国际空间站的流体力学实验，原来是为了研究它...

马小东

对于普通人来说，国际空间站就是一个观测太空的载体，但其实目前的国际空间站更像是一个浮游在太空中的科学实验室，上面在不停进行着各种实验。在过去的二十多年中，国际空间站一直是由于重力而无法在地球上进行的科学实验的理想场所，也是唯一的理想场所。


今天我们一起来看最新发表在“Physics of Fluids”杂志上的一项在国际空间站所进行的流体力学实验，足以称得上“精彩”二字。那么科学家们究竟在国际空间站上“做了什么手脚”呢？来自美国康奈尔大学和克莱姆森大学的研究人员共同设计分析了本次在国际空间站 ( ISS ) 上进行的实验。这是一项关于“水滴”的研究.....水滴在我们日常生活中非常常见，往往也被人忽视，但是它的研究价值可不小，了解水滴如何产生，发展、扩散和聚结等运动模式对人们的日常生活至关重要。但是水滴研究却一直以来面临着难以解决的问题，比如说当我们想了解雨滴是如何从汽车、飞机和屋顶上掉落的，以及它们是怎样在能源生产、航空航天工程和微型细胞粘附中产生作用的，看上去似乎很简单的实验过程，但其实这些现象很难建模并且观察起来也非常费力。


我们知道，水滴通常表现为小球形水帽，这时它们的表面张力超过重力。“如果水滴变得更大，它们就会开始失去球形，重力会将它们挤压成更像水坑的东西，”康奈尔大学的研究者Josh McCraney表示：“如果我们想分析地球上的水滴，我们需要在非常小的范围内进行。”但太小又面临着新的难题，因为在小尺度上，液滴动力学太快而无法观察到。所以怎样能够在速度和范围内达到平衡就是实验设计者面临的最大问题，好在，他们想到了：国际空间站！我们知道，从地面向上，随着与地心距离增大，物体受到的重力越来越小，当进入太空环境，物体受到的重力几乎为零。这种微重力环境意味着研究团队可以研究更大的液滴，直径从几毫米到几厘米。那么他们是怎样设计和开展这项实验的呢？毕竟这次的实验比较特殊，不仅是环境特殊，而且操作者还不能是科研人员，必须是宇航员。
第一步：科学家们要将四种具有不同粗糙度特性的不同表面材料送到了国际空间站。
第二步：宇航员们将这四种表面安装到实验室桌子上，同时安装不同角度的摄像机来进行记录液滴扩散和融合的过程。
第三步：两名宇航员会分别在表面材料的中央位置滴下所需大小的一滴液滴。这滴水滴靠近但没有接触到一个预先钻好的小孔。
第四步：宇航员通过小孔注入水，从而在小孔上方逐渐聚集形成一个新的液滴。继续注射，直到两滴接触并融合在一起。


实验的目的是测试Davis-Hocking 模型，这是一种模拟液滴的简单方法。如果一滴水滴落在表面上，它的一部分会接触空气并形成界面，而与表面接触的部分会形成边缘或接触线，Davis-Hocking 模型描述了接触线的方程。实验证实并扩展了Davis-Hocking模型的参数空间。



以 1.6 Hz 驱动的液滴在基板 F7 上以 [2,0] 模式振荡，表现出自由移动的接触线

特别令人惋惜的是：在实验开始之前的几个月，该项目的原首席研究员，康奈尔大学Paul Steen教授在2020年9月的一次意外中去世了。Paul Steen教授是世界著名流体力学专家，他将应用数学与实验相结合，为涉及流体的复杂过程提供了新的见解。他主要的研究内容是关于液滴、气泡和薄膜形式的流体。


2010 年，Paul Steen教授发明了一种利用水表面张力和电场的手掌大小的“蜘蛛侠”粘附装置并获得了专利，2019 年，他发布了水滴运动周期表，以帮助科学家更好地对在表面上振荡的水滴的复杂形状和行为进行分类。Paul Steen教授还曾经担任过“ Journal of Fluid Mechanics”副主编一职长达数十年。所以任何科学研究的开创、尝试、发展、实现和完成都不是一个简单的过程，有的甚至需要几年几十年甚至几代人才能完成。而这项在国际空间站上开展的水滴实验也为未来进一步的研究打下了坚实的基础。
该论文题目为“Coalescence-induced droplet spreading: Experiments aboard the International Space Station”，感兴趣的同学请自行搜索查找。