<p>完成科學(xué)理解重力降低如何影響沸騰和冷凝的實(shí)驗(yàn)</p> <p><br />印第安納州西拉斐特&mdash;&mdash;月球溫度范圍從零下410華氏度到灼熱的250華氏度，說(shuō)人類(lèi)需要有暖氣和空調(diào)的棲息地才能在那里長(zhǎng)期生存，這是輕描淡寫(xiě)的說(shuō)法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是，如果不了解重力降低對(duì)沸騰和冷凝的影響，加熱和冷卻系統(tǒng)就不足以支持月球探索或更長(zhǎng)時(shí)間火星旅行的棲息地。直到現(xiàn)在，工程師們還無(wú)法破解這門(mén)科學(xué)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他說(shuō)：&ldquo;我們地球上的每一臺(tái)冰箱、每一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)都涉及到沸騰和冷凝。這些機(jī)制在許多其他應(yīng)用中也很普遍，包括蒸汽發(fā)電廠、核反應(yīng)堆以及化學(xué)和制藥工業(yè)。&rdquo; 伊薩姆&middot;穆達(dá)瓦爾 ,普渡大學(xué)Betty Ruth和Milton B.Hollander的家庭教授機(jī)械工程&ldquo;我們對(duì)這些系統(tǒng)如何在地球引力下工作已經(jīng)有了一百多年的理解，但我們還不知道它們?nèi)绾卧谑е貭顟B(tài)下工作。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>由Mudawar領(lǐng)導(dǎo)的普渡大學(xué)工程師團(tuán)隊(duì)與美國(guó)宇航局克利夫蘭格倫研究中心合作，花了11年時(shí)間開(kāi)發(fā)了一個(gè)設(shè)施來(lái)研究這些現(xiàn)象。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該設(shè)施稱(chēng)為流動(dòng)沸騰和冷凝實(shí)驗(yàn)（FBCE）.初步設(shè)計(jì)已測(cè)試在Zero Gravity公司的（Zero-G）失重研究實(shí)驗(yàn)室，這是一架經(jīng)過(guò)特殊改裝的波音727飛機(jī)，它可以進(jìn)行拋物線飛行，以減少月球和火星上的重力以及太空中的失重條件。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在飛行測(cè)試后，NASA格倫和該機(jī)構(gòu)的生物和物理科學(xué)部門(mén)協(xié)助穆達(dá)瓦的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)較小的實(shí)驗(yàn)版本，以適應(yīng)流體集成機(jī)架在國(guó)際空間站。在通過(guò)NASA安全和準(zhǔn)備就緒審查后，F(xiàn)BCE發(fā)射到空間站2021年8月，它幫助研究人員開(kāi)始揭開(kāi)沸騰和冷凝在太空極端環(huán)境中是如何工作的謎團(tuán)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這些答案是研究小組從空間站進(jìn)行的兩組FBCE實(shí)驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)。去年7月，該設(shè)施的第一次實(shí)驗(yàn)完成了所有數(shù)據(jù)的收集，Mudawar說(shuō)，科學(xué)家需要了解重力降低如何影響沸騰。在接下來(lái)的幾個(gè)月里，作為諾斯羅普&middot;格魯曼公司（Northrop-Grumman）美國(guó)國(guó)家航空航天局（NG-19）商業(yè)再補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)的一部分，用于第二次實(shí)驗(yàn)的設(shè)備將發(fā)射到軌道實(shí)驗(yàn)室，以收集關(guān)于在減重環(huán)境中如何發(fā)生冷凝的數(shù)據(jù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>構(gòu)成該設(shè)施的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都將在2025年前保持在軌，使整個(gè)流體物理界能夠利用這些數(shù)據(jù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達(dá)瓦爾說(shuō)：&ldquo;我們已經(jīng)準(zhǔn)備好在降低重力下流動(dòng)和沸騰的整個(gè)科學(xué)方面完成這本書(shū)。