تم تطوير جهاز اختبار الإدارة الحرارية للمعادن السائلة في مجال اختبار تكنولوجيا الفضاء الجوي من قبل معهد الفيزياء وتكنولوجيا الكيمياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم وتم تركيبه في خزانة الاختبار الأساسية للفضاء لوحدة منغتيان التجريبية بالمحطة الفضائية. يستخدم المعدن القائم على البزموت مع نقطة انصهار منخفضة، وسلامة بيولوجية عالية وخصائص كيميائية مستقرة. إجراء بحث مميز والتحقق التجريبي من تبديد حرارة التدفق وتكنولوجيا التحكم في درجة حرارة تغير الطور في بيئة الجاذبية الصغرى الفضائية.
صورة
موقع جهاز اختبار الإدارة الحرارية للمعدن السائل في خزانة الاختبار الأساسية للفضاء
الجزء 1
ما هو المعدن السائل؟ ما هي المبادئ المتضمنة في الاختبار؟
المعدن السائل هو معدن سائل غير متبلور وقابل للتدفق. إنه مصطلح عام لسلسلة من المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة ومواد السبائك. وهو سائل في درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة تسخين أقل وله سيولة. لديها الموصلية الكهربائية القوية والتوصيل الحراري. يتميز بخصائص الكفاءة العالية واللزوجة المنخفضة ونطاق درجة حرارة السائل الواسع. استخدمت هذه التجربة بشكل أساسي مبدأين لتبديد الحرارة للمعدن السائل، وهما نقل الحرارة بالحمل الحراري والتحكم الحراري لتغير الطور الصلب والسائل.
صورة
المعدن السائل
نقل الحرارة بالحمل يعني أن المعدن السائل يتدفق عبر سطح التسخين، ويمتص حرارة السطح، ويحافظ على درجة حرارة سطح التسخين عند قيمة مناسبة معينة. سوف يسخن المعدن السائل الممتص للحرارة، وينقل الحرارة إلى البيئة في جهاز معين لتبديد الحرارة، ثم يتعافى. إلى درجة الحرارة الأولية، وبالتالي يتدفق عبر سطح التسخين مرة أخرى لتحقيق التدفق الدائري؛
التحكم الحراري لتغير الطور الصلب والسائل هو بالوعة حرارية لتغيير الطور مثبتة على سطح التسخين الذي يذوب بعد امتصاص الحرارة ويتغير من الحالة الصلبة إلى السائل. وتمتص عملية الصهر الحرارة ولكن درجة الحرارة لا تتغير، وبالتالي يتم التحكم في سطح التسخين عند درجة حرارة مناسبة معينة. عندما يتوقف سطح التسخين عن العمل، يتصلب المعدن السائل تدريجيًا ويتحول إلى حالة صلبة. أثناء عملية التصلب، تظل درجة الحرارة دون تغيير ولكن يتم إطلاق الحرارة. تتبدد هذه الحرارة تدريجياً في البيئة. المعدن المتصلب بالكامل جاهز للعمل التالي لسطح التسخين. الحالة الصلبة المواد المعدنية المستخدمة للتحكم الحراري في تغير الطور السائل لها نقطة انصهار منخفضة، بشكل عام أقل من 100 درجة، ويمكن تعديلها وفقًا للاحتياجات.
الجزء 2
ما هي النتائج التي حققتها التجربة؟
في هذا الاختبار المداري، حصلت وحدة اختبار تبديد الحرارة بالحمل الحراري على خصائص التباين لمعامل نقل الحرارة مع معدل التدفق، والذي يهدف بشكل أساسي إلى تطبيقات معدل التدفق المنخفض لدوائر السوائل الصغيرة. قبل ذلك، لم تكن هناك بيانات مميزة موثوقة لمعامل نقل الحرارة يمكن للمصممين الرجوع إليها في منطقة معدل التدفق المنخفض التي ركز عليها مشروع الاختبار هذا. وقد ملأت نتائج هذا الاختبار هذه الفجوة؛
صورة
تحصل وحدة التحكم في درجة حرارة تغير الطور على منحنى تغير درجة الحرارة لعملية صهر المواد المعدنية مع مرور الوقت. يتأثر توزيع درجة حرارة المادة أثناء عملية الصهر بشكل كبير بالجاذبية. عندما تكون هناك جاذبية، فإن اختلاف الكثافة الناتج عن درجات حرارة السوائل المختلفة سيؤدي إلى تدفق طبيعي. سيؤدي هذا التدفق إلى جعل درجة الحرارة الداخلية للمعدن السائل موحدة بسرعة أكبر؛ في حين أن جاذبية البيئة الفضائية ضعيفة للغاية، فإن اختلاف الكثافة لن يسبب تدفقًا طبيعيًا، وسيكون توزيع درجة الحرارة داخل المعدن السائل غير متساوٍ نسبيًا. تم تجهيز هذا الاختبار بتغيير الطور المعدني. يتم إنشاء هيكل معزز لنقل الحرارة في تجويف المادة، والذي يمكنه نقل الحرارة بسرعة إلى داخل المادة المعدنية، مما يجعلها تذوب بشكل أكثر تجانسًا، مما يؤدي إلى درجة حرارة أكثر تجانسًا. نتائج التحقق من الاختبار تتماشى مع التوقعات.
