Кіріспе
Колумбус модуліндегі сұйық физикасы эксперименті үшін көп пайдаланушылы құрылғы. Сұйық ғылымы зертханасы – Еуропалық (ESA) ғылыми құралдардың Колумбуста пайдалануға арналған жүктемесі. Оны Alenia Spazio, OHB System және Verhaert Design and Development компаниялары жасаған. Бұл микрогравитация жағдайында сұйық физикасын зерттеу үшін көп пайдаланушылы құрылғы. Оны толық немесе жартылай автоматты режимде басқаруға болады және оны ХҒС астронавттары бортында немесе жерден «телеғылым» режимінде басқара алады. Ғарышта сұйық физикасы эксперименттерін жүргізудің басты мақсаты – гравитациялық күштердің болмауында динамикалық құбылыстарды зерттеу. Микрогравитация жағдайында бұл күштер дерлік жойылады, соның салдарынан гравитациямен туындайтын конвекция, тұндыру және қабаттасу, сондай-ақ сұйықтың статикалық қысымы айтарлықтай төмендейді. Бұл қалыпты жағдайда гравитациямен жасырылатын сұйық динамикалық әсерлерін зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл әсерлерге диффузиямен басқарылатын жылу және масса алмасу жатады. Гравитациямен туындайтын конвекцияның болмауы, жылумен өңдеу, фазалық өтулер, диффузиялық тасымалдау немесе химиялық реакциялар процестерінде пайда болатын тығыздық градиенттерінің (біртекті емес масса таралуының) теріс әсерін жояды. Жердегі процестерде конвекция – күшті бұзылыс факторы, оның әсерлерін дәл болжау сирек мүмкін, және ол сұйықтардағы жылу және масса алмасуын басып озады. Мұндай процестерді дәл басқару мүмкіндігі шектеулі, ал оларды толық түсіну үшін микрогравитациядағы тиісті теорияларды әзірлеу және сынау үшін жақсы анықталған модельдік эксперименттер жүргізу арқылы қосымша фундаменталды зерттеулер қажет. Бұл жердегі өндіріс процестерін оңтайландыруға және жартылай өткізгіштер сияқты жоғары құнды өнімдердің сапасын жақсартуға мүмкіндік береді. Сұйық ғылымы зертханасы бір халықаралық стандартты жүк тірегін толыққанды иеленеді. Құрылғының негізгі бөлігі – оптикалық диагностика модулі және орталық эксперимент модулі, оларға эксперименттік контейнерлер ретті түрде орнатылып, жұмыс істейді. Оптикалық диагностика модулінде визуалды және интерферометриялық бақылау жабдықтары, оларға байланысты басқару электроникасы, сондай-ақ алдыңғы камераларды бекіту нүктелері мен интерфейстері орналасқан. Орталық эксперимент модулі екі бөлікке бөлінеді: бірінші бөлігінде эксперименттік контейнерлерді ілуге арналған құрылым, барлық функционалдық интерфейстер мен оптикалық жабдықтар бар, және ол эксперименттік контейнерді орнату және алу үшін тіректен сырғып шығарылатын етіп жасалған. Екінші бөлігінде диагностикалық және жарықтандыру жабдықтары, сондай-ақ электрмеханикалық және оптомеханикалық компоненттерді басқару және бақылауға арналған басқару электроникасы орналасқан. Құрылғының негізгі бөлігі электр қуатын тарату, ортаны кондициялау, деректерді өңдеу және басқаруға арналған функционалдық жүйелермен толықтырылады. Эксперименттер FSL эксперименттік контейнеріне (FSL EC) интеграциялануы тиіс. Типтік массасы , ең көп массасы және стандартты өлшемдері 400x270x280 мм (15.7x10.6x11.0 дюйм) болатын EC сұйық жасушасын құрастыруға, қажетті процестік стимулдар мен арнайы электроникаға орналасу үшін жеткілікті кеңістік береді. Эксперименттерді бақылау үшін Сұйық ғылымы зертханасы: екі осьті визуалды бақылау электрондық бейнелеумен және алдыңғы камералар арқылы фотографиялық резервтік көшірмелермен, жоғары жылдамдықты бейнелеумен, жоғары ажыратымдылықпен және түсті жазумен; ақ жарық және монохроматикалық (лазерлік) жарық көздерімен фондық, жапырақшалық және көлемдік жарықтандыру; бөлшектердің бейнесі жылдамдық өлшеуіш, сұйық кристалдық трассерлерді қоса алғанда, бір мезгілде жылдамдық өлшеу және термометрия үшін; еркін сұйық беттерінің термографиялық (инфрақызыл) картасы; белсенді сәйкестендірумен екі осьте интерферометриялық бақылау: голографиялық интерферометр; Вулластон қию интерферометрі; қию режимімен біріктірілген Шлиерен режимі; электрондық дақты үлгі интерферометрі. Ұшуға көмекші жабдықтар, мысалы, қосалқы бөлшектер, арнайы құралдар және керек-жарақтар (мысалы, тазалау құралдары), алдыңғы камералар және эксперименттік және диагностикалық калибрлеу үшін оптикалық анықтама нысаналары клиенттік эксперименттерді қолдау үшін бортында болады. Жақында Сұйық ғылымы зертханасына жаңа технологиялық жетістіктерге байланысты бірқатар жаңартулар енгізілді. Ең маңыздылары – жаңа бейне басқару бірлігі (VMU) және Канадалық ғарыш агенттігі әзірлеген микрогравитациялық дірілді оқшаулау жүйесі (MVIS). Ғалымдар эксперимент пен оптикалық диагностиканы ғарыш станциясының дірілінен оқшаулау үшін MVIS-ті белсендіруге таңдау жасай алады. VMU жақында Александр Герст 2018 жылдың маусымында орнатқан CompGran миссиясы кезінде өте жақсы ғылыми деректерді қамтамасыз етті. MVIS жүйесі 2019 жылдың тамызында басталатын Reference Multiscale Boiling миссиясымен алғаш рет пайдаланылатын болады. FSL ESA-ның орталықтандырылмаған жүк операциялары тұжырымына сәйкес жұмыс істейді. FSL үшін жауапты орталық (FRC) MARS, Италияның Неаполь қаласында орналасқан, қазір BUSOC Бельгиялық пайдаланушылар қолдау және операциялық орталығы, Бельгияның Брюссель қаласында орналасқан.
The Fluid Science Laboratory is a European (ESA's) science payload designed for use in Columbus built by Alenia Spazio, OHB System and Verhaert Design and Development. It is a multi user facility for conducting fluid physics research in microgravity conditions. It can be operated in fully or in semi automatic mode and can be controlled on board by the ISS astronauts, or from the ground in the so called telescience mode. The major objective of performing fluid science experiments in space is to study dynamic phenomena in the absence of gravitational forces. Under microgravity such forces are almost entirely eliminated thereby significantly reducing gravity driven convection, sedimentation and stratification and fluid static pressure, allowing the study of fluid dynamic effects normally masked by gravity. These effects include diffusion controlled heat and mass transfer. The absence of gravity driven convection eliminates the negative effects of density gradients (inhomogeneous mass distribution) that arise in processes involving heat treatment, phase transitions, diffusive transport or chemical reaction. Convection in terrestrial processes is a strong perturbing factor, the effects of which are seldom predictable with great accuracy and which dominate heat and mass transfer in fluids. The ability to accurately control such processes remains limited, and their full understanding requires further fundamental research by conducting well defined model experiments for developing and testing related theories under microgravity. This should facilitate the optimisation of manufacturing processes here on Earth and improve the quality of high value products, such as semiconductors. The Fluid Science Laboratory fully occupies one International Standard Payload Rack. The Facility Core Element consists of the Optical Diagnostics Module and Central Experiment Module into which the experiment containers are sequentially inserted and operated. The Optical Diagnostics Module houses the equipment for visual and interferometric observation, their related control electronics and the attachment points and interfaces for Front Mounted Cameras. The Central Experiment Module is divided into two parts:
