空間站如何應(yīng)對(duì)“冰火兩重天”？

今年入夏以來(lái)，我國(guó)多地最高氣溫破歷史極值，經(jīng)歷著幾十年一遇的最強(qiáng)酷暑天。面對(duì)高溫，在地球上的我們可以通過(guò)開空調(diào)解暑，太空中的中國(guó)空間站又是如何保持舒適的溫度的呢？今天我們一起來(lái)揭秘中國(guó)空間站的熱控系統(tǒng)如何讓我們的太空家園“四季如春”。

中國(guó)空間站位于距離地面約400km的太空環(huán)境中，由于沒(méi)有大氣層的保護(hù)，在太陽(yáng)光線直射下，空間站表面溫度最高可達(dá)150℃以上，在背陽(yáng)面，溫度最低可達(dá)-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(gè)適宜工作和生活的空間站環(huán)境，就需要熱控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。熱控系統(tǒng)是保障空間站設(shè)備正常運(yùn)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(guò)合理組織航天器內(nèi)部和外部的熱交換過(guò)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。

不同于以往的載人航天任務(wù)，空間站時(shí)期的各個(gè)航天器需要長(zhǎng)期在軌飛行，航天員也要實(shí)現(xiàn)常態(tài)化長(zhǎng)周期在軌駐留，因此對(duì)溫度控制提出了更高的要求。面對(duì)中國(guó)空間站任務(wù)特點(diǎn)和需求，熱控團(tuán)隊(duì)開展大量技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)打造舒適的“太空之家”。

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(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙中，流體回路都遍布在各個(gè)角落。

流體回路能均勻地包裹住空間站的重要部位，通過(guò)特殊液體在管路內(nèi)的往復(fù)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(lái)，通過(guò)回路帶到相應(yīng)的設(shè)備和結(jié)構(gòu)中，給過(guò)熱的地方散熱，給過(guò)冷的地方加熱，實(shí)現(xiàn)散熱和補(bǔ)熱功能。同時(shí)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)”。

問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙是我國(guó)體型最大、承載最重、試驗(yàn)載荷最多的航天器，艙內(nèi)安裝了很多試驗(yàn)載荷，而艙外更是布置了各種高熱耗的暴露試驗(yàn)載荷，熱控的要求更高。

研制團(tuán)隊(duì)為問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙研制了3套液冷系統(tǒng)，將各種設(shè)備或試驗(yàn)載荷產(chǎn)生的熱量收集并輻射到外太空，可支持?jǐn)?shù)千瓦級(jí)以上試驗(yàn)載荷的散熱。其中一套是專門為艙外試驗(yàn)載荷進(jìn)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(yàn)載荷安裝狀態(tài)對(duì)回路系統(tǒng)的影響，在重量上優(yōu)于國(guó)際空間站使用的多閥門調(diào)控技術(shù)。除了打造“中央空調(diào)”對(duì)空間站進(jìn)行冷熱調(diào)節(jié)之外，還可以對(duì)航天器進(jìn)行被動(dòng)的隔熱，熱控涂層就是被動(dòng)熱控的一種。

從神舟十二號(hào)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(zhǎng)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(shí)，神舟飛船可能會(huì)被其他艙體持續(xù)遮擋，造成飛船長(zhǎng)時(shí)間處于太陽(yáng)無(wú)法照射下的極低溫度環(huán)境下，最低溫度甚至低于-100℃。而當(dāng)空間站組合體形成某些構(gòu)型時(shí)，飛船的局部區(qū)域又會(huì)持續(xù)受到太陽(yáng)輻照，最高溫度超過(guò)100℃，為飛船設(shè)備的正常工作和航天員的生活環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

針對(duì)這一控溫難題，研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(yáng)光吸收特性，可有效減弱太陽(yáng)輻照導(dǎo)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(zhǎng)期的極端高低溫環(huán)境下的運(yùn)行，讓艙內(nèi)處于適宜的溫度范圍。

被動(dòng)熱控的另一種，就是給航天器穿上隔熱“外衣”。以天舟四號(hào)為例，天舟四號(hào)運(yùn)行在距地面約400公里的軌道上，圍繞地球一圈的時(shí)間約90分鐘，時(shí)而處于地球的陰影中，時(shí)而暴露在太陽(yáng)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(lái)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(xué)原理精心設(shè)計(jì)的，不同特點(diǎn)的面料適應(yīng)了航天器的不同需要。

天舟四號(hào)的貨物艙和推進(jìn)艙的“外衣”，就分別被設(shè)計(jì)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(duì)較高，因此就給它穿上灰色“外衣”，能夠多吸收太陽(yáng)光熱量。而推進(jìn)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(yáng)光熱量。此外，天舟四號(hào)“外衣”的內(nèi)部采用多層隔熱組件的設(shè)計(jì)，有著極強(qiáng)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(fù)疊加形成多重結(jié)構(gòu)，里面的熱量經(jīng)過(guò)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。通過(guò)“空調(diào)”“防曬霜”和“隔熱服”等的協(xié)同工作，研制團(tuán)隊(duì)將中國(guó)空間站打造成了一個(gè)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(hù)空間站平安地遨游蒼穹。

拓展閱讀：空間站為什么只飛400公里高

除了我們的“天宮”空間站外，國(guó)際空間站的運(yùn)行軌道高度也在400公里，這里衛(wèi)星密布，那么問(wèn)題來(lái)了，為什么空間站和衛(wèi)星的軌道高度都選在了400公里左右？不擔(dān)心相撞的情況嗎？

一方面，一般太空實(shí)驗(yàn)所關(guān)心的接近真空的環(huán)境、無(wú)云層遮擋的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)優(yōu)勢(shì)、近乎無(wú)重力的實(shí)驗(yàn)條件等等，400公里高度就足以滿足。另一方面則是考慮到航天員和空間站本身的安全問(wèn)題。在地球周圍存在名為“范艾倫輻射帶”的空間區(qū)域，它大致分成1500-5000公里和13000-20000公里的高度范圍，在空間天氣擾動(dòng)的時(shí)候還會(huì)上下擴(kuò)張，這里有著能量非常高、密度也非常大的帶電粒子，對(duì)飛行在其中的飛行器傷害很大。

特別的，因?yàn)榈卮艌?chǎng)本身不是對(duì)稱的，在南大西洋上方（也就是俗稱的“百慕大”附近）的地磁場(chǎng)形態(tài)導(dǎo)致這里的輻射帶高度比較低，在有擾動(dòng)的時(shí)候可能只有1000公里高度左右，空間站飛高了就很容易進(jìn)入到輻射帶當(dāng)中。

那如果讓空間站飛幾萬(wàn)公里高呢？地球朝向太陽(yáng)正面的磁層在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)也可能壓縮到3萬(wàn)公里附近，此時(shí)空間站也可能沐浴在太陽(yáng)風(fēng)的高能粒子當(dāng)中。一旦發(fā)生這兩種情況，讓空間站進(jìn)入到高能粒子區(qū)域，不僅對(duì)航天員的生命健康是巨大的威脅，還會(huì)傷害儀器設(shè)備。因此，空間站飛行在400公里高度附近是比較安全而合適的。

來(lái)源 | 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部