Ett forskargrupp från Research Institute of Mechanics, MSU tillsammans med en kollega från Center of New Space Technologies, MAI beskrev beteendet hos ett flytande ark som förökar sig i öppet utrymme. Resultaten av studien publicerades i Vätskans fysik tidning.

Under standardförhållanden, stabiliteten hos flytande ark beror i allmänhet på deras interaktion med luften. Den dominerande effekten (den så kallade Kelvin-Helmholtz-instabiliteten) manifesteras på grund av vätske-luft-friktionen. Skillnaden i gasens och vätskans hastigheter resulterar i att krusningar börjar, vågor, och bildandet av droppar nära vätskeytan. Vindgenererade vågor på vattenytan är bland de mest kända exemplen på denna instabilitet. Författarna till artikeln studerade beteendet hos ett flytande ark i vakuum, när ingen interaktion med miljön sker. I studien, författarna ansåg den så kallade vakuumoljan, dvs en vätska vars viskositet, värmeledningsförmåga, och ytspänningskoefficienter varierar väsentligt med temperaturen. Sådana vätskor används i oljeånga-pumpar, bland annat.

Att studera vätskearkets beteende i öppet utrymme är relevant för utvecklingen av nya rymdskepps kyltekniker. I framtiden, så kallade droplet kylradiatorer kan användas för att styra den termiska regimen för rymdfarkoster med lång uppdrag. I dessa enheter, vätskan i kylsystemet fragmenteras av speciella finfördelare och förvandlas till ett lager av vätskedroppar som rör sig i det öppna utrymmet. Eftersom droppskiktet har en stor strålande yta, värmen frigörs mer effektivt och vätskan kyls mer intensivt. På samma gång, uppstår ett allvarligt problem, eftersom dessa droppar måste samlas upp, flytande, och återvände ombord på rymdfarkosten. En av möjliga lösningar på detta problem är att samla de kylda dropparna på ett särskilt organiserat vätskeformigt ark. Huvudfrågan för papperet är att studera den hydrodynamiska stabiliteten hos ett sådant ark under öppna förhållanden.

"Flytande filmer och ark tenderar att brytas i droppar på grund av Kelvin-Helmholtz instabilitet, associerad med friktion mellan luft och vätska. Dock, denna funktionsnedsättning elimineras i det öppna rummet; följaktligen, vi måste studera andra möjliga mekanismer för instabilitet och orsaker till vätskefragmentering. Vi bestämde vilka andra typer av instabilitet som kan uppstå i flytande ark när de förökar sig i vakuum, men deras flöde är avsevärt icke-isotermiskt på grund av värmestrålning från arkytan, "förklarade professor Alexander Osiptsov, en medförfattare till verket och chef för Laboratory for Mechanics of Multiphase Media, Research Institute of Mechanics, MSU.

Med hjälp av de klassiska metoderna för hydrodynamisk stabilitetsteori, forskarna gav en matematisk förklaring av beteendet som uppvisas av ett vakuumoljeark i det öppna rummet. Det visade sig att i avsaknad av den huvudsakliga (Kelvin-Helmholtz) instabilitetsmekanismen, andra instabiliteter kan utvecklas, nämligen de som är förknippade med viskositets- och ytspänningsgradienter. På grund av värmestrålningen från arkytan, temperaturskillnader uppstår både längs arkets yta och inuti det. I tur och ordning, dessa temperaturgradienter orsakar ojämnheter i viskositeten och ytspänningen och uppkomsten av nya instabilitetsmekanismer.

Forskarna beskrev förekomsten av instabilitet i ett vätskeflöde ur matematisk synvinkel, studerat utvecklingen av kort- och långvågsstörningar med tiden, och bestämde den farligaste av dem. I framtida arbete, forskarna planerar att fortsätta utvecklingen av den teoretiska modellen och att beskriva mer komplicerade processer som kan uppstå i systemet.

"Vid det här laget, vi har bara studerat det inledande skedet, dvs. beteendet hos små störningar. Vi har bestämt förutsättningarna när störningarna dämpas eller växer och har fastställt instabilitetskriterierna. I framtiden, vi måste hantera mer komplicerade problem:att studera utvecklingen av störningar i det olinjära stadiet, att uppskatta tidsintervallen över vilka områden med ojämn tjocklek på arket eller till och med hål i det, och för att hitta hastigheten för arkets fragmentering till droppar. Och det är viktigast, vi måste lära oss att styra processen och stabilisera arkflödesregimen i öppet utrymme, sa Osiptsov.