基于超导磁悬浮技术的液氧长期地面微重力环境模拟系统研究

为解决航天应用中液氧等低温推进剂在微重力环境下的行为研究难题，上海交通大学肖明堃团队开发了一种基于超导磁悬浮技术的微重力模拟系统。通过优化线圈配置实现轴向/径向磁力非均匀度<1%，在?100×112 mm空间内实现0.033 g0的微重力水平，为低温流体动力学研究提供了突破性的地面实验平台。

　　

在深空探测任务中，液氧(LOX)等低温推进剂的在轨存储与管理是关键技术瓶颈。微重力环境下，低温流体的沸腾、传热和相变行为与地面环境存在显著差异，但现有微重力实验手段如落塔(2-5秒)和抛物线飞行(20-30秒)存在持续时间短、成本高昂等问题。更棘手的是，传统磁补偿装置受限于磁场非均匀性，仅能实现毫米级实验空间(如CEA团队3×3×3 mm立方体)，难以模拟真实航天器储箱中的流体行为。

针对这一挑战，上海交通大学制冷与低温研究所肖明堃(明堃堃)团队在《Device》发表研究，通过超导磁悬浮技术构建了全球首个适用于液氧的大容积(0.88 L)长期微重力模拟系统。该系统采用内外线圈组合设计，内线圈组(5个螺线管)产生均匀场，外线圈组(4个螺线管)提供梯度场，通过遗传算法优化使轴向/径向磁力非均匀度分别控制在1%和0.95%以内。创新性设计的潜望镜式可视化结构可实现6.13倍放大观察，而振动隔离设计将冷头传递振动降低80%。

关键技术包括：(1)基于NbTi超导线圈的磁场设计，在?100×112 mm区域实现G_z=4.07 T²/m的均匀梯度场；(2)空间定位模块实现±0.25 mm精度的样品定位；(3)黄铜加热台结合钛合金电极实现低温密封；(4)单气泡动力学参数评估法，通过气泡脱离时刻的加速度a、半轴长b等参数计算等效重力(公式：g_eq=(a-b)σ/[5a²b(ρ_l-ρ_g)]-(d²R_b/dt²))。

磁场设计验证
通过遗传算法设计的环形线圈组(内径435.5 mm)在三个嵌套区域实现梯度场控制：最小区域(?32×44 mm)磁力非均匀度仅0.1%，最大区域(?100×112 mm)仍保持1%的轴向均匀性。磁场分布显示，G_z在z=32 mm处形成稳定平台，而径向分量G_r随半径增大至0.0385 T²/m。

系统集成创新

干式超导磁体采用两台G-M制冷机(1.8 W@4.2 K)冷却，避免液氦消耗。液氧测试腔(30×30 mm观察窗)通过铜导热片与液氮罐柔性连接，温度波动控制在0.1 K内。独特的钛合金电极封装技术解决了强磁场下低温穿透难题。

微重力水平验证

在90 A电流下，液氧气泡呈现沿磁力线方向的椭圆变形(长轴2b=1.88 mm)，计算获得0.033 g₀的等效重力，对应邦德数Bo=0.09。对比零磁场条件(g=0.94 g₀)的6%误差验证了评估方法的可靠性。

这项研究突破了传统磁补偿装置的空间限制，为低温流体微重力研究提供了革命性工具。未来通过线圈重构，该系统可扩展至液氢(LH₂)等更低磁化率流体的研究。成果将直接支撑航天器推进剂管理、空间低温存储等关键技术开发，如文中演示的液氧池沸腾实验(Video S1-S4)为发动机再点火冷却过程提供了地面模拟手段。研究团队特别指出，当前系统未考虑磁表面牵引力的完整麦克斯韦应力张量，这将是下一代设备优化的重点方向。