Гидромеханика реальной невесомости

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А. В. Зюзгин

ГИДРОМЕХАНИКА РЕАЛЬНОЙ 

НЕВЕСОМОСТИ

Допущено методическим советом

Пермского государственного национального
исследовательского университета в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся

по направлению подготовки магистров 

«Физика»

Пермь 2023

УДК 532.5(075.8)
ББК 22.253я73

З981

З981

Зюзгин А. В.

Гидромеханика реальной невесомости [Электронный ресурс] : учебное пособие / А. В. Зюзгин ; Пермский государственный национальный исследовательский университет. – Электронные данные. –
Пермь, 
2023. 
–
4,42 
Мб 
; 
88 с. 
–
Режим 
доступа: 

http://www.psu.ru/files/docs/science/books/uchebnie-posobiya/zyuzgingidromekhanika-realnoj-nevesomosti.pdf. – Заглавие с экрана.

ISBN 978-5-7944-3978-6

Пособие предназначено для студентов магистратуры физфака ПГНИУ, 

изучающих курс «Гидромеханика невесомости», а также для специалистов, интересующихся данной проблематикой. В пособии описаны постановки задач 
приоритетных космических экспериментов по обнаружению и описанию термовибрационной и термоинерционной конвекций в жидкостях при орбитальном 
полете. Опыты проводились с околокритическими средами французского оборудования серии «ALICE» на орбитальной станции «Мир». Обсуждаются обработка и интерпретация их результатов. Кроме этого, приведена методика наземного лабораторного моделирования влияния микрогравитационной обстановки 
орбитального полета на гравитационно-чувствительные системы и обсуждаются 
результаты такого моделирования, воспроизводящие конвективные эффекты орбитальных экспериментов.

Устойчивый интерес к задачам этого круга вызван развитием космических 

технологий, поскольку вибрационные, инерционные и остаточные гравитационные ускорения в условиях орбитального полета могут определять динамику 
тепло- и массообмена в стратифицированных по плотности средах. В настоящее 
время исследования в этом направлении проводятся очень интенсивно и составляют содержание целого ряда научных журналов и серий международных конференций.

УДК 532.5(075.8)

ББК 22.253я73

Издается по решению ученого совета физического факультета

Пермского государственного национального исследовательского университета

Рецензенты: кафедра «Прикладная физика» ПНИПУ (зав. каф. д-р физ.-мат.

наук Д. А. Брацун);

декан математического факультета ПГГПУ, канд. пед. наук
А. Ю. Скорнякова

ISBN 978-5-7944-3978-6

© ПГНИУ, 2023
© Зюзгин А. В., 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….…4

1.
ТЕПЛООБМЕН В УСЛОВИЯХ ОРБИТАЛЬНОГО ПОЛЕТА…………....8

1.1. Конвективные процессы в реальной невесомости……………………....8
1.2. Описание оборудования и методик проведения экспериментов
со сверхкритическими средами………………………………………………12
1.3. Теплообмен при фоновых микроускорениях……………………….......27
1.4. Режимы теплообмена в высокочастотном микрогравитационном поле...30
1.5. Теплообмен в околокритической жидкости 
под действием низкочастотных микроускорений…………………………..41
1.6. Совместное действие термовибрационного 
и термоинерционного механизмов конвекции……………………………...47
1.7. Влияние квазистатических микроускорений на теплообмен………….50

2. НАЗЕМНОЕ ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНВЕКЦИИ 

В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ…………………………………….55

2.1. Методика наземного моделирования конвекции
в реальной невесомости………………………………………………………55
2.2. Результаты исследования теплообмена от точечного источника 
тепла или холода в поле переменных инерционных ускорений…………..62

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….70

БЛАГОДАРНОСТИ……………………………………………………………..71

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….72

ВВЕДЕНИЕ

Начало изучению состояния невесомости было положено в трудах 

К.Э. Циолковского1, где рассматривались вопросы промышленного использова
ния космоса. В дальнейшем стало принято рассматривать невесомость, возника
ющую при орбитальном полете, как ресурс космического аппарата и специфиче
скую среду для технологических процессов в гравитационно-чувствительных си
стемах2, 3..

Научные и технологические эксперименты по физике жидкостей, выращи
ванию кристаллов, измерению теплофизических свойств жидкостей и расплавов, 

выполненные в невесомости, свидетельствуют о значительном влиянии на эти 

процессы микрогравитационной обстановки, существующей на борту космиче
ских аппаратов4, 5, 6.. Отмечается слабая повторяемость результатов космических 

экспериментов, проведенных на одном и том же оборудовании и в аналогичных 

условиях. Например, некоторые из кристаллов, выращенные в условиях орби
тального полета, имеют большую неоднородность свойств, чем соответствую
щие кристаллы-аналоги, полученные на Земле7, 8, 9, 10.. В связи с высокой гравита
ционной чувствительностью названных и многих других явлений, значительные 

усилия как отечественных, так и зарубежных исследователей были посвящены 

мониторингу динамических условий и определению допустимых уровней инер
ционных микроускорений для различных процессов на космических аппара
тах11, 12, 13, 14..

