<p>完成科學(xué)理解重力降低如何影響沸騰和冷凝的實驗</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，說人類需要有暖氣和空調(diào)的棲息地才能在那里長期生存，這是輕描淡寫的說法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是，如果不了解重力降低對沸騰和冷凝的影響，加熱和冷卻系統(tǒng)就不足以支持月球探索或更長時間火星旅行的棲息地。直到現(xiàn)在，工程師們還無法破解這門科學(xué)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他說：&ldquo;我們地球上的每一臺冰箱、每一個空調(diào)系統(tǒng)都涉及到沸騰和冷凝。這些機制在許多其他應(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;穆達瓦爾 ,普渡大學(xué)Betty Ruth和Milton B.Hollander的家庭教授機械工程&ldquo;我們對這些系統(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)工程師團隊與美國宇航局克利夫蘭格倫研究中心合作，花了11年時間開發(fā)了一個設(shè)施來研究這些現(xiàn)象。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該設(shè)施稱為流動沸騰和冷凝實驗（FBCE）.初步設(shè)計已測試在Zero Gravity公司的（Zero-G）失重研究實驗室，這是一架經(jīng)過特殊改裝的波音727飛機，它可以進行拋物線飛行，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>在飛行測試后，NASA格倫和該機構(gòu)的生物和物理科學(xué)部門協(xié)助穆達瓦的團隊創(chuàng)建了一個較小的實驗版本，以適應(yīng)流體集成機架在國際空間站。在通過NASA安全和準備就緒審查后，F(xiàn)BCE發(fā)射到空間站2021年8月，它幫助研究人員開始揭開沸騰和冷凝在太空極端環(huán)境中是如何工作的謎團。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這些答案是研究小組從空間站進行的兩組FBCE實驗中收集的數(shù)據(jù)。去年7月，該設(shè)施的第一次實驗完成了所有數(shù)據(jù)的收集，Mudawar說，科學(xué)家需要了解重力降低如何影響沸騰。在接下來的幾個月里，作為諾斯羅普&middot;格魯曼公司（Northrop-Grumman）美國國家航空航天局（NG-19）商業(yè)再補給服務(wù)任務(wù)的一部分，用于第二次實驗的設(shè)備將發(fā)射到軌道實驗室，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)施的兩個實驗都將在2025年前保持在軌，使整個流體物理界能夠利用這些數(shù)據(jù)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達瓦爾說：&ldquo;我們已經(jīng)準備好在降低重力下流動和沸騰的整個科學(xué)方面完成這本書。&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)中獲得了新的認識，這些數(shù)據(jù)顯示了重力降低對這些現(xiàn)象的影響，我們能夠為如何確定設(shè)備的尺寸、如何設(shè)計設(shè)備提供指導(dǎo)。&rdquo;n它的有效性以及如何預(yù)測其性能。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員正在準備一系列的研究論文，其中包括FBCE在國際空間站收集的數(shù)據(jù)60多篇論文項目開始時，他們在Zero-G航班上測試了他們的設(shè)施，并發(fā)表了關(guān)于失重和流體流動的文章。</p> <p>&nbsp;</p> <p>回答十年前的問題</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達瓦爾說：&ldquo;在這個項目期間，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。&rdquo;。&ldquo;自太空飛行開始以來的60多年來，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，美國國家科學(xué)院（National Academies）都會發(fā)布一份報告，指導(dǎo)美國國家航空航天局（NASA）、白宮（White House）和國會（Congress）在未來十年內(nèi)優(yōu)先資助的研究領(lǐng)域。在2011年報告中，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)先事項之一。FBCE項目是根據(jù)十年報告創(chuàng)建的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>任務(wù)距離地球越遠，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現(xiàn)加熱和冷卻的其他類型的過程相比，沸騰和冷凝在為這些核動力車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）在國際空間站組裝流動沸騰和冷凝實驗的組件。（圖片由NASA提供）下載圖像<br />自20世紀70年代以來，穆達瓦一直致力于利用沸騰和冷凝來應(yīng)對各種系統(tǒng)的能量傳輸和溫度控制挑戰(zhàn)。例如，高溫渦輪系統(tǒng)、超級計算機、數(shù)據(jù)中心、航空電子、混合動力汽車電力電子、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>同類最大的實驗</p> <p>&nbsp;</p> <p>據(jù)穆達瓦稱，F(xiàn)BCE是第一組實驗，提供了足夠廣泛和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以開發(fā)工程師設(shè)計各種空間系統(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>穆達瓦爾說：&ldquo;我們現(xiàn)在有了一個基礎(chǔ)，可以比較和對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>穆達瓦和他的學(xué)生在過去的11年里一直在基于FBCE數(shù)據(jù)開發(fā)三套預(yù)測工具。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設(shè)計空間系統(tǒng)。另一組從數(shù)據(jù)中識別有關(guān)流體物理的基本信息，第三組是流體動力學(xué)的計算模型。</p> <p>&nbsp;</p> <p>總之，這些模型將有可能預(yù)測哪些設(shè)備設(shè)計可以在月球和火星重力下運行。</p> <p>&nbsp;</p> <p>FBCE是美國宇航局最大、最復(fù)雜的流體物理研究實驗去年2月至7月，該設(shè)施成功進行了234次測試，產(chǎn)生了近3800個數(shù)據(jù)點和同等數(shù)量的高速視頻記錄。</p> <p>&nbsp;</p> <p>來自NASA格倫不同團隊的35多名工程師和技術(shù)人員參與了該項目，幫助將穆達瓦及其學(xué)生的設(shè)計理念轉(zhuǎn)化為可安裝到空間站的設(shè)施。這些團隊包括Glenn的FBCE工程、安全和任務(wù)保證、科學(xué)、軟件和技術(shù)團隊，以及流體和燃燒設(shè)施操作團隊。</p> <p>&nbsp;</p> <p>15名過去和現(xiàn)在的普渡大學(xué)博士生在與NASA合作的各個方面為穆達瓦提供了幫助。兩名普渡大學(xué)博士候選人V.S.Devahdhanush和Steven Darges通過在普渡大學(xué)設(shè)立的專用工作站協(xié)助監(jiān)測空間站上的實驗。普渡大學(xué)團隊還為后續(xù)測試提供了改進操作條件的建議，以不斷提高每次測試的科學(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)，穆達瓦和他的團隊發(fā)明了一種新型電動汽車充電電纜設(shè)計這將允許他們在五分鐘內(nèi)充電。當(dāng)今最先進的充電電纜為電動汽車充電需要20多分鐘。這項快速充電電纜發(fā)明的專利申請已通過普渡研究基金會技術(shù)商業(yè)化辦公室 .</p> <p>&nbsp;</p> <p>穆達瓦爾說：&ldquo;FBCE的數(shù)據(jù)量絕對巨大，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構(gòu)，為當(dāng)今最嚴峻的挑戰(zhàn)開發(fā)實用的解決方案。普渡大學(xué)在過去五年中每年都被《美國新聞與世界報道》評為美國十大最具創(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)致力于負擔(dān)能力和可獲得性，已將學(xué)費和大部分費用凍結(jié)在2012-13年的水平，使更多的學(xué)生能夠畢業(yè)時無需償還債務(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。</p> </blockquote>