H．Hamacher,B．Fitton,J．Kingdon 1
1.1 导言 1
目录 1
第1章 地球轨道飞行系统的环境 1
1.2.2.2 航天器中的实际重力环境 2
1.2.2.1 圆轨道上的航天器 2
1.2 低重力模拟 2
1.2.1 失重模拟 2
1.2.2 轨道飞行 2
1.2.2.3 例证研究：轨道器／空间实验室系统的微重力环境 11
1.2.3.1 探空火箭 15
1.2.3 其它自由落体方法 15
1.2.3.3 落管和落塔 16
1.2.3.2 试验飞机 16
1.3.1 引言 17
1.3 大气状态，辐射和高能粒子 17
1.3.2 辐射环境 20
1.3.3 大气环境 23
1.3.4 高能粒子环境 30
1.5 参考文献 40
1.4 结论 40
10.2.2.2 重力引起的不完整性 （2 49
2.1 引言 49
第一部分 流体科学 49
流体物理 49
第2章 流体静力学和毛细现象 49
1．Martinez,J．M．Haynes,D．Langbein 49
2.2.2 界面的宏观和微观观点 50
2.2 基础物理 50
2.2.1 重力的影响 50
2.2.3 Gibbs模型的热力学 51
2.2.4 毛细平衡 52
2.2.5 毛细稳定性 55
2.2.6 旋转稳定性 57
2.2.7 临界润湿 59
2.3.1 静平衡及稳定性 60
2.2.8 荷电界面 60
2.3 微重力实验的一些结果 60
2.3.2 旋转和振荡 61
2.3.3 临界润湿 62
2.3.4 荷电界面 64
2.4.1 当前的课题 65
2.4 今后的展望 65
2.4.2 将来的研究课题 66
2.4.3 总评 68
2.5 参考文献 69
3.1 引言 72
第3章 流体动力学 72
J．C．Legros,A．Sanfeld,M．G．Velarde 72
3.3.1 理想流体 73
3.2 惯性力，内力和外力 73
3.3 动量方程 73
3.3.2 动量方程 74
3.3.5.1 流体静力学压力分布 75
3.3.3 Navier-Stokes方程 75
3.3.4 不同流动项的物理意义 75
3.3.5 重力的影响 75
3.3.5.2 力学稳定性 76
3.3.5.5 理想流体中的重力波 77
3.3.5.3 流函数 77
3.3.5.4 表面形状 77
3.3.5.6 理想流体的特殊情形 78
3.3.5.7 重力对粘性流体的影响 79
3.4 相似定律 81
3.5.2 Laplace定律 83
3.5 表面力和流体动力学不稳定性 83
3.5.1 传热 83
3.5.3 重力对液膜形状的影响 84
3.5.4 毛细波 85
3.5.5 毛细重力波 86
3.5.6 Rayleigh-Bénard不稳定性 87
3.5.7 二组元Rayleigh-Bénard对流 89
3.5.8 定常胞Marangoni-Bénard对流（热毛细流） 90
3.5.9 有界面变形的振荡Marangoni-Bénard对流 91
3.5.10.2 不溶混的无粘性均匀流体 92
3.5.10 纯流体的Rayleigh-Taylor不稳定性 92
3.5.10.1 无粘性流体 92
3.5.10.5 均匀旋转 93
3.5.10.3 密度为指数变化的无粘性流体 93
3.5.10.4 被水平边界分开的两种均匀粘性流体 93
3.5.11.1 作相对运动的两种无粘性均匀流体 94
3.5.11 Kelvin-Helmholtz不稳定性 94
3.5.11.3 密度和速度连续分布的不可压缩流体 95
3.5.11.2 速度连续变化的过渡层 95
3.5.12.1 基本方程 96
3.5.12 机械-扩散不稳定性 96
3.5.12.3 球形界面的稳定性准则 97
3.5.12.2 平面界面的稳定性准则 100
3.5.13.1 等温表面反应 100
3.5.13 机械-化学反应 100
3.5.13.2 在等温层中的反应 101
3.6 在微重力条件下流体动力学实验的某些结果 102
3.7 结论 105
3.8 附录：一些无量纲参数及其与空间流体动力学的关联 106
3.9 参考文献 110
4.1 引言 114
物理化学 114
第4章 物理化学——综述和实验举例 114
J．Richter,H．Behret 114
