空间站如何应对“冰火两重天”？

今年入夏以来，我国多地最高气温破历史极值，经历着几十年一遇的最强酷暑天。面对高温，在地球上的我们可以通过开空调解暑，太空中的中国空间站又是如何保持舒适的温度的呢？今天我们一起来揭秘中国空间站的热控系统如何让我们的太空家园“四季如春”。

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。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。

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”。

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”。

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。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。

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。

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。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。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。

拓展阅读：空间站为什么只飞400公里高

除了我们的“天宫”空间站外，国际空间站的运行轨道高度也在400公里，这里卫星密布，那么问题来了，为什么空间站和卫星的轨道高度都选在了400公里左右？不担心相撞的情况吗？

一方面，一般太空实验所关心的接近真空的环境、无云层遮挡的望远镜观测优势、近乎无重力的实验条件等等，400公里高度就足以满足。另一方面则是考虑到航天员和空间站本身的安全问题。在地球周围存在名为“范艾伦辐射带”的空间区域，它大致分成1500-5000公里和13000-20000公里的高度范围，在空间天气扰动的时候还会上下扩张，这里有着能量非常高、密度也非常大的带电粒子，对飞行在其中的飞行器伤害很大。

特别的，因为地磁场本身不是对称的，在南大西洋上方（也就是俗称的“百慕大”附近）的地磁场形态导致这里的辐射带高度比较低，在有扰动的时候可能只有1000公里高度左右，空间站飞高了就很容易进入到辐射带当中。

那如果让空间站飞几万公里高呢？地球朝向太阳正面的磁层在太阳活动强烈时也可能压缩到3万公里附近，此时空间站也可能沐浴在太阳风的高能粒子当中。一旦发生这两种情况，让空间站进入到高能粒子区域，不仅对航天员的生命健康是巨大的威胁，还会伤害仪器设备。因此，空间站飞行在400公里高度附近是比较安全而合适的。

来源 | 中国空间技术研究院总体设计部