The first part contains the suspension structure for the Experiment Containers, including all the functional interfaces and optical equipment, and is designed to be pulled out from the rack to allow insertion and removal of the Experiment Container. The second part contains all the diagnostic and illumination equipment and its control electronics to command and monitor the electromechanical and opto mechanical components. The Facility Core Element is complemented by the functional sub systems for power distribution, environmental conditioning and data processing and management. Experiments must be integrated in an FSL Experiment Container (FSL EC). With a typical mass of , a maximum mass of , and standard dimensions of 400x270x280 mm (15.7x10.6x11.0 in), the EC provides ample space to accommodate the fluid cell assembly, including any necessary process stimuli and dedicated electronics. For observation of experiments the Fluid Science Laboratory includes:
Two axis visual observation with electronic imaging and photographic back up via Front Mounted Cameras which provide high speed imaging together with high resolution and colour recording;
Background, sheet and volume illumination with white light and monochromatic (laser) light sources;
Particle image velocimetry, including liquid crystal tracers for simultaneous velocimetry and thermometry;
Thermographic (infrared) mapping of free liquid surfaces;
Interferometric observation in two axes by convertible interferometers with active alignment:
Holographic interferometer;
Wollaston shearing interferometer;
Schlieren mode combined with shearing mode;
Electronic Speckle Pattern Interferometer. Flight Support Equipment such as spare parts, special tools and consumables (e. g. cleaning agents), Front Mounted Cameras and Optical Reference Targets for experiment and diagnostic calibration will also be available on board to support customer experiments. A number of upgrades, partly resulting from new technological developments, have been implemented recently into the Fluid Science Laboratory. Most notable among these are a new Video Management Unit (VMU) and the Microgravity Vibration Isolation Subsystem (MVIS) developed by the Canadian Space Agency. Scientists may choose to activate MVIS to isolate (via magnetic levitation) the experiment and optical diagnostics from space station g jitter perturbations. The VMU has already provided remarkable good scientific data during the recent CompGran Mission, installed by Alexander Gerst in June 2018. The MVIS system will first be exploited with the upcoming Reference Multiscale Boiling Mission starting in August 2019. FSL is operated according to ESA's decentralised payload operation concept. The Facility Responsible Centre (FRC) for FSL was MARS, located in Naples, Italy and now is BUSOC Belgian User Support and Operations Centre, located in Brussels, Belgium.
Қатысушы басылымдар
Девандр Т, Мундорф Х, Таккони М, Аллегра А, Пенсавалле Е, Винтер Ж. Сұйықтықтар ғылыми зертханасы және оның Колумбтағы эксперименттік контейнер бағдарламасы. 54-ші Халықаралық Астронавтика Конгресі. Бремен, Германия, қыркүйек-қазан. 2003
Девандр Т, Дюбуа Ф, Калленс Н, Дюпон О, Баску Э. Эмульсиялар үшін Сұйықтықтар ғылыми зертханасындағы Цифрлік голографиялық микроскопия. Ғарыш оптикасы жөніндегі халықаралық конференция. Тулуза, Франция. Наурыз-сәуір, 2004
Девандр ТМ, Винтер ЖЛ. ЭКА-ның Сұйықтықтар ғылыми зертханасы үшін эксперименттік контейнерлер. ISPS және Spacebound 2003, Торонто, Канада 2003
Dewandre T, Dubois F, Callens N, Dupont O, Bascou E. Digital Holographic Microscopy fr Emulsions on the Fluid Science Laboratory. International Conference on Space Optics. Toulouse, France. March April, 2004
Dewandre TM, Winter JL. Experiment Containers for ESA's Fluid Science Laboratory. ISPS and Spacebound 2003, Toronto, Canada 2003