4.2 当前微重力研究计划 115
4.2.1 热力学和输运特性 116
4.2.3 润湿和吸附现象，成核和老化 117
4.2.2 相变和近临界点现象 117
4.2.4 燃烧和化学反应 118
4.3.1 驰豫现象 119
4.3 其它前景 119
4.3.2 应用电化学和实验技术 122
4.4 结论和展望 126
4.5 参考文献 127
5.1 引言 129
第5章 扩散引起的质量输运 129
Y．Malméjac,G．Frohberg 129
5.2.1.1 非均匀扩散（Heterodiffusion） 130
5.2 微重力 130
5.2.1 优点 130
5.2.1.2 自扩散 131
5.2.1.3 热输运 133
5.2.1.4 电输运 134
5.2.2 问题 135
5.2.2.2 Marangoni对流 136
5.2.2.1 宏观对流和微观对流 136
5.2.2.4 分凝的影响 137
5.2.2.3 自由体积……………………………………………………………………（137) 137
5.2.2.6 时间-温度边界条件 138
5.2.2.5 壁效应………………………………………………………………………（138) 138
5.2.2.7 几何边界条件 139
5.3.1 实验技术 140
5.3 实验结果 140
5.3.3 主要结果 141
5.3.2 分析方法 141
5.4 前景展望 149
5.3.4 扩散数据 149
5.5 参考文献 150
6.2.1 液-汽界面 154
第6章 润湿和吸附现象 154
G．H．Findenegg,M．M．Telo da Gama 154
6.1 引言 154
6.2 界面重力效应 154
6.2.2 润湿和接触角 156
6.2.3 润湿转变 157
6.2.4 临界吸附 160
6.3.1 朗道理论 161
6.3 理论基础 161
6.3.1.2 润湿和润湿转变 162
6.3.1.1 两共存相之间的界面 162
6.3.1.4 临界端点行为 164
6.3.1.3 标度 164
6.3.2.1 具有长程相互作用系统的平均场理论 165
6.3.2 其它理论 165
6.3.2.2 超平均场理论 166
6.4 实验情况 168
6.4.1 润湿层厚度 169
6.4.2 临界吸附 170
6.5 展望 171
6.6 参考文献 173
7.1 引言 177
第7章 相变和近临界现象 177
D．Beysens,J．Straub,D．J．Turner 177
7.2.1 相变热力学 178
7.2 基础知识 178
7.2.2 经典描述；平均场理论 180
7.2.3 标度律 181
7.2.4 涨落和相关 183
7.2.5 重整化群法 184
7.2.6 输运性质 185
7.2.7 趋近平衡态的过程 186
7.2.8 相分离过程，成核和拐点（Spinodal）分解 187
7.2.9.1 两相区内的润湿 188
7.2.9 吸附和润湿 188
7.2.11 电解质溶液 189
7.2.9.2 单相区内的预润湿 189
7.2.9.3 临界点附近的临界吸附 189
7.2.10 氦的λ-点 189
7.3.1 压缩率的影响 190
7.3 为什么要用微重力条件 190
7.3.3 相分离过程 191
7.3.2 等容热膨胀系数的影响 191
7.3.5 界面稳定性和界面波 192
7.3.4 润湿层 192
7.4.1 液-汽相变中的比热 193
7.4 实验研究状况 193
7.4.2.1 近临界SF6的相分离和相混合 194
7.4.2 相分离过程 194
7.4.2.4 环己烷-甲醇及其氘代衍生物的临界与近临界混合物的相分离 195
7.4.2.2 微重力环境下近临界点的密度分布 195
7.4.2.3 异丁酸与水的临界混合物的相分离 195
7.4.2.5 水聚合物的混合物在搅动后的相分离 196
7.5.1 热力学平衡性质 198
7.4.3 盐水溶液 198
7.5 展望 198
7.6 参考文献 199
7.5.2 趋向平衡（纯流体） 199
7.5.3 输运性质 199
7.5.4 相分离过程 199
7.5.5 界面现象 199
7.5.6 电解溶液 199
8.1 现象的描述和定义 204
第8章 化学体系呈现的图案 204
