Лаборатория исследования физики жидкостей на МКС: многопользовательский комплекс "Fluid Science Laboratory"

Введение

Многопользовательская установка для экспериментов по физике жидкостей в модуле "Колумб" МКС

Fluid Science Laboratory – европейская научная полезная нагрузка, разработанная ESA для использования в модуле "Колумб" и построенная компаниями Alenia Spazio, OHB System и Verhaert Design and Development. Это многопользовательская установка для проведения исследований в области физики жидкостей в условиях микрогравитации. Она может управляться в полностью или полуавтоматическом режиме и контролироваться на борту астронавтами МКС или с Земли в так называемом режиме теленауки. Основная цель проведения экспериментов по физике жидкостей в космосе – изучение динамических явлений в отсутствие гравитационных сил. В условиях микрогравитации эти силы практически полностью исключаются, что значительно снижает конвекцию, вызванную гравитацией, седиментацию, стратификацию и статическое давление жидкости, позволяя изучать динамические эффекты жидкости, обычно маскируемые гравитацией. Эти эффекты включают тепло- и массоперенос, контролируемые диффузией. Отсутствие конвекции, вызванной гравитацией, устраняет негативное влияние градиентов плотности (неоднородного распределения массы), возникающих в процессах, связанных с термообработкой, фазовыми переходами, диффузионным транспортом или химическими реакциями. Конвекция в наземных процессах является сильным возмущающим фактором, эффекты которого редко можно предсказать с высокой точностью и который доминирует в тепло- и массопереносе в жидкостях. Возможность точного контроля таких процессов остается ограниченной, и их полное понимание требует дальнейших фундаментальных исследований путем проведения четко определенных модельных экспериментов для разработки и тестирования соответствующих теорий в условиях микрогравитации. Это должно способствовать оптимизации производственных процессов на Земле и повышению качества высокоценной продукции, такой как полупроводники. Fluid Science Laboratory полностью занимает одну стандартную стойку полезной нагрузки Международной космической станции. Основной элемент установки состоит из модуля оптической диагностики и центрального экспериментального модуля, в которые последовательно вставляются и используются экспериментальные контейнеры. Модуль оптической диагностики содержит оборудование для визуального и интерферометрического наблюдения, соответствующую управляющую электронику, а также точки крепления и интерфейсы для фронтальных камер. Центральный экспериментальный модуль разделен на две части: первая часть содержит несущую конструкцию для экспериментальных контейнеров, включая все функциональные интерфейсы и оптическое оборудование, и предназначена для извлечения из стойки для вставки и извлечения экспериментального контейнера. Вторая часть содержит все диагностическое и осветительное оборудование и его управляющую электронику для управления и контроля электромеханическими и оптомеханическими компонентами. Основной элемент установки дополняется функциональными подсистемами для распределения электроэнергии, поддержания окружающей среды, обработки и управления данными. Эксперименты должны быть интегрированы в экспериментальный контейнер FSL (FSL EC). Имея типичную массу , максимальную массу и стандартные размеры 400x270x280 мм (15.7x10.6x11.0 дюймов), EC обеспечивает достаточно места для размещения сборки жидкостной ячейки, включая любые необходимые стимулы процесса и специализированную электронику. Для наблюдения за экспериментами Fluid Science Laboratory включает в себя: двухосевое визуальное наблюдение с электронной визуализацией и фотосъемкой с помощью фронтальных камер, обеспечивающих высокоскоростную съемку с высоким разрешением и цветовой записью; фоновое, листовое и объемное освещение белым светом и монохроматическими (лазерными) источниками света; визуализацию скорости потока частиц, включая трассеры на основе жидких кристаллов для одновременной визуализации скорости и термометрии; термографическое (инфракрасное) картирование свободных поверхностей жидкости; интерферометрическое наблюдение в двух осях с помощью конвертируемых интерферометров с активной юстировкой: голографический интерферометр; интерферометр сдвига Волластона; режим Schlieren в сочетании с режимом сдвига; электронный интерферометр с изображением спекл-узора. В качестве вспомогательного оборудования для полетов на борту также будут доступны запасные части, специальные инструменты и расходные материалы (например, чистящие средства), фронтальные камеры и оптические эталоны для калибровки экспериментов и диагностики. Ряд модернизаций, частично обусловленных новыми технологическими разработками, недавно был внедрен в Fluid Science Laboratory. Наиболее заметными из них являются новый блок управления видео (VMU) и подсистема изоляции от вибраций в условиях микрогравитации (MVIS), разработанная Канадским космическим агентством. Ученые могут выбрать активацию MVIS для изоляции (с помощью магнитной левитации) эксперимента и оптической диагностики от возмущений, вызванных колебаниями станции. VMU уже предоставил отличные научные данные во время недавней миссии CompGran, установленной Александром Герстом в июне 2018 года. Система MVIS будет впервые использована в предстоящей миссии Reference Multiscale Boiling, которая начнется в августе 2019 года. FSL управляется в соответствии с децентрализованной концепцией эксплуатации полезной нагрузки ESA. Центром ответственности за установку (FRC) для FSL был MARS, расположенный в Неаполе, Италия, а теперь является BUSOC – Бельгийский центр поддержки и эксплуатации пользователей, расположенный в Брюсселе, Бельгия.

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.

Связанные публикации

Девандр Т, Мундорф Х, Таккони М, Аллегра А, Пенсавалле Э, Винтер Дж. Лаборатория по исследованию жидкостей и программа экспериментальных контейнеров на борту "Колумба". 54-й Международный конгресс астронавтов. Бремен, Германия, сентябрь – октябрь 2003 г.
Девандр Т, Дюбуа Ф, Калленс Н, Дюпон О, Баску Э. Цифровая голографическая микроскопия эмульсий в Лаборатории по исследованию жидкостей. Международная конференция по космической оптике. Тулуза, Франция, март – апрель 2004 г.
Девандр ТМ, Винтер JL. Экспериментальные контейнеры для Лаборатории по исследованию жидкостей ESA. ISPS и Spacebound 2003, Торонто, Канада, 2003 г.