Механики МГУ узнали, как поведет себя вакуумное масло в космосе

Устойчивость пленки жидкости в обычных условиях зависит в основном от того, как она взаимодействует с окружающим воздухом. Наиболее существенный эффект, так называемая неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, возникает из-за трения жидкости о воздух — разность скоростей двух сред приводит к тому, что на поверхности жидкости развивается рябь, возникают волны, происходит срыв капель и т.д. Наиболее известный пример проявления такой неустойчивости — это ветровые волны на поверхности водоёмов. Авторы нового исследования теоретически изучили, как будет вести себя свободная пленка жидкости в вакууме, когда нет взаимодействия с окружающей средой. Исследование проведено на примере так называемого вакуумного масла — жидкости, у которой вязкость, теплопроводность и поверхностное натяжение существенно зависят от температуры (такие жидкости используются, например, в паромасляных насосах).

На практике исследование поведения жидкостей в условиях открытого космоса необходимо для развития новых технологий охлаждения космических аппаратов. В перспективе на космических аппаратах длительного действия смогут применять так называемые капельные радиаторы-охладители. В таких устройствах жидкость системы охлаждения пропускается через специальные форсунки и превращается в пелену жидких капель, движущуюся в открытом космосе. За счет большой поверхности мелких капель, с которой тепло «сбрасывается» за счет излучения, удается достичь высокой эффективности охлаждения жидкости. В то же время возникает серьезная проблема — как эти капли собрать, превратить снова в жидкость, а эту жидкость возвратить на борт космического аппарата. Возникла идея собирать остывшие капли на специально организованное течение жидкой пленки. Проблеме устойчивости течения такой пленки в открытом космосе и посвящена настоящая работа.

«Обычно жидкие струи и пленки очень быстро разбиваются на капли из-за неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, связанной с трением о воздух. В космосе эта неустойчивость исчезает, поэтому необходимо исследовать другие возможные механизмы неустойчивости и причины фрагментации жидкости. Мы выяснили, какие еще неустойчивости могут проявиться в жидкой пленке в условиях, когда нет окружающего воздуха, но течение существенно неизотермическое из-за излучения тепла с поверхности пленки», — рассказал профессор Александр Осипцов, один из авторов работы, заведующий лабораторий механики многофазных сред НИИ механики МГУ.

С помощью классических подходов теории гидродинамической устойчивости исследователи описали математически поведение пленки вакуумного масла в открытом космосе. Оказалось, что в отсутствие главного механизма неустойчивости (Кельвина-Гельмгольца) начинают проявляться неустойчивости, связанные с возникающими в пленке градиентами вязкости и поверхностного натяжения. С поверхности пленки излучается тепло, из-за этого возникает неоднородность температуры как вдоль поверхности пленки, так и внутри неё. Эта неоднородность, в свою очередь, приводит к неоднородности вязкости и поверхностного натяжения, что и является причиной появления новых механизмов неустойчивости.

Исследователи математически описали возникновение неустойчивостей в потоке жидкости, изучили, каким образом коротковолновые и длинноволновые возмущения развиваются со временем, определили наиболее «опасные» типы возмущений. В дальнейшей работе учёные планируют продолжить развитие теоретической модели и описать более сложные процессы, которые могут возникать в системе.

«Мы пока исследовали самый начальный этап — малые возмущения — нашли условия, при которых они растут или не растут, определили критерии неустойчивости. В дальнейшем нужно решать более сложные задачи: как развиваются возмущения на нелинейной стадии, за какое время в пленке возникают неоднородности толщины и «дырки», как быстро пленка может распадаться на капли, а главное — необходимо научиться управлять процессом и стабилизировать устойчивый режим течения», — добавил Александр Осипцов.