A．Bewersdorff,P．Borkmans,S．C．Müller 204
8.2.1 化学不稳定性 205
8.2 理论概念 205
8.2.2 反应-扩散系统 206
8.3 实验证据 210
8.2.3 附加的流体流和重力 210
8.3.1 化学波 211
8.3.2 沉淀图案 214
8.3.3.1 流体动力系的流动 215
8.3.3 对流的影响 215
8.3.3.2 界面不稳定性 217
8.4 应用 218
8.4.1 无生命的自然界 219
8.4.2.3 节律 221
8.4.2 生物学 221
8.4.2.1 两极分化和器官形成 221
8.4.2.2 膜功能的控制 221
8.4.2.4 运动 222
8.5 微重力实验的途径 223
8.4.3 互关联 223
8.6 参考文献 224
9.1 引言 230
第9章 燃烧 230
J．J．Dordain,F．C．Lockwood 230
9.2.2 燃烧流动中的时间尺度 231
9.2 基本考虑 231
9.2.1 燃烧过程 231
9.2.3 燃烧流场的特征 232
9.3.1 对燃烧现象的认识现状 233
9.3 实验的局限性及其解决 233
9.3.2.2 减小密度差 234
9.3.2 减小自然对流的方法 234
9.3.2.1 小型化 234
9.4.1 一般兴趣 235
9.3.2.3 减小重力 235
9.4 微重力的应用 235
9.4.2 微重力条件下的液滴燃烧 236
9.4.3 沿固体表面的火焰扩展 237
9.5 结论性说明 238
9.6 参考文献 240
10.2.1 常用的晶体生长技术 245
第二部分 材料科学 245
晶体生长 245
第10章 晶体的熔体生长 245
D．T．J．Hule,G．Müller,R．Nitsche 245
10.1 引言 245
10.2 地面工艺及其与重力相关的局限性 245
10.2.2.1 引言 248
10.2.2 化学的和结构的不完整性 248
10.2.2.3 非重力引入的缺陷 252
10.3.2 浮力驱动的对流 256
10.3.2.1 稳态浮力驱动的对流 256
10.3 基本概念 256
10.3.1 引言 256
10.3.2.2 向新的流动过渡 257
10.3.3.1 引言 258
10.3.3 Marangoni对流 258
10.3.2.3 随时间而变化的对流 258
10.3.2.4 磁场效应 258
10.3.4.1 溶质条纹的产生 259
10.3.4 晶体／熔体界面的扰动 259
10.3.3.2 无坩埚区熔中的对流 259
10.3.3.3 在微重力下Marangoni-浮力对流的不稳定性 259
10.4.1.1 浮力驱动对流的消失 260
10.4.1 微重力的特性 260
10.3.4.2 晶体形态的不稳定性-对流的不稳定性 260
10.4 微重力的潜力 260
10.4.2.1 基本研究：验证理论模型 261
10.4.2 一个新的研究环境：感兴趣的领域 261
10.4.1.2 流体静压力的消失 261
10.4.2.4 与空间相关的生长技术的发展 262
10.4.2.3 重力掩蔽效应的研究 262
10.4.2.2 材料参量的准确测定 262
10.5.1 引言 264
10.5 空间实验结果 264
10.4.2.5 研究样品的制备 264
10.5.2 降低结构缺陷数量 265
10.5.3 宏观化学均匀性 266
10.5.2.3 单晶度的改善 266
10.5.2.1 降低位错密度 266
10.5.2.2 减少孪晶和晶界的数目 266
10.5.4 微观化学均匀性 267
10.5.5.2 通过表面敷层抑制条纹 268
10.5.5.1 浮区硅中的条纹 268
10.5.5 时间相关的Marangoni对流引起的溶质分凝 268
10.5.5.4 无器壁凝固的InSb中的条纹 269
10.5.5.3 锗的区熔生长 269
10.5.6 无容器结晶试验 270
10.5.6.2 浮区结晶 271
10.5.6.1 加籽晶的液滴凝固 271
10.6.2.2 基础研究课题 272
10.6.2.1 材料 272
10.6 展望 272
10.6.1 引言 272
10.6.2 将来的科学活动 272
10.6.4.2 晶体生长实验的自动化 273