&rdquo;。&ldquo;月球上的宇航員將需要空調(diào)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和許多其他系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都需要沸騰和冷凝。由于我們從數(shù)據(jù)中獲得了新的認(rèn)識(shí)，這些數(shù)據(jù)顯示了重力降低對(duì)這些現(xiàn)象的影響，我們能夠?yàn)槿绾未_定設(shè)備的尺寸、如何設(shè)計(jì)設(shè)備提供指導(dǎo)。&rdquo;n它的有效性以及如何預(yù)測(cè)其性能。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員正在準(zhǔn)備一系列的研究論文，其中包括FBCE在國(guó)際空間站收集的數(shù)據(jù)60多篇論文項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，他們?cè)赯ero-G航班上測(cè)試了他們的設(shè)施，并發(fā)表了關(guān)于失重和流體流動(dòng)的文章。</p> <p>&nbsp;</p> <p>回答十年前的問(wèn)題</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達(dá)瓦爾說(shuō)：&ldquo;在這個(gè)項(xiàng)目期間，我們發(fā)表的論文幾乎就像是一本關(guān)于如何在太空中使用沸騰和冷凝的教科書(shū)。&rdquo;。&ldquo;自太空飛行開(kāi)始以來(lái)的60多年來(lái)，該領(lǐng)域已經(jīng)知道沸騰和冷凝是太空的理想選擇，但此前在微重力條件下研究這些概念的嘗試并未成功。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>每十年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院（National Academies）都會(huì)發(fā)布一份報(bào)告，指導(dǎo)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、白宮（White House）和國(guó)會(huì)（Congress）在未來(lái)十年內(nèi)優(yōu)先資助的研究領(lǐng)域。在2011年報(bào)告中，許多科學(xué)家建議將重力在控制蒸汽-流體行為中的作用視為太空探索的優(yōu)先事項(xiàng)之一。FBCE項(xiàng)目是根據(jù)十年報(bào)告創(chuàng)建的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>任務(wù)距離地球越遠(yuǎn)，執(zhí)行這些任務(wù)的航天器越有可能將需要核能與在空間實(shí)現(xiàn)加熱和冷卻的其他類(lèi)型的過(guò)程相比，沸騰和冷凝在為這些核動(dòng)力車(chē)輛和棲息地傳遞熱量方面更加有效。沸騰和冷凝也將使供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)更加緊湊和輕便。</p> <p><br />宇航員馬克&middot;范德黑（Mark Vande Hei）在國(guó)際空間站組裝流動(dòng)沸騰和冷凝實(shí)驗(yàn)的組件。（圖片由NASA提供）下載圖像<br />自20世紀(jì)70年代以來(lái)，穆達(dá)瓦一直致力于利用沸騰和冷凝來(lái)應(yīng)對(duì)各種系統(tǒng)的能量傳輸和溫度控制挑戰(zhàn)。例如，高溫渦輪系統(tǒng)、超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、航空電子、混合動(dòng)力汽車(chē)電力電子、氫燃料電池、金屬合金熱處理、粒子加速器和聚變反應(yīng)堆。</p> <p>&nbsp;</p> <p>同類(lèi)最大的實(shí)驗(yàn)</p> <p>&nbsp;</p> <p>據(jù)穆達(dá)瓦稱(chēng)，F(xiàn)BCE是第一組實(shí)驗(yàn)，提供了足夠廣泛和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以開(kāi)發(fā)工程師設(shè)計(jì)各種空間系統(tǒng)所需的模型，這些模型使用重力降低的沸騰和冷凝。</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達(dá)瓦爾說(shuō)：&ldquo;我們現(xiàn)在有了一個(gè)基礎(chǔ)，可以比較和對(duì)比地球重力和減縮重力的數(shù)據(jù)，以尋求適用于廣泛引力的建模工具。&rdquo;。