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太空有多冷?中國空間站如何保持“四季如春”?
來源:融媒體采編平臺    作者:羅思田<Luo Sitian>   日期: 2022-10-28
導讀:中國空間站位于距離地面約400km的太空環(huán)境中,由于沒有大氣層的保護,在太陽光線直射下,空間站表面溫度最高可達150℃以上,在背陽面,溫度最低可達-100℃以下。在這種“冰火兩重天”的太空環(huán)境中,為保證航天員能有一個適宜工作和生活的空間站環(huán)境,就需要熱控系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度的控制。

眼看天氣越來越冷,地球上的我們已經(jīng)開始添衣保暖,太空中的空間站是否也為航天員們備好了暖氣呢?


中國空間站位于距離地面約400公里的太空環(huán)境中,由于沒有大氣層的保護,在太陽光線直射下,空間站表面溫度最高可達150℃以上,在背陽面,溫度最低可達-100℃以下。在這種“冰火兩重天”的太空環(huán)境中,為保證航天員能有一個適宜工作和生活的空間站環(huán)境,就需要熱控系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度的控制。


熱控系統(tǒng)是保障空間站設(shè)備正常運行,以及航天員太空生活冷暖舒適的重要系統(tǒng)。熱控系統(tǒng)就像我們地面上的空調(diào)系統(tǒng),通過合理組織航天器內(nèi)部和外部的熱交換過程,使空間站各部位的溫度始終處于任務(wù)所要求的范圍內(nèi),為空間站設(shè)備正常工作和航天員的生活提供良好的溫度環(huán)境。

9月17日 神舟十四號航天員乘組實施第二次出艙活動 圖源:央視網(wǎng)


不同于以往的載人航天任務(wù),空間站時期的各個航天器需要長期在軌飛行,航天員也要實現(xiàn)常態(tài)化長周期在軌駐留,因此對溫度控制提出了更高的要求。面對中國空間站任務(wù)特點和需求,熱控團隊開展大量技術(shù)攻關(guān),進行了多項技術(shù)創(chuàng)新來打造舒適的“太空之家”。


For taikonauts, staying cool and comfortable on China's Tiangong space station is no problem.


The station orbits Earth in about 90 minutes at an altitude of 400 km. It experiences large fluctuations in temperature, ranging from 150 degrees Celsius when the station is exposed to the sun to minus 100 degrees Celsius when over the night side of the planet. So how to protect station residents from extreme heat and cold during their six-month stay in orbit? The answer lies in several thermal control designs courtesy of the China Academy of Space Technology.


打造“中央空調(diào)”


空間站的熱控系統(tǒng)中的“中央空調(diào)”——流體回路是空間站熱控系統(tǒng)的核心,在天和核心艙和問天實驗艙中,流體回路都遍布在各個角落。流體回路能均勻地包裹住空間站的重要部位,通過特殊液體在管路內(nèi)的往復循環(huán),將艙內(nèi)設(shè)備以及航天員生活產(chǎn)生的熱量收集起來,通過回路帶到相應的設(shè)備和結(jié)構(gòu)中,給過熱的地方散熱,給過冷的地方加熱,實現(xiàn)散熱和補熱功能。同時還能精確控制空間站不同“房間”的溫度,保持溫度的均勻和穩(wěn)定,可謂是量身打造的“中央空調(diào)”。


航天科技集團五院空間站熱控分系統(tǒng)副主任設(shè)計師黃磊介紹稱:這個里邊流動的液體就像人體的血液一樣,它有很多流體回路的管路遍布到空間站的全身。血液流動的動力來自于我們的心臟,那么這個空間站的流體回路里的液體流動的動力就來自于我們循環(huán)泵。

9月17日 航天員劉洋為陳冬、蔡旭哲打開段間艙門,迎接兩名戰(zhàn)友回到問天實驗艙。 圖源:央視網(wǎng)

The fluid loop, with a certain liquid circulating through its pipes, is the key component of the station's thermal control system.


"Just like the blood vessels in the human body, the loop pipes run all over the station modules," said Huang Lei, deputy chief designer of the thermal system. "They maintain a temperature balance by removing heat from the parts that tend to overheat and adding heat to other components that tend to get cold."


問天實驗艙是我國體型最大、承載最重、試驗載荷最多的航天器,艙內(nèi)安裝了很多試驗載荷,而艙外更是布置了各種高熱耗的暴露試驗載荷,熱控的要求更高。研制團隊為問天實驗艙研制了3套液冷系統(tǒng),將各種設(shè)備或試驗載荷產(chǎn)生的熱量收集并輻射到外太空,可支持數(shù)千瓦級以上試驗載荷的散熱。其中一套是專門為艙外試驗載荷進行溫度保障的散熱回路,首次研制了四通閥技術(shù),解決了艙外試驗載荷安裝狀態(tài)對回路系統(tǒng)的影響,在重量上優(yōu)于國際空間站使用的多閥門調(diào)控技術(shù)。


10月12日,在中科院空間應用工程與技術(shù)中心地面主課堂,學生收看“天宮課堂”第三課。新華社記者 羅曉光 攝 圖源:新華網(wǎng)


Hardware in the Wentian lab module, by far the largest and heaviest component of the Chinese space station, also generates a large amount of heat.