10.6.4.1 简述 273
10.6.2.3 发展新的生长技术 273
10.6.2.4 用于地面研究和技术的样品生长 273
10.6.3 研究政策 273
10.6.4 设备 273
10.7 参考文献 274
11.1 引言 279
E．Kaldis,R．Cadoret,E．Sch？nherr 279
第11章 晶体的汽相生长 279
11.2.1.1 过饱和 281
11.2.1 成核和生长动力学 281
11.2 汽相中的物理输运（PVT）——理论基础 281
11.2.1.2 连续生长与薄膜淀积 282
11.2.1.3 横向生长 284
11.2.2 质量输运 287
11.2.2.1 圆柱形安瓿中的扩散输运——平流 288
11.2.2.2 圆柱形安瓿中的自由对流 291
11.2.2.3 表面动力学与输运的互作用 294
11.3.1.2 在密闭安瓿中杂质的分压 299
11.3.1.1 引言 299
11.3 实验研究 299
11.3.1 质量输运 299
11.3.2.1 生长速率 301
11.3.2 地面的汽相生长研究：典型物质α-HgI2 301
11.3.2.2 生长速率和晶形与取向的关系 309
11.3.3 在空间完成的汽相生长实验 312
11.4 微重力条件下未来可做的实验 317
11.5 结论和建议 318
11.6 参考文献 319
12.1 引言 321
A．Authier,K．W．Bena,M．C．Robert,F．Wallrafen 321
第12章 溶液晶体生长 321
12.2.1.1 固-液界面 322
12.2.1 引言 322
12.2 基础知识——溶液生长中的对流现象 322
12.2.1.2 流体动力学 323
12.2.1.3 输运现象 324
12.3.1.1 实验设备 328
12.3.1 非金属溶液（助溶剂法）晶体生长 328
12.3 高温溶液生长 328
12.3.1.2 品质鉴定 330
12.3.1.3 结论 333
12.3.2.1 基本概念 334
12.3.2 金属溶液中的电子材料生长 334
12.3.2.2 二元系Ⅲ-Ⅴ族半导体的空间THM法晶体生长 335
12.4.1 引言 338
12.4 低温溶液生长 338
12.3.2.3 空间二元系和三元系Ⅱ-Ⅵ族化合物晶体生长 338
12.3.2.4 结论 338
12.4.2.2 空间实验 339
12.4.2.1 基本问题 339
12.4.2 低溶解度材料 339
12.4.2.3 讨论 342
12.4.3.1 基本问题 343
12.4.3 高溶解度材料 343
12.4.3.2 空间实验 345
12.4.3.3 讨论 347
12.5.1 过去的结果 348
12.5 结论 348
12.4.4 结论 348
12.5.3 晶体材料及生长方法的选择 349
12.5.2 空间实验范围的划定 349
12.5.4.2 中期和长期目标 350
12.5.4.1 短期目标 350
12.5.4 前景 350
12.6 参考文献 351
13.1 引言 358
J．Drenth,J．R．Helliwell,W．Littke 358
第13章 生物材料的晶体生长 358
13.2.1 为什么我们要了解生物结构 359
13.2 为什么生物材料的结晶是重要的 359
13.2.3 迄今用结构分析获得的成果及可能的应用 360
13.2.2 X射线衍射和结晶 360
13.3 蛋白质晶体学应用的工具 361
13.2.4 小结 361
13.3.2 探测器 362
13.3.1 同步辐射 362
13.3.4 计算机 363
13.3.3 中子源 363
13.4.1.3 蛋白质结晶实验中各种困素的小结 364
13.4.1.2 排斥力和吸引力 364
13.3.5 小结 364
13.4 地面上的蛋白质结晶 364
13.4.1 原理 364
13.4.1.1 蛋白质溶解度的降低 364
13.5.1 欧洲在微重力条件下进行的蛋白质单晶生长实验 365
13.5 微重力 365
13.4.2 实际的考虑 365
13.5.2.3 硬件设计的细节 371
13.5.2.2 用于空间实验的蛋白质结晶技术 371
13.5.2 NASA进行的微重力下单晶体生长实验 371
13.5.2.1 概述空间对蛋白质晶体生长的优越性 371
