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太空温差都不怕,穿上这件“隔热服”,来一场说上天就上天的旅行

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飞船在轨飞行的过程中,受太空环境因素的影响,其壳温会随着环境温度的改变在-200~200℃之间剧烈变化。在地球上,人们可以随气温的变化及时增减衣物,但面对太空400℃的温差,飞船靠什么“秘密武器”来护体呢?

⬆️受日光照射的神舟飞船

“冰火两重天” 无所畏惧

飞船的轨道舱和推进舱外壳均为导热性能良好的金属材料,倘若直接裸露在外,飞船内部温度会随着壳温的改变发生变化,不论是装载的各种实验仪器和设备,还是执行载人飞行任务的航天员,显然不能承受这样巨大的温差。

为了解决这一问题,科研人员用多层隔热材料为飞船量身定制了一件“隔热服”,对飞船进行了隔热处理。

⬆️多层隔热材料

材料的导热性能可以用当量导热系数来表征,比如,建筑中常用的保温砖的当量导热系数一般为0.2~1.2W/(m·℃)。理论上,当量导热系数越低,材料的隔热效果越好。而多层隔热材料的当量导热系数能达到10-5W/(m·℃)的量级,因此它又被称为超级隔热材料。有了这件“隔热服”,就能在很大程度上减少飞船与外部环境的热传递了。

“太空金缕衣” 名不虚传

多层隔热材料正如其名,它是一种由多层反射屏和间隔层叠合在一起的组合材料,令人不可思议的是,这些组成材料中居然有金、银和丝绸。飞船“隔热服”的材料之名贵,毫不逊色于古代诗词中描写的金缕衣!

⬆️多层隔热材料组成结构示意图

多层隔热材料反射屏一般采用双面镀铝、银或金的聚酰亚胺薄膜或涤纶薄膜,其表面辐射率一般为0.02~0.04(表面辐射率是指物体表面辐射热量能力的系数,其值在0和1之间,其值越小,表明该表面辐射热量的能力越低)。间隔材料多用质地疏松的纤维纸或织物(丝绸、尼龙纱、涤纶纱等)制成。此外,多层隔热材料的层数可以根据需要进行选择,各层之间为真空,其隔热效果与隔热屏的层数及表面辐射率有关,隔热屏层数越多,表面辐射率越低,其隔热效果越好。

“高定暖水瓶”保驾护航

尽管“隔热服”的组成材料相当高大上,但它的隔热原理却相当接地气,很像生活中常用的暖水瓶。多层隔热材料和暖水瓶都利用了真空隔热保温的原理。以暖水瓶为例,暖瓶为两层结构,反射屏为镀银的玻璃,中间抽成了真空。而如果暖水瓶不能保温,其原因大都是因为瓶底封闭的抽气孔破了,玻璃夹层中进入了空气。

⬆️飞船在轨飞行

同样的,对多层隔热材料来说,真空也是它具有隔热效果的必要条件之一。不一样的是,暖水瓶的抽气孔易碎,因而要注意保存。多层隔热材料却没有这么脆弱,科研人员还在多层隔热材料上打上很多小孔,这又是为什么呢?

原来,太空为真空环境,飞船在轨运行中由于受到压强的作用,多层隔热材料内部的空气就会自动扩散到太空中,其内部自然也就形成真空了,这样是比较经济、安全的选择。

⬆️太空中为真空环境

“金牌搭档”助力飞天梦

给飞船穿上“隔热服”后,飞船内部温度能得到控制,但“隔热服”在杜绝飞船外部温度影响的同时,也使得飞船内部多余的热量无法通过舱壁散发出去,存在很大的安全隐患。为此,科研人员为飞船配备了“专用空调”,即主动流体回路系统。飞船的流体回路由外循环回路和内循环回路两部分组成,通过内外循环回路的连续工作,能使舱内外吸收和散热达到平衡,满足航天员、仪器设备与结构部件对温度的要求。

⬆️架设空调外机

有了“隔热服”和“空调”的协同工作,飞船的保温与散热问题就迎刃而解了,飞船便可以放心踏上星辰大海的征途了~

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科普61a832a869488
秀才级
2022-01-04