По своему происхождению возмущающие ускорения на орбитальном ком
плексе (ОК) могут быть условно разделены на три вида/группы
15, 16, 17, 18, 

19, 20, 21, 22, 23, 24..

Первую группу образуют квазистатические ускорения, имеющие частоту 

ниже 0.01 Гц. Общее определение микроускорения в некоторой точке, находя
щейся на расстоянии l от центра масс искусственного спутника в орбитальном 

космическом полёте, задается формулой:

(
)
(
)
(
)
3
a
n
l
l
e l e
l
n




=

+


+

−
+
,
(1)

где

3 ,
,
a
a

L
e
n
c
v v
L
L




=
=
=
.

В формуле  – абсолютная угловая скорость спутника, точкой обозначено диф
ференцирование по времени t, 𝑙⃗ – радиус-вектор точки Р относительно центра 

масс спутника,  – гравитационный параметр Земли, 𝐿⃗⃗ – геоцентрический ра
диус-вектор центра масс спутника, v – скорость этого центра масс относительно 

поверхности Земли, 
( , )
a L t

– плотность атмосферы в точке, которую в данный 

момент времени пролетает спутник, с – баллистический коэффициент спутника.

Первые два слагаемых в правой части (1) обусловлены вращательным движе
нием спутника относительно центра масс, в частности, при управляющих воз
действиях систем ориентации и вследствие прецессии под действием момента 

сил трения в неуправляемом полете. Третье слагаемое учитывает неоднород
ность гравитационного поля Земли в пределах космического аппарата, соверша
ющего орбитальный полет (см. рис. 1)25, а четвертое описывает составляющую 

микроускорения, вызываемую аэродинамическое торможением.

Рис. 1. Схема уровня остаточных ускорений, вызванных градиентом 

гравитационного поля на Международной космической станции

Ко второй группе – низкочастотной – относят микроускорения в диапазоне 

0.01 – 1 Гц, создаваемые, например, колебаниями гибких навесных элементов 

конструкции, таких как солнечные батареи и антенны. Вибрационными (третий 

вид) принято называть возмущениями с частотами, большими 1 Гц, вызванными

функционированием различных систем, агрегатов и деятельностью экипажа.

Например, на орбитальном комплексе «Мир» наиболее мощными, практически 

постоянно действующими источниками вибро-возмущений были бортовой ком
прессор системы кондиционирования влаги (периодические полигармонические 

возмущения с фундаментальными частотами до 50 Гц) и силовые гиродины (пе
риодические полигармонические возмущения с фундаментальными частотами 

более 160 Гц). В низкочастотную область спектра возмущений существенную 

роль вносит активная жизнедеятельность экипажа, особенно при проведении фи
зических упражнений. В условиях орбитального полета уровень микроускоре
ний инерционной природы лежит в интервале 10-310-6 g0, причем в диапазоне 

частот 0.114 Гц сосредоточено до 95 % их мощности.

Ниже приведем строгие определения некоторых терминов, сделанных в 

диссертационной работе В.П. Яремчука 26:

Определение 1.
Механикой гравитационно-чувствительных систем 

(«microgravity science») назовем раздел науки, в котором изучается влияние 

остаточных ускорений на борту космического аппарата (КА) на широкий круг 

процессов, включающих в себя как явления, которые имеют место лишь в усло
виях микрогравитации, так и явления, которые происходят в земных условиях, 

однако в условиях орбитального полета проявляются более отчетливо.

Определение 2. Микроускорениями (остаточными ускорениями) назовем 

ускорения, которые неизбежно возникают в условиях космического полета, экс
периментах на башнях сбрасывания или в самолетах, совершающих свободное 

падение. Причем эти ускорения могут иметь достаточно сложную природу и 

нестационарный характер, однако их модуль должен быть много меньше уско
рения свободного падения на поверхности Земли.

Сами по себе микроускорения чаще всего подразделяют на две основные 

составляющие: квазистатическая составляющая микроускорений и вибрацион
ная составляющая микроускорений (в англоязычной литературе принят термин 

g-jitter). Такое разделение имеет отнюдь не условный характер, а разделяет со
ставляющие, которые различным образом влияют на гравитационно-чувстви
тельные системы.