بالإضافة إلى التحقق من تكنولوجيا نقل الحرارة بالحمل الحراري والتحكم في درجة حرارة تغير الطور، تحقق هذا الاختبار أيضًا من التقنيات الرئيسية مثل الذوبان المتحكم فيه، والتخزين المؤقت للتمدد، والتوصيل الحراري السطحي للمعادن القائمة على البزموت في بيئة الجاذبية الصغرى الفضائية.
منشورات المعرفة بالمصطلحات التقنية الرئيسية
الذوبان المتحكم فيه: يشير إلى ذوبان المعادن المتحكم فيه بالتسلسل وفقًا للمواضع والتسلسلات المحددة مسبقًا.
التخزين المؤقت للتوسيع: يشير إلى التخزين المؤقت لتغير الحجم عندما يتغير السائل المعدني الصلب. بالنسبة للدائرة المغلقة، إذا لم يتم تخزين هذا التغيير في الحجم مؤقتًا، فسوف ينفجر خط الأنابيب.
الموصلية الحرارية للواجهة: تشير إلى الفجوات الصغيرة التي ستظهر عند ملامسة سطحين صلبين. الهواء المتبقي في هذه الفجوات سوف يعيق انتقال الحرارة بين السطحين الصلبين. ولذلك، يجب ملء الفجوات بمواد الواجهة الحرارية، مثل المعدن السائل. هذه الحشوة تكون الموصلية الحرارية للمادة أعلى بكثير من الهواء، مما يسمح بانتقال الحرارة بين سطحين صلبين مع اختلاف بسيط في درجة الحرارة.
الجزء 3
ما هي الآثار البحثية للاختبار؟
هذا المشروع هو المرة الأولى في العالم التي تستخدم فيها سبيكة قائمة على البزموت ذات نقطة انصهار منخفضة وتتميز بسلامة بيولوجية عالية لإجراء اختبارات في المدار والتحقق من التقنيات الرئيسية للإدارة الحرارية للفضاء المعدني السائل. يمكن استخدام النتائج ذات الصلة لإمدادات الطاقة النووية الفضائية في المستقبل، وإلكترونيات الطيران عالية الكثافة للطاقة، والطاقة المدنية العالية. توفير الدعم الفني الرئيسي للتطبيقات الهندسية أو الصناعية التي تتطلب نقل الحرارة وتبديدها بكفاءة، مثل الأجهزة.
الجزء 4
ما هي المجالات التي تتوقع أن ترى فيها تطبيقات في المستقبل؟
تهدف الإنجازات التي حققها هذا المشروع في تبديد الحرارة بالحمل الحراري للمعادن السائلة والتحكم في درجة حرارة تغير الطور بشكل أساسي إلى احتياجات التحكم الحراري الهندسي مثل التسخين المستمر أو التسخين المتقطع عالي الحمل للأجهزة الإلكترونية ذات كثافة التدفق الحراري العالية. مع تطور تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي، وتكنولوجيا الواقع الافتراضي والسرعة العالية. ومع التطوير المستمر لتكنولوجيا معالجة الصور المتدفقة وغيرها من المجالات، تستمر كثافة الطاقة للمعدات الكهربائية مع هذه الوظائف في الزيادة. من أجل ضمان أداء عمل المكونات الكهربائية في ظل ظروف الحمل العالي، من الضروري اعتماد تكنولوجيا تبديد الحرارة أكثر كفاءة وبساطة وموثوقية. إن تقنيتي تبديد حرارة المعدن السائل المتضمنتين في هذا المشروع عبارة عن عمليات تحقق تجريبية تم إجراؤها استجابة لهذا الطلب الصناعي، ومن المتوقع أن تلعب دورًا رئيسيًا في العديد من المجالات.
صورة
مصدر المحتوى: رحلات الفضاء المأهولة الصينية المؤلف: ليو قويلين، معهد الفيزياء والكيمياء، الأكاديمية الصينية للعلوم
