航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
2021-01-11 20:26:23  出处:蝌蚪五线谱  作者:流火 编辑:陈驰     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

如果同学们对航空航天领域感兴趣,就会发现这么一件有趣的事:无论是哪个国家发射的航天器,如人造卫星、探测器或空间站等,都包裹有一层金灿灿的覆盖物,就像是黄金制成的外套一样。

为何这些航天器要穿一身“黄袍”呢?难道,大家是想要通过“黄袍加身”的方式,来展现出航天器尊贵的身份吗?

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
天问一号火星探测器(图源:知乎)

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
美国的GPS卫星(图源:britannica.com)

小知识:后周时期,宋太祖赵匡胤发起陈桥兵变,并被部下们披上了一件黄袍,从此开始自称天子,争夺天下。这就是“黄袍加身”的典故。

由于发射成本高昂,航天器上所安装每一件设备的重量都是经过科学家们精心计算的。所以,这一身黄袍当然不是装饰品啦!它们主要用于控制温度,防止由于温度过高或过低而出现航天器仪器失灵的现象,是保证航天器得以正常工作的重要防护设备之一。

那么,这些黄金外衣控制温度的工作原理是什么呢?我们继续看下去吧!

为什么需要调控航天器的体温?

要搞清楚这个问题,我们需要先了解一下热传递的三种主要途径:热传导、热对流以及热辐射。

当两个温度不同的固体相互接触时,它们彼此之间就可以通过内部分子、原子或电子的运动来交换热量,即热传导;而对于具有不同温度的液体或气体,当它们相互接触时,可以通过流体的移动来实现热量的传递,即热对流;除此之外,任何温度高于绝对零度的物体都在无时不刻地向周围发射着携带有一定热量的电磁波,即热辐射。

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
热量传递的三种方式(图源:新浪)

要搞清楚这个问题,我们需要先了解一下热传递的三种主要途径:热传导、热对流以及热辐射。

当两个温度不同的固体相互接触时,它们彼此之间就可以通过内部分子、原子或电子的运动来交换热量,即热传导;而对于具有不同温度的液体或气体,当它们相互接触时,可以通过流体的移动来实现热量的传递,即热对流.

除此之外,任何温度高于绝对零度的物体都在无时不刻地向周围发射着携带有一定热量的电磁波,即热辐射。

航天器体温控制方法之一:被动控制

被动温度控制,顾名思义,是一种带有防御性质的温度控制方法。就像是坦克配备有厚厚的防弹装甲一样,航天器同样需要安装一层可以有效抵抗热辐射的“防热装甲”。而航天器所穿的那一身黄袍,就是一类热防护装甲,学名叫做“多层隔热材料”。

多层隔热材料就像是一层厚厚的毯子,主要由两部分组成:反射屏(表层)以及间隔物(内层)组成。

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
多层隔热材料(图源:腾讯)

表层的反射屏可以有效地将以太阳辐射为主的宇宙辐射反射回去,就像是反弹披风一样;而内层的反射屏则可以阻止航天器内部的热量散逸到真空中,从而起到保温的作用。

反射屏常用的一种隔热材料为镀有金属箔(如金箔、铜箔等)的聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜,这也就是我们所看到的金黄色的外套啦(有时也会是银色)!而间隔物一般为疏松多孔的材料,如玻璃纤维、石英纤维等,可以进一步地阻碍航天器与真空环境发生过多的热交换。

除了多层隔热材料外,安装在航天器内部的热管也是一种很常用的被动温度控制方法。热管内部储存的工质(如氨水)可以迅速地将一端热源散发的热量吸收,然后通过热传导的方式在另一端进行散热,从而实现航天器内部的温度控制,整个过程没有消耗能量。

由于在吸热与散热的过程中,热管内部的工质会发生物理状态的改变:首先从液体蒸发为气体,然后再由气体冷凝成液体,所以又被称为“相变介质”。

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
热管的工作原理(图源:参考文献)

其实,热管是一种用途非常广泛的设备,不仅可以用于航天器的温度控制,在其他工程领域也是不可或缺的“神器”呢!

例如,青藏高原上的冻土层每年都经历着冬天冻结、夏天融化的循环过程,这一季节性冻结—融化的现象带来了严重的地基下沉,是我国青藏铁路建设中的面临的一大难题。工程师们正是在铁路的沿线安装了大量的热管,将土壤内部的热量及时高效地散发到外部,才保证了冻土层的经年不化。

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
青藏铁路上安装的热管(图源:kknews.com)

除了多层隔热材料以及热管以外,航天器上还会采用隔热器、隔热涂层、被动式热辐射器等许多种不同的被动温度控制装置。

航天器体温控制方法之二:主动控制

被动温度控制的优点是简单方便,不消耗能量;但它也有较为明显的缺点,那就是精度较差。为了实现航天器内部各区域温度的精准控制,一般还需要安装主动温度控制系统。

这种主动温度控制系统的工作原理与我们家用空调非常类似。以常用的一种名为“工质循环回路热控系统”的温度控制系统为例,它利用循环泵作为动力源来驱动工质进行循环流动,在指定的冷却端收集热量,并在另一个释放端释放热量。这种系统看似只是高级版的热管,但可以实现精准的温度控制,是航天器中必不可少的一部分!

航天器为何“黄袍加身”?尊贵or保温?
国际空间站内部的主动热控系统(图源:参考文献)

同学们,从探究航天器身上所穿的“黄袍”开始,我们在这里学习到了航天器温度控制相关的知识。下一次,如果在电视上看到了相关的新闻,一定要给家长科普一下哦!

- THE END -

#火箭#航天器

原文链接:蝌蚪五线谱 责任编辑:陈驰

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