Примеры орбитальных экспериментов на МКС
advertisement
Актуальные проблемы исследований в области физики невесомости и перспективы российско-украинского сотрудничества О.П. Федоров Институт космических исследований НАНУ-НКАУ, Киев Международная конференция «Космические исследования в государствах-участниках СНГ» Москва, ИКИ РАН, 04 октября 2011 года I. Содержание Мотивация Проблематика, состояние исследований Приоритетные направления; примеры экспериментов на МКС Проблемы исследований в области физики динамических систем (гидродинамика, затвердевание) Перспективные эксперименты (невесомость + физические воздействия) II. Мотивация Подготовка новой российскоукраинской программы для РС МКС Cтановление идеологии экспериментальных исследований на орбите Украинская стратегия космических исследований в контексте международного сотрудничества International Symposium in Physical Sciences in Space ISPS-4 (Bonn, 2011) РОССИЙСКО - УКРАИНСКАЯ ПРОГРАММА: 10 ЛЕТ СТАНОВЛЕНИЯ 1998 – конкурс проектов 1999 – подготовка предложений 2000 – начало разработки экспериментальных установок 1999-2008 – финансирование НКАУ 8 млн грн 2002-2003 – международные гранты– $2,8 млн. 2007 – Российско-украинская программа научных и технологических экспериментов на РС МКС 2006 –подготовка Соглашений по конкретным экспериментам 2010 – подготовка нового варианта Соглашения и Программы Совместные эксперименты для РС МКС первой очереди 1. Обстановка Разработка и создание бортовой системы сбора данных об электромагнитной обстановке вокруг МКС ЛЦ ИКИ НАНУ-НКАУ 2. Материал - трение Исследование характеристик трения и изнашивания материалов ИПМ НАНУ ФТИНТ НАНУ 3. Трубка Разработка и исследование параметров тепловых труб ИПМ НАНУ 5. Морфос-В Выращивание кристаллов в условиях микрогравитации ИМФ НАНУ ИКИ НАНУНКАУ 6. Планетный мониторинг Мониторинг планет и Земли с борта МКС ГАО НАНУ 7. Биополимер Разработка методов получения материалов, стойких к биокоррозии ИХВС НАНУ ИУН АМНУ 8. Биосорбент Создание и использование в условиях космоса углеродных сорбентов ИХП НАНУ 9. Биолаборатория Исследование биологических эффектов микрогравитации ИБ НАНУ II. Проблематика и состояние исследований Microgravity sciences Physical sciences in space Индустриализация космоса создание исследовательской орбитальной лаборатории Формирование идеологии исследований на период существования МКС КОСМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (гидродинамика, рост кристаллов, металлургия): ожидания и результаты Уникальные условия Перспектива технологического прорыва Бесконтактные условия расплавления Новые фазовые и структурные состояния материалов Отсутствие конвекции в жидкостях, газах, смесях Получение кристаллов с уникальными свойствами (чистота, распределение компонентов) Отсутствие смешивания компонентов с различной плотностью Новые композиционные материалы Превалирование поверхностных сил над объемными Уникальное формообразование и технологические применения (капиллярные насосы…) II.Приоритетные направления исследований ASTROBIOLOGY Man-made HUMAN HEALTH Meteorites Hypertension Immunology Bone Loss PHYSICS FUNDAMENTALS Europe Quiet Revolution Timing Gravity Moving in Flowmotion in Microgravity MATTER MATTERS Metallurgy Vibration Plasma Crystal PLANT BIOLOGY II. Приоритетные направления исследований Combustion Science • Spacecraft fire safety • Solids, liquids, droplets, gasses • Supercritical reacting fluids • Soot Fluid Physics • Two-phase flow • Phase separation • Boiling, condensation • Capillary and interfacial phenomena Materials Science Complex Fluids • Solidification • Crystal growth • Metals, alloys • Electronic materials • Glasses, ceramics • Polymers • Colloids • Liquid crystals • Foams • Dusty plasmas • Granular flows Fundamental Physics • Atomic Clock • Low temperature physics • Quantum measurement techniques • Ultra-cold atom physics • Test mass techniques III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Атомные часы Проект ЕКА ACES – Atomic Clock Ensemble in Space Увеличение точности измерений времени до 1.10ˉ16 (1сек за 200млн.лет) ; 30 раз выше, чем в GRAVITY PROBE-Ȧ ESA’s Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) Прототип III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Плазменный кристалл III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Геофизические Моделирование потока жидкости (GEOFLOW) IV. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Капиллярные течения Motivation: capillary channel flow in surface tension tanks Experimentally investigated geometries of capillary channels III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Критические явления III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Горение Пламя свечи в условиях гравитации Земли (слева) и микрогравитации (справа) III. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Коллоидный раствор Particle Sample Well Fill Ports ACE-1 sample module 50mm (to scale) PACE sample holder Sample holder in LMM ISS crew installing sample module in LMM IV. Примеры орбитальных экспериментов на МКС Кристаллизация •Металлургия комплексных сплавов в левитаторах •Структура направленно закристаллизованных материалов •Роль конвективного тепло-массопереноса в формировании литой структуры •Получение новых структурных состояний в сильно неравновесных условиях Морфология фронта кристаллизации IV. Динамические процессы. Ячейки Бенара IV. Динамические процессы. Ячейки Бенара IV. Динамические процессы. Бифуркация Результат самоорганизации – возникновение нового относительно устойчивого состояния, которое может оказаться источником нового цикла НЕУСТОЙЧИВОСТЬ САМООРГАНИЗАЦИЯ НЕОБРАТИМОСТЬ V. Рост кристаллов Эволюция формы фрона кристаллизации при направленном затвердевании прозрачной системы сукцинонитрил-ацетон при различных кристаллографических ориентациях выращивания. <100> равноосные ячейки <110> удлиненные ячейки VI. Влияние вибрации на процессы диффузии в жидкости При наложении вибраций однофазная жидкость постоянной плотности движется вместе с контейнером как твердое тело Появление потоков связано с вариацией плотности. Термо- вибрационная конвекция Thot Концентрационно-вибрационная конвекция Thot C Tcold ω Parabolic flights single fluid Tcold ω ISS experiment binary mixtures VII. Влияние вибрации на диффузию в жидкости Эволюция профиля температуры после наложения вибрации (Shevtsova et.al,2011) t=1 min after imposing vibrations Temperature deviation, K Numerics, front view ISS, front view ISS, side view 0.3 0.15 L 0 0 0.005 -0.15 -0.3 Height of the cell, m 0.01 T Numod | T Tin |x L/2 dz 0 Modified Nu number describes intensity of convection V. Рост кристаллов c наложением вибрационного воздействия Общий вид рабочего блока установки для кристаллизации объемных образцов Ячеистая структура для монокристаллов сукцинонитрила и пивалевой кислоты для разных кристаллографических ориентаций a – сукцинонитрил, <100> b – сукцинонитрил, <110> c – пивалиевая кислота, <100> d – пивалиевая кислота, <110> Макет установки для кристаллизации объемных образцов Спасибо за внимание!