</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達(dá)瓦和他的學(xué)生在過(guò)去的11年里一直在基于FBCE數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)三套預(yù)測(cè)工具。一組工具將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為方程式的形式，工程師可以使用這些方程式來(lái)設(shè)計(jì)空間系統(tǒng)。另一組從數(shù)據(jù)中識(shí)別有關(guān)流體物理的基本信息，第三組是流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算模型。</p> <p>&nbsp;</p> <p>總之，這些模型將有可能預(yù)測(cè)哪些設(shè)備設(shè)計(jì)可以在月球和火星重力下運(yùn)行。</p> <p>&nbsp;</p> <p>FBCE是美國(guó)宇航局最大、最復(fù)雜的流體物理研究實(shí)驗(yàn)去年2月至7月，該設(shè)施成功進(jìn)行了234次測(cè)試，產(chǎn)生了近3800個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)和同等數(shù)量的高速視頻記錄。</p> <p>&nbsp;</p> <p>來(lái)自NASA格倫不同團(tuán)隊(duì)的35多名工程師和技術(shù)人員參與了該項(xiàng)目，幫助將穆達(dá)瓦及其學(xué)生的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)化為可安裝到空間站的設(shè)施。這些團(tuán)隊(duì)包括Glenn的FBCE工程、安全和任務(wù)保證、科學(xué)、軟件和技術(shù)團(tuán)隊(duì)，以及流體和燃燒設(shè)施操作團(tuán)隊(duì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>15名過(guò)去和現(xiàn)在的普渡大學(xué)博士生在與NASA合作的各個(gè)方面為穆達(dá)瓦提供了幫助。兩名普渡大學(xué)博士候選人V.S.Devahdhanush和Steven Darges通過(guò)在普渡大學(xué)設(shè)立的專(zhuān)用工作站協(xié)助監(jiān)測(cè)空間站上的實(shí)驗(yàn)。普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)還為后續(xù)測(cè)試提供了改進(jìn)操作條件的建議，以不斷提高每次測(cè)試的科學(xué)產(chǎn)出。</p> <p>&nbsp;</p> <p>FBCE的數(shù)據(jù)將不僅有利于空間系統(tǒng)，也有利于地球上的技術(shù)。利用他們從這些數(shù)據(jù)中獲得的教訓(xùn)，穆達(dá)瓦和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新型電動(dòng)汽車(chē)充電電纜設(shè)計(jì)這將允許他們?cè)谖宸昼妰?nèi)充電。當(dāng)今最先進(jìn)的充電電纜為電動(dòng)汽車(chē)充電需要20多分鐘。這項(xiàng)快速充電電纜發(fā)明的專(zhuān)利申請(qǐng)已通過(guò)普渡研究基金會(huì)技術(shù)商業(yè)化辦公室 .</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達(dá)瓦爾說(shuō)：&ldquo;FBCE的數(shù)據(jù)量絕對(duì)巨大，這正是我們想要的。&rdquo;。</p> <p>&nbsp;</p> <p>關(guān)于普渡大學(xué)</p> <p>&nbsp;</p> <p>普渡大學(xué)是一所頂尖的公共研究機(jī)構(gòu)，為當(dāng)今最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)開(kāi)發(fā)實(shí)用的解決方案。普渡大學(xué)在過(guò)去五年中每年都被《美國(guó)新聞與世界報(bào)道》評(píng)為美國(guó)十大最具創(chuàng)新性大學(xué)之一，它提供了改變世界的研究和世界外的發(fā)現(xiàn)。普渡大學(xué)致力于實(shí)踐和在線學(xué)習(xí)，為所有人提供變革性的教育。普渡大學(xué)致力于負(fù)擔(dān)能力和可獲得性，已將學(xué)費(fèi)和大部分費(fèi)用凍結(jié)在2012-13年的水平，使更多的學(xué)生能夠畢業(yè)時(shí)無(wú)需償還債務(wù)。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>