng)空間站進(jìn)入預(yù)定軌道后，將容器平放在天花板上；

(4)接通電源，加熱器開始加熱的同時(shí)開始記錄各個(gè)點(diǎn)的溫度讀數(shù)；

(5)當(dāng)距離加熱端最遠(yuǎn)的一組溫度傳感器(三只)的讀數(shù)都達(dá)到70攝氏度時(shí)停止加熱；

(6)待容器內(nèi)水溫恢復(fù)室溫后，以天花板為參考系，將容器的加熱端直立在上端與加熱器直立在下端是分別重復(fù)前面的實(shí)驗(yàn)。

3. 容器設(shè)計(jì)

根據(jù)太空中對(duì)存水的罐頭的加熱方式進(jìn)行試驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)。加熱時(shí)加熱片與金屬過盈塞接觸，通過金屬過盈塞對(duì)內(nèi)部的水進(jìn)行加熱，整個(gè)過程是一個(gè)三維的加熱過程，為了試驗(yàn)的簡單，將加熱過程簡化為一維。因此容器主體設(shè)計(jì)為一內(nèi)徑為80mm，使用導(dǎo)熱性差的PEEK(聚醚醚酮)的圓環(huán)體，壁厚10mm，主體兩端分別有蓋，蓋與主體使用相同材質(zhì)，通過螺紋連接，用密封圈進(jìn)行密封。螺紋依照GB/T 15756-2008設(shè)計(jì)，大徑100mm，小徑96.9mm，螺距3mm。為防止熱量通過熱傳導(dǎo)方式從容器壁傳導(dǎo)到外界導(dǎo)致熱量損失，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，容器采用雙層結(jié)構(gòu)(外層未在效果圖上畫出)。外層與傳感器蓋為一體，大徑115mm，小徑110mm，通過螺紋連接到加熱器蓋，密封后容器夾層抽為真空，防止容器內(nèi)壁向外傳熱。加熱側(cè)的蓋上安置一片半徑為30mm的電加熱器，功率為45W，采用28V直流供電，在距離加熱側(cè)開口30mm處設(shè)置第一組溫度傳感器，之后每隔30mm設(shè)置一組溫度傳感器，共設(shè)置多組傳感器。每組溫度傳感器由三只溫敏電阻組成，分別位于管上方，管中央，與管下方，三個(gè)溫敏電阻都不與容器壁接觸，通過支架連接到管壁。所有溫敏電阻的數(shù)據(jù)線從空心支架輸出到容器外。容器的另一蓋上螺口包裹一層一氯丁乳膠。

4. 測(cè)溫設(shè)計(jì)

電路部分目的是檢測(cè)容器內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，該電路以Arduino為基礎(chǔ)，整體電路設(shè)計(jì)搭載在Arduino之上的。本課題將會(huì)用到MEGA2560集成電路板以及一塊擴(kuò)展板對(duì)數(shù)字信號(hào)輸入引腳的數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)充。

測(cè)溫由傳感單元、計(jì)算單元兩大部分組成。傳感器我們選用的是Si7051數(shù)字傳感器，精度±0.1℃，通過I2C總線與單片機(jī)溝通。

三、實(shí)驗(yàn)分析

采集到每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)后，計(jì)算出每一組傳感器的平均值，記作該截面的溫度，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)根據(jù)時(shí)間與溫度變化可畫出溫度-時(shí)間變化曲線，每個(gè)時(shí)刻可以畫出溫度-距離變化曲線。

地面上液體受重力場影響存在熱對(duì)流，比較地面上不同擺放方式加熱曲線的不同。太空中液體加熱不受熱對(duì)流的影響，比較不同擺放方式加熱曲線的是否存在不同。最后比較太空中加熱曲線與地面上加熱曲線的不同，因?yàn)榈孛嫔洗嬖跓釋?duì)流，因此地面上溫度-距離變化曲線應(yīng)該比太空上的曲線更加平緩。

四、方案總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)方案中包含兩組實(shí)驗(yàn)，一組在地面進(jìn)行，一組在空間站中進(jìn)行，目的為探究太空中水的傳熱規(guī)律。通過理論推測(cè)，我們可以得出太空中對(duì)密閉容器中的水加熱時(shí)，熱量只通過熱傳導(dǎo)的方式傳播，不會(huì)有熱對(duì)流的產(chǎn)生，因此地面組實(shí)驗(yàn)的加熱效率應(yīng)比太空組的高，且太空組中的三個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的熱傳導(dǎo)規(guī)律應(yīng)完全相同。本實(shí)驗(yàn)通過太空中對(duì)水加熱的實(shí)驗(yàn)，可以得到水的導(dǎo)熱率，通過與地面實(shí)驗(yàn)的對(duì)比得到熱對(duì)流因素對(duì)水加熱過程中的影響。

在實(shí)驗(yàn)容器設(shè)計(jì)上，采用導(dǎo)熱性差的PEEK(聚醚醚酮)材料，減少了實(shí)驗(yàn)容器本身的傳熱對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；加熱時(shí)加熱整個(gè)容器的橫截面，使容器的截面均勻受熱；采用雙層的結(jié)構(gòu)減少由于熱傳導(dǎo)向外傳導(dǎo)的熱量；利用在容器內(nèi)側(cè)鍍高反射率膜的方式減少熱輻射向外輻射的熱量。在有限的空間與條件下以盡可能精準(zhǔn)的采集溫度在時(shí)間與空間上的數(shù)據(jù)變化。

通過本實(shí)驗(yàn)，我們可以觀察太空中水的傳熱行為，探究出在太空中水的傳熱規(guī)律，并根據(jù)該規(guī)律給出提高加熱效率的方式，為以后優(yōu)化失重環(huán)境下的液體加熱裝置提供理論依據(jù)。