近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點實驗室北京落塔完成了國內(nèi)首次低溫流體短時微重力實驗，這也是國際上首次以液氧為工質(zhì)的地基短時微重力落塔實驗。

航天器發(fā)射的綠色化及高比沖需求使低溫推進劑備受重視。其中，液氧作為氧化劑，在不同重力環(huán)境的行為對航天推進技術(shù)發(fā)展具有重要影響，影響著航天器發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)的穩(wěn)定性。液氧處于-183℃極低溫區(qū)，展現(xiàn)出諸多特殊性質(zhì)，如表面張力、黏度、汽化潛熱等物理性質(zhì)與常溫流體不同。但是，液氧的強氧化能力使得對其進行微重力條件下流動與傳熱特性研究面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

力學(xué)所趙建福團隊聯(lián)合上海交通大學(xué)吳靜怡與楊光團隊，解決了低溫可視化、實驗參數(shù)精確控制、實驗安全性保障等技術(shù)難題，完成了模擬貯箱落塔實驗裝置研制、實驗流程設(shè)計和地面測試驗證等，實現(xiàn)了對部分充液的模擬貯箱內(nèi)液氧-氧蒸氣兩相系統(tǒng)在微/變重力環(huán)境下氣液界面演化行為、相變傳熱及貯箱內(nèi)溫度和壓力動態(tài)變化過程的實驗研究。

此次落塔實驗采用單艙模式，微重力水平可達10-3g，微重力持續(xù)時間約3.6 s。在實驗準(zhǔn)備階段，研究人員利用液氮將模擬貯箱腔內(nèi)的高壓氧氣冷凝為液氧，并利用高速相機對模擬貯箱內(nèi)流體界面進行可視化測試?？蒲腥藛T在模擬貯箱內(nèi)液氧充裝量達到設(shè)計要求后封艙，將單艙及其內(nèi)部的實驗裝置一起吊裝到落塔83 m釋放平臺，待模擬貯箱實驗裝置狀態(tài)確認(rèn)無誤后釋放落艙，觀測其內(nèi)部液氧-氧蒸氣兩相系統(tǒng)在重力變化下的響應(yīng)行為。實驗完成9次自由下落實驗，獲得了微重力狀態(tài)下液氧氣液界面波動與熱力學(xué)行為特征，并剖析了異質(zhì)增壓氦氣、充裝量、初始溫度分布等因素對貯箱內(nèi)部過程的影響。

這一實驗將為探討微/變重力低溫流體貯箱流體與熱管理過程建模提供基準(zhǔn)實驗數(shù)據(jù)，并提升科研人員對低溫氣液兩相流動與相變傳熱規(guī)律的認(rèn)知，同時有望為低溫推進技術(shù)、低溫工質(zhì)在軌長期存儲與管理、可回收運載火箭返回控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金等的支持。