13.5.2.5 小结 372
13.5.2.4 结果 372
13.6 晶体质量的评定 373
13.7 建议 374
13.8 参考文献 375
14.2 过冷熔体与成核 378
14.1 引言 378
金属，复合材料和玻璃 378
第14章 金属及合金 378
J．J．Favier,J．D．Hunt,P．R．Sahm 378
14.2.2 基本情况 379
14.2.1 概述 379
14.2.3 与应用的联系 382
14.3.1 界面条件 384
14.3 凝固理论 384
14.3.4 孤立的枝晶 385
14.3.3 形状稳定性 385
14.3.2 热和溶质的输运 385
14.3.5 阵列生长（胞状和枝状的） 386
14.3.5.1 胞状晶生长 387
14.3.5.2 枝晶阵列 388
14.3.6.1 规则结构 389
14.3.6 共晶生长 389
14.3.7 粗化 390
14.3.6.2 不规则共晶体 390
14.4.1 在溶质边界层外边存在对流的驱动力时的凝固过程 391
14.4 金属和合金凝固时的对流效应 391
14.3.8 晶粒推斥或吞并 391
14.4.1.3 共晶凝固 392
14.4.1.2 低浓度合金中的胞状晶生长 392
14.4.1.1 整体中的热对流 392
14.4.1.4 凝固期间的Marangoni对流 393
14.4.2.1 高浓度合金的平面前沿凝固和胞状生长 394
14.4.2 在溶质边界层内存在对流驱动力时的凝固过程 394
14.4.2.2 枝晶凝固 396
14.5.2.1 宏观偏析和形态稳定性 399
14.5.2 定向凝固 399
14.5 空间凝固实验的主要结果 399
14.5.1 铸造 399
14.5.2.2 枝晶生长 400
14.6.1.1 超导性 402
14.6.1 材料性能的改善 402
14.6 应用方面的研究 402
14.6.1.3 机械强化 404
14.6.1.2 磁性 404
14.6.2.1 弥散 405
14.6.2 未来应用研究的方向 405
14.7.2 Mephisto计划 406
14.7.1 “GEtS”实验 406
14.7 凝固过程的定量研究 406
14.9 参考文献 407
14.8 结论 407
15.1 引言 411
B．Predel,L．Ratke,H．Fredriksson 411
第15章 难混溶的液态合金系 411
15.2.1.1 基本问题 412
15.2.1 热力学 412
15.2 基本原理 412
15.2.1.2 经验关系及可能性评估 414
15.2.2.1 原子半径差的影响 417
15.2.2 原子理论 417
15.2.2.2 关于原子半径差影响的模型的应用 418
15.2.2.3 具有负△H值的系统中的不混溶区 421
15.2.3 各类不混溶区的相图 423
15.2.4 三元系 425
15.3 相分离动力学 426
15.3.1 成核 427
15.3.2 生长 429
15.3.3 碰撞、聚集和凝结 433
15.4.1 成核过程的研究 435
15.4 难混溶系实验 435
15.4.2 生长过程的研究 436
15.5.1 科学前景 447
15.5 未来展望 447
15.4.3 聚集和凝结 447
15.6 参考文献 449
15.5.2 应用材料 449
16.1.1 定义 454
16.1 引言 454
第16章 复合材料 454
H．J．Sprenger,J．P？tschke,C．Potard,V．Rogge 454
16.1.3 应用 455
16.1.2 微重力对研究复合材料的适用性 455
16.2.1.1 对流对定向凝固共晶合金显微组织的影响 456
16.2.1 共晶 456
16.2 原位复合材料 456
16.2.1.2 微重力实验结果 458
16.2.1.3 结论 461
16.2.3 偏晶 462
16.2.2.2 结论 462
16.2.2 包晶凝固 462
16.2.2.1 实验结果 462
16.2.3.1 实验结果 463
16.3.1 颗粒和纤维复合材料 465
16.3 人工复合材料 465
16.2.3.2 结论 465
16.3.1.1 颗粒弥散物的稳定性 466
16.3.1.2 实验结果 467
