今年入夏以來，我國多地最高氣溫破歷史極值，經(jīng)歷著幾十年一遇的最強酷暑天。面對高溫，在地球上的我們可以通過開空調解暑，而在太空中的中國空間站是如何保持舒適的溫度呢？今天我們一起來揭秘中國空間站的熱控系統(tǒng)如何讓我們的太空家園“四季如春”。
太空環(huán)境：冰火兩重天
中國空間站位于距離地面約400km的太空環(huán)境中，由于沒有大氣層的保護，在太陽光線直射下，空間站表面溫度最高可達150℃以上，在背陽面，溫度最低可達-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適宜工作和生活的空間站環(huán)境，就需要熱控系統(tǒng)來實現(xiàn)溫度的控制。
熱控系統(tǒng)是保障空間站設備正常運行，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系統(tǒng)，通過合理組織航天器內(nèi)部和外部的熱交換過程，使空間站各部位的溫度始終處于任務所要求的范圍內(nèi)，為空間站設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，空間站時期的各個航天器需要長期在軌飛行，航天員也要實現(xiàn)常態(tài)化長周期在軌駐留，因此對溫度控制提出了更高的要求。面對中國空間站任務特點和需求，五院熱控團隊開展大量技術攻關，進行了多項技術創(chuàng)新來打造舒適的“太空之家”。
熱控方式一
打造“中央空調”
在空間站的熱控系統(tǒng)中，五院技術團隊研制的“中央空調”——流體回路是空間站熱控系統(tǒng)的核心，在天和核心艙和問天實驗艙中，流體回路都遍布在各個角落。流體回路能均勻地包裹住空間站的重要部位，通過特殊液體在管路內(nèi)的往復循環(huán)，將艙內(nèi)設備以及航天員生活產(chǎn)生的熱量收集起來，通過回路帶到相應的設備和結構中，給過熱的地方散熱，給過冷的地方加熱，實現(xiàn)散熱和補熱功能。同時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”。
問天實驗艙是我國體型最大、承載最重、試驗載荷最多的航天器，艙內(nèi)安裝了很多試驗載荷，而艙外更是布置了各種高熱耗的暴露試驗載荷，熱控的要求更高。五院研制團隊為問天實驗艙研制了3套液冷系統(tǒng)，將各種設備或試驗載荷產(chǎn)生的熱量收集并輻射到外太空，可支持數(shù)千瓦級以上試驗載荷的散熱。其中一套是專門為艙外試驗載荷進行溫度保障的散熱回路，首次研制了四通閥技術，解決了艙外試驗載荷安裝狀態(tài)對回路系統(tǒng)的影響，在重量上優(yōu)于國際空間站使用的多閥門調控技術。
熱控方式二
涂上“太空防曬霜”
除了打造“中央空調”對空間站進行冷熱調節(jié)之外，還可以對航天器進行被動的隔熱，熱控涂層就是被動熱控的一種。從神舟十二號起，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，神舟飛船面臨長周期大溫差下艙體溫度控制的難關?？臻g站組合體飛行時，神舟飛船可能會被其他艙體持續(xù)遮擋，造成飛船長時間處于太陽無法照射下的極低溫度環(huán)境下，最低溫度甚至低于-100℃。而當空間站組合體形成某些構型時，飛船的局部區(qū)域又會持續(xù)受到太陽輻照，最高溫度超過100℃，為飛船設備的正常工作和航天員的生活環(huán)境帶來了嚴峻考驗。
針對這一控溫難題，五院研制團隊設計并研制出了低吸收-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光吸收特性，可有效減弱太陽輻照導致的溫度升高。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”,有效保障飛船在長期的極端高低溫環(huán)境下的運行，讓艙內(nèi)處于適宜的溫度范圍。
熱控方式三
穿上隔熱“外衣”
被動熱控的另一種，就是給航天器穿上隔熱“外衣”。以天舟四號為例，天舟四號運行在距地面約400公里的軌道上，圍繞地球一圈的時間約90分鐘，時而處于地球的陰影中，時而暴露在太陽的直射下，每天需要經(jīng)歷14次這樣的“冰火兩重天”。所以，五院的研制人員給它穿上特殊制作的隔熱材料，來抵御惡劣的環(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)科學原理精心設計的，不同特點的面料適應了航天器的不同需要。天舟四號的貨物艙和推進艙的“外衣”，就分別被設計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，相對較高，因此就給它穿上灰色“外衣”，能夠多吸收太陽光熱量。而推進艙中主要是設備，需要更低的環(huán)境溫度，因此給它穿上白色“外衣”，多反射太陽光熱量。
此外，天舟四號“外衣”的內(nèi)部采用多層隔熱組件的設計，有著極強的保暖效果。它由高反射率的膜和支撐膜的滌綸網(wǎng)組成，可以重復疊加形成多重結構，里面的熱量經(jīng)過反射膜層層反射，很難滲出表面，就能形成很高的熱阻，防止熱量散失。
通過“空調”“防曬霜”和“隔熱服”等的協(xié)同工作，五院研制團隊將中國空間站打造成了一個舒適的“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，呵護空間站平安地遨游蒼穹。和熱控系統(tǒng)一樣，五院研制的眾多分系統(tǒng)也正各司其職，為打造更溫馨、更舒適、更安全的“太空家園”而默默守護。
