让航天器在宇宙中“不冷不热”,总共需要几步?

发布时间:2024年05月31日

当我们想象太空时

可能会想到浩渺的星辰

迷人的星云和神秘的黑洞

但你知道吗?

太空其实是一个极其寒冷的环境

平均温度大约是-270℃

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不过,并不是太空中每个地方都有这么低的温度。太空中的温度差异非常大,这取决于物体是否受到来自恒星的辐射。例如,太空中的空间站,太阳照射的向阳面会很热,表面温度最高可达150℃,而背阳面则很冷,最低会低于-100℃。之所以会有这么大的差异,主要是因为太空中与地球上的传热方式有着很大的不同。

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中国空间站

我们知道热传递有三种基本方式:热传导、热对流和热辐射。

热传导是指物体之间通过接触传递热量;热对流是指流体(液体或气体)通过运动传递热量;热辐射是指物体通过发射或吸收电磁波传递热量。

在地面环境中,这三种方式都能有效进行。然而,在太空中,由于没有空气和其他介质,传导和对流几乎不存在,只有辐射一种传热方式。这就意味着,在太空中,物体只能通过发射或吸收电磁波来调节温度。

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这对于航天器来说是一个巨大的挑战。因为航天器在运行过程中会产生大量的热量,同时也会接受来自太阳的辐射。如果热量不能及时散发出去,就会导致航天器过热甚至损坏。

同时,航天器也要避免对外辐射过多热量。特别是处于太阳背阴面的时候,以免温度过低。因此,航天器需要设计一套有效的温度控制系统,来维持航天器上的仪器设备正常工作所需的适宜温度。

在航天器的研制过程中,还有一项至关重要的试验——热真空试验,即模拟太空环境,对航天器及其各系统进行综合测试。这个过程的目的是确保航天器在真实的太空环境中能够正常运行,完成预定任务。

地面上的热真空试验是验证航天器在太空中性能的主要手段,其重要性不言而喻,它关乎着航天器的安全性和任务的成功与否。通过热真空试验还可以检验航天器上产品的性能和功能,验证产品设计的合理性,并暴露出在元器件、材料、工艺及质量方面的潜在缺陷。实践证明,经过热真空试验的航天器在轨运行的可靠性会大大提高。

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导航卫星在KM7做热真空试验

航天器热真空试验需要在专用的空间环境模拟设备中进行。空间环境模拟设备是航天器环境模拟工程中的重要地面试验设备,主要由真空容器、真空系统、液氮系统、测控系统等组成。

真空系统

真空系统的主要任务是为航天器提供真空背景,通过真空泵和低温泵组合将真空容器中的空气分子抽出,以获得并维持航天器热真空试验所需的高真空环境。

目前,我国航天器热真空试验一般要求容器内真空度不高于6.5×10-3Pa,甚至可能低至1.3×10-3Pa,这相当于我们地面正常大气压的亿分之一。

液氮系统

液氮系统的主要作用是以液氮去冷却真空容器内的热沉,使热沉温度低于-173℃,通过热沉来模拟太空中的冷黑背景。

测控系统

测控系统的主要作用是在试验中对航天器的温度进行精确控制。

在太空中,航天器会经历从太阳直射的高温到阴影中低温的极端温度变化。航天器每绕地球一圈,均会经历一次这样的温度变化。

低温主要通过液氮系统构建的冷背景吸收航天器的热辐射来实现;高温是利用红外笼或红外灯作为加热手段,通过电加热来实现,最终通过两者的平衡,来对航天器的温度进行准确控制,以此来模拟航天器在太空的温度变化。

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航天器试验中常用的加热手段(红外灯阵、红外笼、薄膜电加热器)

随着航天型号的牵引,我国陆续研制了多种型号的空间环境模拟设备,这些设备为我国航天器研制立下了汗马功劳。我国最大的热真空试验设备为KM8,直径达到了17米,高度35米,相当于10层楼那么高,也是目前世界第三大、亚洲最大的空间环境模拟器。

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KM8空间环境模拟设备

通过模拟太空中热真空环境,提前发现可能存在的问题,并进行修复。这样,当航天器真正进入太空时,我们就可以更加放心地探索这个神秘而美丽的宇宙了。

作者:

李 涛 北京制冷学会会员,中国空间技术研究院技术员、工程师

刘 媛 北京制冷学会理事,中国空间技术研究院支部书记、研究员

周月阁 北京制冷学会会员,中国空间技术研究院副主任、高级工程师