青少年探究太空中水传热规律实验设计

◆邓栊涛

(北京一零一中学)

人类自1957年第一颗人造地球卫星上天到现在的半个世纪，开展了众多近地和近日空间探索和开发。如今，载人航天技术发展水平不仅是一个国家的综合国力的体现，更联系着一个国家的国防安全。近年来，我国载人航天事业飞速发展，取得了举世瞩目的成绩，使得我国跻身成为世界航天大国前列。

为保障航天员的各项生命指标，载人航天器的生命保障系统创造的航天器内部环境应尽量接近地面。尽管如此，航天员在太空环境下的生活依然会有很多不便。早期的航天员只可摄入冷食，随着航天食品系统技术逐渐发展，允许航天员食用热食，但食品加工方式受限，航天器发射成本较高，因此对航天器上设置的各项系统的尺寸、功能、重量、体积等都有严格限制。因为将生冷的食物转化为熟食需要高温，而用电设备在使用过程中会释放电磁波，高温需要高功率，释放的电磁波会影响航天器内其他设备的正常运行造成安全隐患。

目前，在太空中对水的加热方式并不理想，存在如加热机器笨重，加热不均匀，加热效率低，对资源浪费较大等问题。根据由中国科协技术协会、中国科学院、中国载人航天工程办公室、中国航天科技集团公司主办，中国科协青少年科技中心、中国宇航学会承办“2017年空间站搭载青少年科学实验方案征集活动”需求，通过探究太空中水的传热规律来为将来对太空水加热方式与加热器的设计提供理论基础。

一、研究方法

热量是指由于温差的存在而导致的能量转化过程中所转化的能量，是能量传递的一种形式，是系统能量转换的度量。热量传递有三种基本方式：热传导，热对流，热辐射。太空微重力环境下与在地球地面上气体与液体传热规律并不相同，下面从这三个方面分别阐述这三种热传导方式的基本原理并对太空中和地面上加热水的过程进行分析。

1. 热传导的影响

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递成为热传导，简称导热。根据已有的实际导热问题的经验提炼和实验结果，导热现象的规律已经总结为傅里叶定律。对简化的一维导热问题，即温度仅在一个方向x上发生变化，方向x沿容器中心线方向。对于x方向上任意一个dx的微元层来说，根据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热热量与该处的温度变化率及面积成正比。

2. 热对流的影响

热对流是由于液体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，因而热对流必然伴随着有热传导现象。引起液体流动的原因可分为自然对流与强制对流两大类。自然对流是由于流体冷、热部分的密度不同而引起的。如果流体的流动是由于水泵和风机等压差作用造成的，则称为强制对流。对于水箱中的水进行加热由于没有水泵等因素作用忽略强制对流的影响。

对在轨航天器内部的参考系中，地心引力与惯性离心力相抵消，航天器内部整体呈现出微重力的状态。由于微重力极小，在航天器内部的液体产生的浮力与自然对流大小可忽略。

3. 热辐射的影响

物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射，因热的原因而发出的辐射能量称为热辐射。实验表明，物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。把能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体称为黑体，黑体的吸收本领和辐射本领在相同温度的物体中是最大的。

本次实验使用的是液体是纯水，温度范围为24℃至70℃，在温度为70℃时。为了减小水向外的热辐射，采用在容器内侧镀高反射率的材料并忽略热辐射在本实验中的影响。且辐射进入固体后会被很快吸收，不会向外界传热。

二、实验设计

通过选题背景中分析的物理模型可知，太空中水的热力传导只包含傅里叶定律，而傅里叶定律只适用于匀质介质中，因此本实验中的容器中将充满水，没有其他介质。温度选取从室温(24℃)加热至太空中复水箱出水温度70℃。容器使用在20℃-70℃下膨胀系数低的材料。为精确探究出时间、温度、距离间的规律，我们将使用精度为0.1℃的传感器。

