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太空有多冷?中国空间站如何保持“四季如春”?
来源:融媒体采编平台    作者:罗思田<Luo Sitian>   日期: 2022-10-28
导读:中国空间站位于距离地面约400km的太空环境中,由于没有大气层的保护,在太阳光线直射下,空间站表面温度最高可达150℃以上,在背阳面,温度最低可达-100℃以下。在这种“冰火两重天”的太空环境中,为保证航天员能有一个适宜工作和生活的空间站环境,就需要热控系统来实现温度的控制。

眼看天气越来越冷,地球上的我们已经开始添衣保暖,太空中的空间站是否也为航天员们备好了暖气呢?


中国空间站位于距离地面约400公里的太空环境中,由于没有大气层的保护,在太阳光线直射下,空间站表面温度最高可达150℃以上,在背阳面,温度最低可达-100℃以下。在这种“冰火两重天”的太空环境中,为保证航天员能有一个适宜工作和生活的空间站环境,就需要热控系统来实现温度的控制。


热控系统是保障空间站设备正常运行,以及航天员太空生活冷暖舒适的重要系统。热控系统就像我们地面上的空调系统,通过合理组织航天器内部和外部的热交换过程,使空间站各部位的温度始终处于任务所要求的范围内,为空间站设备正常工作和航天员的生活提供良好的温度环境。

9月17日 神舟十四号航天员乘组实施第二次出舱活动 图源:央视网


不同于以往的载人航天任务,空间站时期的各个航天器需要长期在轨飞行,航天员也要实现常态化长周期在轨驻留,因此对温度控制提出了更高的要求。面对中国空间站任务特点和需求,热控团队开展大量技术攻关,进行了多项技术创新来打造舒适的“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“中央空调”


空间站的热控系统中的“中央空调”——流体回路是空间站热控系统的核心,在天和核心舱和问天实验舱中,流体回路都遍布在各个角落。流体回路能均匀地包裹住空间站的重要部位,通过特殊液体在管路内的往复循环,将舱内设备以及航天员生活产生的热量收集起来,通过回路带到相应的设备和结构中,给过热的地方散热,给过冷的地方加热,实现散热和补热功能。同时还能精确控制空间站不同“房间”的温度,保持温度的均匀和稳定,可谓是量身打造的“中央空调”。


航天科技集团五院空间站热控分系统副主任设计师黄磊介绍称:这个里边流动的液体就像人体的血液一样,它有很多流体回路的管路遍布到空间站的全身。血液流动的动力来自于我们的心脏,那么这个空间站的流体回路里的液体流动的动力就来自于我们循环泵。

9月17日 航天员刘洋为陈冬、蔡旭哲打开段间舱门,迎接两名战友回到问天实验舱。 图源:央视网

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."


问天实验舱是我国体型最大、承载最重、试验载荷最多的航天器,舱内安装了很多试验载荷,而舱外更是布置了各种高热耗的暴露试验载荷,热控的要求更高。研制团队为问天实验舱研制了3套液冷系统,将各种设备或试验载荷产生的热量收集并辐射到外太空,可支持数千瓦级以上试验载荷的散热。其中一套是专门为舱外试验载荷进行温度保障的散热回路,首次研制了四通阀技术,解决了舱外试验载荷安装状态对回路系统的影响,在重量上优于国际空间站使用的多阀门调控技术。


10月12日,在中科院空间应用工程与技术中心地面主课堂,学生收看“天宫课堂”第三课。新华社记者 罗晓光 摄 图源:新华网


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“太空防晒霜”


除了打造“中央空调”对空间站进行冷热调节之外,还可以对航天器进行被动的隔热,热控涂层就是被动热控的一种。从神舟十二号起,神舟系列飞船都涂上了一身银闪闪的新型涂层,这是一款神奇的“太空防晒霜”——低吸收-低发射型热控涂层。


在空间站建造阶段,神舟飞船面临长周期大温差下舱体温度控制的难关。空间站组合体飞行时,神舟飞船可能会被其他舱体持续遮挡,造成飞船长时间处于太阳无法照射下的极低温度环境下,最低温度甚至低于-100℃。而当空间站组合体形成某些构型时,飞船的局部区域又会持续受到太阳辐照,最高温度超过100℃,为飞船设备的正常工作和航天员的生活环境带来了严峻考验。

7月25日在北京航天飞行控制中心拍摄的问天实验舱与空间站组合体交会对接。这是问天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口的模拟图像。新华社记者 郭中正 摄


针对这一控温难题,研制团队设计并研制出了低吸收-低发射型热控涂层。低吸收,顾名思义就是涂层材料自身具有较低的太阳光吸收特性,可有效减弱太阳辐照导致的温度升高。低发射,则是指涂层具有较低的红外发射率,可有效阻隔飞船内部向外部深冷环境的辐射漏热,避免舱内温度的不断降低。热控涂层就像一层“防晒霜”,有效保障飞船在长期的极端高低温环境下的运行,让舱内处于适宜的温度范围。


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.


穿上隔热“外衣”


被动热控的另一种,就是给航天器穿上隔热“外衣”。以天舟四号为例,天舟四号运行在距地面约400公里的轨道上,围绕地球一圈的时间约90分钟,时而处于地球的阴影中,时而暴露在太阳的直射下,每天需要经历14次这样的“冰火两重天”。因此,研制人员给它穿上特殊制作的隔热材料,来抵御恶劣的环境,维持内部舒适的温度。


航天器“外衣”面料的选择大有讲究,都是根据科学原理精心设计的,不同特点的面料适应了航天器的不同需要。天舟四号的货物舱和推进舱的“外衣”,就分别被设计为灰色和白色两种不同的颜色。货物舱需要提供适宜航天员生活的温度,相对较高,因此就给它穿上灰色“外衣”,能够多吸收太阳光热量。而推进舱中主要是设备,需要更低的环境温度,因此给它穿上白色“外衣”,多反射太阳光热量。

图源:“中国载人航天”公众号 


此外,天舟四号“外衣”的内部采用多层隔热组件的设计,有着极强的保暖效果。它由高反射率的膜和支撑膜的涤纶网组成,可以重复叠加形成多重结构,里面的热量经过反射膜层层反射,很难渗出表面,就能形成很高的热阻,防止热量散失。 


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.


通过“空调”“防晒霜”和“隔热服”等的协同工作,研制团队将中国空间站打造成了一个舒适的“太空家园”,保持“四季如春”。热控系统仿佛控制空间站冷暖的“大管家”,保证了空间站在恶劣的太空环境中的舒适,呵护空间站平安地遨游苍穹。


综合来源:“中国空间技术研究院”公众号  “中国载人航天”公众号   新华网 北京日报





 
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