东南大学空间冷凝传热研究成果入选中国空间站科学进展报告 为航天热控技术发展提供新支撑

面向长期在轨运行需求,航天器热控系统必须在有限能源、受限体积与复杂环境条件下保持稳定可靠。

尤其在微重力环境中,流体行为与地面存在显著差异:重力驱动的液体回流和液膜排布机制弱化,冷凝液膜更易滞留、增厚,导致换热效率下降,进而影响关键设备散热与系统寿命。

如何在微重力条件下实现高效冷凝与稳定传热,成为空间热管理亟待破解的科学与工程问题。

此次入选成果聚焦的正是这一瓶颈。

依托中国空间站长时间、稳定的微重力环境,研究团队利用“梦天舱两相系统实验柜”,在单针翅结构表面开展HFE-7100工质膜状冷凝实验,获取了液膜从生成、积聚到铺展的长时全过程演化数据,并系统揭示相应的传热规律。

与地面条件下液膜易受重力牵引排流不同,实验显示微重力环境中液膜在针翅底部更容易积聚并逐步向外铺展延伸,伴随传热性能显著降低。

这一发现提示,微重力下的冷凝传热衰减具有结构敏感性和过程累积性,若缺乏有效引导与调控,局部液膜增厚可能演变为长期性能损失。

从原因机理看,微重力条件下界面效应相对“更显著”。

研究进一步探索发现,液膜表面温度不均匀程度增加,会强化热毛细对流并增强液膜波动机制。

热毛细效应由表面张力随温度变化引起,在微重力环境中对液体再分布与界面稳定性具有更强的主导作用。

该团队在此基础上丰富了微重力冷凝液膜稳定性理论,并提出面向空间场景的冷凝传热强化方法,为后续结构优化与系统设计提供了可验证的路径。

这一进展的意义不止于实验现象的观测。

其影响首先体现在工程应用层面:更清晰的液膜演化规律,有助于改进航天器两相换热器、冷凝器与热控组件的设计参数选择,降低在轨热控性能退化风险;其次体现在技术体系层面:通过空间站开展可重复、可对比的长期微重力实验,能够推动我国在微重力两相传热、界面调控与热管理材料结构等方向形成更系统的原创理论与方法;再次体现在任务支撑层面:热管理能力直接关系到有效载荷稳定运行、舱内环境维持与关键设备寿命,相关突破将为更复杂、更长周期的深空任务提供基础支撑。

围绕对策路径,业内普遍认为需要在“机理认知—结构设计—系统验证”链条上协同发力。

一方面,继续依托空间站平台扩展实验工况与结构类型,形成可用于工程设计的数据库与定量模型;另一方面,将热毛细对流、液膜波动等机制纳入热控设计评价体系,推动从经验设计向机理驱动设计转变;同时,加强地面试验、数值模拟与在轨数据的交叉验证,提升模型的适用范围与可靠性,促进成果向工程可用方案快速转化。

从发展前景看,随着我国空间站科学研究持续推进,微重力流体与热物理研究有望在更多任务场景中体现价值。

未来相关成果可进一步服务于空间算力等高热流密度设备的散热需求,也可为月球基地等长期驻留设施的热管理系统提供参考。

面对更严苛的环境与更高的可靠性要求,掌握微重力两相传热的关键规律并形成可工程化的强化方法,将成为支撑航天热控技术高效迭代的重要基础。

需要指出的是,《中国空间站科学研究与应用进展报告》于2024年首次发布,2025年度报告聚焦空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间新技术与应用等重点领域,系统梳理了空间站科研与应用进展,并遴选33项代表性成果。

这一机制既体现我国空间站平台的综合科研能力,也有助于推动空间科学、空间技术与空间应用协同发展,促进成果从“可发表”向“可应用”加速迈进。

从地球轨道到月球表面,中国航天正以扎实的基础研究筑牢深空探索的基石。

这项看似微观的冷凝传热研究,实则为打开太空工业化大门提供了关键钥匙。

当人类活动范围不断向宇宙深处延伸,这些源自空间站的科学发现,终将汇聚成支撑文明跨越的磅礴力量。