Huang's team has developed three sets of liquid cooling systems that can collect and radiate this excess heat to outer space. One of them was specially designed for experiment payloads outside the lab, and it has a lighter weight than that used on the International Space Station, the researcher added.


涂上“太空防曬霜”


除了打造“中央空調(diào)”對空間站進行冷熱調(diào)節(jié)之外,還可以對航天器進行被動的隔熱,熱控涂層就是被動熱控的一種。從神舟十二號起,神舟系列飛船都涂上了一身銀閃閃的新型涂層,這是一款神奇的“太空防曬霜”——低吸收-低發(fā)射型熱控涂層。


在空間站建造階段,神舟飛船面臨長周期大溫差下艙體溫度控制的難關(guān)。空間站組合體飛行時,神舟飛船可能會被其他艙體持續(xù)遮擋,造成飛船長時間處于太陽無法照射下的極低溫度環(huán)境下,最低溫度甚至低于-100℃。而當空間站組合體形成某些構(gòu)型時,飛船的局部區(qū)域又會持續(xù)受到太陽輻照,最高溫度超過100℃,為飛船設(shè)備的正常工作和航天員的生活環(huán)境帶來了嚴峻考驗。

7月25日在北京航天飛行控制中心拍攝的問天實驗艙與空間站組合體交會對接。這是問天實驗艙成功對接于天和核心艙前向端口的模擬圖像。新華社記者 郭中正 攝


針對這一控溫難題,研制團隊設(shè)計并研制出了低吸收-低發(fā)射型熱控涂層。低吸收,顧名思義就是涂層材料自身具有較低的太陽光吸收特性,可有效減弱太陽輻照導致的溫度升高。低發(fā)射,則是指涂層具有較低的紅外發(fā)射率,可有效阻隔飛船內(nèi)部向外部深冷環(huán)境的輻射漏熱,避免艙內(nèi)溫度的不斷降低。熱控涂層就像一層“防曬霜”,有效保障飛船在長期的極端高低溫環(huán)境下的運行,讓艙內(nèi)處于適宜的溫度范圍。


Apart from internal equipment, the academy scientists have also developed a layer of silver-colored metallic-based coating for the crewed spacecraft to keep a balance between the deep freeze of space and the sun's blazing heat.


The new coating does a double-duty job: providing low solar absorption to help reduce the sun's effect on the spacecraft's interior temperature; and providing low infrared emittance to block heat release from internal sources.


The thermal-control coating kept the cabin environment within acceptable temperature ranges (between 18 and 26 degrees Celsius), allowing the taikonauts to stay comfortable in their orbiting home.


穿上隔熱“外衣”


被動熱控的另一種,就是給航天器穿上隔熱“外衣”。以天舟四號為例,天舟四號運行在距地面約400公里的軌道上,圍繞地球一圈的時間約90分鐘,時而處于地球的陰影中,時而暴露在太陽的直射下,每天需要經(jīng)歷14次這樣的“冰火兩重天”。因此,研制人員給它穿上特殊制作的隔熱材料,來抵御惡劣的環(huán)境,維持內(nèi)部舒適的溫度。


航天器“外衣”面料的選擇大有講究,都是根據(jù)科學原理精心設(shè)計的,不同特點的面料適應了航天器的不同需要。天舟四號的貨物艙和推進艙的“外衣”,就分別被設(shè)計為灰色和白色兩種不同的顏色。貨物艙需要提供適宜航天員生活的溫度,相對較高,因此就給它穿上灰色“外衣”,能夠多吸收太陽光熱量。而推進艙中主要是設(shè)備,需要更低的環(huán)境溫度,因此給它穿上白色“外衣”,多反射太陽光熱量。

圖源:“中國載人航天”公眾號 


此外,天舟四號“外衣”的內(nèi)部采用多層隔熱組件的設(shè)計,有著極強的保暖效果。它由高反射率的膜和支撐膜的滌綸網(wǎng)組成,可以重復疊加形成多重結(jié)構(gòu),里面的熱量經(jīng)過反射膜層層反射,很難滲出表面,就能形成很高的熱阻,防止熱量散失。 


Cargo spacecraft adopt another kind of thermal control design — multilayer insulation. It composes of layers of high-reflectivity film and polyester mesh, which can prevent heat loss.


Scientists dressed the Tianzhou-4, carrying supplies for the Shenzhou-14 crewed mission, in a two-color "coat." Its cargo cabin was given gray-colored insulation to absorb more sunlight for a higher temperature for human activities, and its propellant cabin, filled with equipment, was painted with white insulation to reflect the sun's heat to cool off.


通過“空調(diào)”“防曬霜”和“隔熱服”等的協(xié)同工作,研制團隊將中國空間站打造成了一個舒適的“太空家園”,保持“四季如春”。熱控系統(tǒng)仿佛控制空間站冷暖的“大管家”,保證了空間站在惡劣的太空環(huán)境中的舒適,呵護空間站平安地遨游蒼穹。


綜合來源:“中國空間技術(shù)研究院”公眾號  “中國載人航天”公眾號   新華網(wǎng) 北京日報





 
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