16.3.1.3 结论 469
16.3.2 可控密度材料 470
16.3.2.2 实验结果 471
16.3.2.1 泡沫产生的原理 471
16.3.2.3 结论 472
16.4.2.2 人工复合材料 473
16.4.2.1 原位复合材料 473
16.4 讨论和建议 473
16.4.1 总论 473
16.4.2 基础研究课题 473
16.4.3 微重力实验的实践方面 474
16.6 参考文献 475
16.5 结论和展望 475
17.1 导论 480
J．Zarzychi,G．H．Frischat,D．M．Herlach 480
第17章 玻璃 480
17.2.2 成核 481
17.2.1 引言 481
17.2 玻璃形成过程 481
17.2.4 温度-时间转变图 483
17.2.3 晶体生长 483
17.3.1 非金属体系 485
17.3 玻璃形成体系 485
17.3.3.1 成核过程研究和金属玻璃的形成 486
17.3.3 微重力方面 486
17.3.2 金属系统 486
17.3.3.2 非金属玻璃的制备 487
17.4.1 需要的设备 488
17.4 实验装置 488
17.4.2.2 浮置系统 489
17.4.2.1 常规系统 489
17.4.2 可用的装置 489
17.5.1.1 地面上的成核研究 496
17.5.1 金属系统 496
17.5 最新成就的评估 496
17.5.2 非金属系统 498
17.5.1.2 微重力实验 498
17.5.2.2 飞行实验 499
17.5.2.1 地面研究 499
17.6 结论和建议 506
17.7 参考文献 508
微重力限度分析和应用前景 513
第18章 剩余加速度对流体物理和材料科学实验的影响 513
R．Monti,D．Langbein,J．J．Favier 513
18.1 引言 513
18.2 关于g容限的一般考虑 515
18.2.1 可容许g水平的定义 516
18.2.2 g容限分析的目标 517
18.2.3 相关方程组 517
18.2.4 量级分析法（OMA） 520
18.2.5 量级分析法在g水平容限问题上的应用 521
18.3 流体科学中过去工作的评述 522
18.3.1 热流体动力现象和淀积现象 522
18.3.2 液体样品对g水平扰动的响应 523
18.4 具体问题分析 525
18.4.1 从熔态生长晶体 526
18.4.1.1 问题的描述 527
18.4.1.2 流体动力学模型：稳态条件 527
18.4.1.3 分凝行为 528
18.4.1.4 非稳态条件下的TFD模型：g抖动 531
18.4.1.5 g抖动引起的分凝行为 533
18.4.2 溶液晶体生长 535
18.4.2.1 低Peclet数条件下的晶体生长 535
18.4.2.2 重力场中晶体生长的各向异性 536
18.4.2.3 溶质不稳定性 536
18.4.3.1 稳定和断裂 537
18.4.3.2 共振频率 537
18.4.3 液柱的振荡 537
18.4.3.3 可容许g水平共振模减小 539
18.4.4 扩散和热扩散实验 540
18.4.4.1 问题的描述 540
18.4.4.2 自扩散和互扩散 541
18.4.4.3 热扩散 542
18.5 结论和建议 544
18.6 参考文献 545
H．U．Walter,C．Belouet,Y．Malméjac 549
19.1 引言 549
第19章 微重力的工业前景 549
19.2 目前状况 550
19.2.1 美国 550
19.2.2 苏联 553
19.2.3 日本 555
19.2.4 欧洲 556
19.2.4.1 联邦德国 558
19.2.4.2 法国 559
19.3 空间材料制备的潜力 560
19.3.1 引言 560
19.2.4.3 其它欧洲国家 560
19.3.2 经济考虑 561
19.3.3 玻璃 562
19.3.4 熔体晶体生长 562
19.3.5 汽相晶体生长 563
19.3.6 无机材料的溶液晶体生长 563
19.3.7 蛋白质单晶生长 564
19.3.8 适于微重力的工艺 564
19.4 讨论 565
19.5 有关欧洲政策的建议 566
19.6 参考文献 588