Таким образом, в книге приведено описание приоритетных экспериментов 

по конвективным процессам жидкости в обсужденной микрогравитационной об
становке орбитального полета, т.е. реальной невесомости (1995 год, станция 

«Мир», прибор «ALICE-1») и вынужденных поступательных и качательных виб
раций, а также при вращении корабля (1999-2000 годы, станция «Мир», прибор 

«ALICE-2»). Кроме этого, рассмотрены методы, пути преодоления «сложно
стей»27, и результаты наземного моделирования влияния микрогравитационной 

обстановки на гравитационно-чувствительную жидкостную систему. При этом 

получены структуры и эффекты, сходные с наблюдаемыми в орбитальных экс
периментах.

1.ТЕПЛООБМЕН В УСЛОВИЯХ ОРБИТАЛЬНОГО ПОЛЕТА

В главе представлены результаты обработки и интерпретации данных экс
периментов по изучению конвективных течений и теплопереноса в околокрити
ческих средах в реальной невесомости. Эксперименты проводились на ОК

«Мир» с использованием французских установок «ALICE-1» и «ALICE-2». Рас
смотрено влияние термовибрационного и термогравитационного (инерцион
ного) механизмов конвекции на поведение температурной неоднородности, со
здаваемой в дальней окрестности критической точки локальным источником 

тепла. Исследования выполнены в условиях фоновой микрогравитационной об
становки, существовавшей на ОК «Мир», а также при воздействии искусственно 

создаваемых переменных инерционных ускорений.

Результаты опубликованы в
работах 
28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44, 

45,46,47,48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62.

1.1. Конвективные процессы в реальной невесомости

В работах63,64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72 на основании численного моделирования 

показывается, что возмущающие ускорения на орбитальных объектах доста
точно высоки для того, чтобы создать в жидкой и газовой фазах течения, способ
ные повлиять на распределения концентрации, температуры и иные характери
стики процессов.

К выводу о возможности гравитационно-инерционных течений на косми
ческих аппаратах приводят также результаты наземного моделирования, при ко
тором обеспечивается (насколько это возможно) одинаковая величина управля
ющих критериев подобия в лабораторных и натурных условиях73, 74.

Одной из причин возбуждения таких течений в орбитальном полете, ин
тенсивно изучаемой в последнее время, являются угловые ускорения

75, 76, 77, 78, 79, 80, 81. Отметим, что переменные непоступательные перемещения со
суда с жидкостью или газом вызывают движение как в однородной, так и в стра
тифицированной по плотности среде. Течение в однородной жидкости вызывает 

ее вязкое трение о стенки испытывающего угловые ускорения сосуда. При высо
кочастотных непоступательных вибрациях, как и в случае, когда пульсационное 

течение в пристеночных погранслоях неоднородно вдоль границ, завихренность 

диффундирует из пограничных слоев и создает осредненное течение в основном 

объеме полости. На возможность генерации изотермических течений в невесо
мости под действием пристеночного механизма неконвективной природы впер
вые указано в 82. Течения изотермической жидкости при вращательных качаниях 

теоретически и экспериментально исследуются в83, 84, 85.

В неоднородной по плотности (неизотермической либо имеющей перемен
ный состав) жидкости при переменных вращениях, наряду с описанным выше 

пристеночным механизмом генерации течений, действует объемный конвектив
ный механизм, обусловленный силой инерции, связанной с угловыми ускорени
ями, центробежной силой и силой Кориолиса. Поля этих сил могут создавать в 

неоднородной среде конвективные пульсации скорости, температуры и концен
трации, а при высокочастотных вращательных колебаниях – осредненные вибро
конвективные течения86. Воздействие маятниковых качаний на поведение неизо
термических сред применительно к условиям невесомости изучалось теоретиче
ски и эмпирически (методами наземного лабораторного моделирования в не
давно упомянутых работах).

Безразмерными критериями подобия, характеризующими термоконвек
тивные механизмы в квазистатическом силовом поле и при высокочастотных ли
нейных и угловых качаниях, являются, соответственно, число Рэлея Rag , крите
рии RaV87, 88, RaS = (0)2R0Th3/2 и число Прандтля Pr .

Расчеты89 позволяют объяснить периодические неоднородности распреде
ления легирующих примесей в монокристаллах, выращенных во время совмест
ного полета аппаратов «Apollo»-»Союз»90, на автоматических научных спутни
ках «Фотон»91, EURECA92 и космических кораблях Space Shuttle93, конвектив
ным тепломассопереносом, вызываемым медленно меняющимися по величине и 

направлению остаточными микроускорениями, обусловленными орбитальным