1. 地面组实验步骤

(1)将容器内部元器件组装好，拧紧容器两端盖子。将容器水平放置；

(2)将容器内注满水，同时检查容器密闭性；

(3)接通电源，加热器开始加热的同时开始记录各个点的温度读数；

(4)当距离加热端最远的一组温度传感器(三只)的读数都达到70摄氏度时停止加热；

(5)待容器内水温恢复室温后再将容器的加热端直立在上端与直立在下端是分别重复前面的实验，每种实验分别进行5次。

2. 太空组实验步骤

(1)在地面将容器内部元器件组装好后，拧紧容器两端盖子；

(2)将容器内注满水，同时检查容器密闭性；

(3)当空间站进入预定轨道后，将容器平放在天花板上；

(4)接通电源，加热器开始加热的同时开始记录各个点的温度读数；

(5)当距离加热端最远的一组温度传感器(三只)的读数都达到70摄氏度时停止加热；

(6)待容器内水温恢复室温后，以天花板为参考系，将容器的加热端直立在上端与加热器直立在下端是分别重复前面的实验。

3. 容器设计

根据太空中对存水的罐头的加热方式进行试验仪器的设计。加热时加热片与金属过盈塞接触，通过金属过盈塞对内部的水进行加热，整个过程是一个三维的加热过程，为了试验的简单，将加热过程简化为一维。因此容器主体设计为一内径为80mm，使用导热性差的PEEK(聚醚醚酮)的圆环体，壁厚10mm，主体两端分别有盖，盖与主体使用相同材质，通过螺纹连接，用密封圈进行密封。螺纹依照GB/T 15756-2008设计，大径100mm，小径96.9mm，螺距3mm。为防止热量通过热传导方式从容器壁传导到外界导致热量损失，使试验数据不准确，容器采用双层结构(外层未在效果图上画出)。外层与传感器盖为一体，大径115mm，小径110mm，通过螺纹连接到加热器盖，密封后容器夹层抽为真空，防止容器内壁向外传热。加热侧的盖上安置一片半径为30mm的电加热器，功率为45W，采用28V直流供电，在距离加热侧开口30mm处设置第一组温度传感器，之后每隔30mm设置一组温度传感器，共设置多组传感器。每组温度传感器由三只温敏电阻组成，分别位于管上方，管中央，与管下方，三个温敏电阻都不与容器壁接触，通过支架连接到管壁。所有温敏电阻的数据线从空心支架输出到容器外。容器的另一盖上螺口包裹一层一氯丁乳胶。

4. 测温设计

电路部分目的是检测容器内各个监测点的实时温度，该电路以Arduino为基础，整体电路设计搭载在Arduino之上的。本课题将会用到MEGA2560集成电路板以及一块扩展板对数字信号输入引脚的数量进行扩充。

测温由传感单元、计算单元两大部分组成。传感器我们选用的是Si7051数字传感器，精度±0.1℃，通过I2C总线与单片机沟通。

三、实验分析

采集到每次实验的数据后，计算出每一组传感器的平均值，记作该截面的温度，每个测温点根据时间与温度变化可画出温度-时间变化曲线，每个时刻可以画出温度-距离变化曲线。

地面上液体受重力场影响存在热对流，比较地面上不同摆放方式加热曲线的不同。太空中液体加热不受热对流的影响，比较不同摆放方式加热曲线的是否存在不同。最后比较太空中加热曲线与地面上加热曲线的不同，因为地面上存在热对流，因此地面上温度-距离变化曲线应该比太空上的曲线更加平缓。

四、方案总结

本实验方案中包含两组实验，一组在地面进行，一组在空间站中进行，目的为探究太空中水的传热规律。通过理论推测，我们可以得出太空中对密闭容器中的水加热时，热量只通过热传导的方式传播，不会有热对流的产生，因此地面组实验的加热效率应比太空组的高，且太空组中的三个实验得出的热传导规律应完全相同。本实验通过太空中对水加热的实验，可以得到水的导热率，通过与地面实验的对比得到热对流因素对水加热过程中的影响。

在实验容器设计上，采用导热性差的PEEK(聚醚醚酮)材料，减少了实验容器本身的传热对实验的影响；加热时加热整个容器的横截面，使容器的截面均匀受热；采用双层的结构减少由于热传导向外传导的热量；利用在容器内侧镀高反射率膜的方式减少热辐射向外辐射的热量。在有限的空间与条件下以尽可能精准的采集温度在时间与空间上的数据变化。

通过本实验，我们可以观察太空中水的传热行为，探究出在太空中水的传热规律，并根据该规律给出提高加热效率的方式，为以后优化失重环境下的液体加热装置提供理论依据。