航天器為何經常是“黃袍加身”？

如果同學們對航空航天領域感興趣，就會發(fā)現(xiàn)這么一件有趣的事：無論是哪個國家發(fā)射的航天器，如人造衛(wèi)星、探測器或空間站等，都包裹有一層金燦燦的覆蓋物，就像是黃金制成的外套一樣。

為何這些航天器要穿一身“黃袍”呢？難道，大家是想要通過“黃袍加身”的方式，來展現(xiàn)出航天器尊貴的身份嗎？

天問一號火星探測器（圖源：知乎）

小知識：后周時期，宋太祖趙匡胤發(fā)起陳橋兵變，并被部下們披上了一件黃袍，從此開始自稱天子，爭奪天下。這就是“黃袍加身”的典故。

由于發(fā)射成本高昂，航天器上所安裝每一件設備的重量都是經過科學家們精心計算的。所以，這一身黃袍當然不是裝飾品啦！它們主要用于控制溫度，防止由于溫度過高或過低而出現(xiàn)航天器儀器失靈的現(xiàn)象，是保證航天器得以正常工作的重要防護設備之一。

那么，這些黃金外衣控制溫度的工作原理是什么呢？我們繼續(xù)看下去吧！

為什么需要調控航天器的體溫？

要搞清楚這個問題，我們需要先了解一下熱傳遞的三種主要途徑：熱傳導、熱對流以及熱輻射。

當兩個溫度不同的固體相互接觸時，它們彼此之間就可以通過內部分子、原子或電子的運動來交換熱量，即熱傳導；而對于具有不同溫度的液體或氣體，當它們相互接觸時，可以通過流體的移動來實現(xiàn)熱量的傳遞，即熱對流；除此之外，任何溫度高于絕對零度的物體都在無時不刻地向周圍發(fā)射著攜帶有一定熱量的電磁波，即熱輻射。

熱量傳遞的三種方式（圖源：新浪）

要搞清楚這個問題，我們需要先了解一下熱傳遞的三種主要途徑：熱傳導、熱對流以及熱輻射。

當兩個溫度不同的固體相互接觸時，它們彼此之間就可以通過內部分子、原子或電子的運動來交換熱量，即熱傳導；而對于具有不同溫度的液體或氣體，當它們相互接觸時，可以通過流體的移動來實現(xiàn)熱量的傳遞，即熱對流。

除此之外，任何溫度高于絕對零度的物體都在無時不刻地向周圍發(fā)射著攜帶有一定熱量的電磁波，即熱輻射。

航天器體溫控制方法之一：被動控制

被動溫度控制，顧名思義，是一種帶有防御性質的溫度控制方法。就像是坦克配備有厚厚的防彈裝甲一樣，航天器同樣需要安裝一層可以有效抵抗熱輻射的“防熱裝甲”。而航天器所穿的那一身黃袍，就是一類熱防護裝甲，學名叫做“多層隔熱材料”。

多層隔熱材料就像是一層厚厚的毯子，主要由兩部分組成：反射屏（表層）以及間隔物（內層）組成。

表層的反射屏可以有效地將以太陽輻射為主的宇宙輻射反射回去，就像是反彈披風一樣；而內層的反射屏則可以阻止航天器內部的熱量散逸到真空中，從而起到保溫的作用。

反射屏常用的一種隔熱材料為鍍有金屬箔（如金箔、銅箔等）的聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜，這也就是我們所看到的金黃色的外套啦（有時也會是銀色）！而間隔物一般為疏松多孔的材料，如玻璃纖維、石英纖維等，可以進一步地阻礙航天器與真空環(huán)境發(fā)生過多的熱交換。

除了多層隔熱材料外，安裝在航天器內部的熱管也是一種很常用的被動溫度控制方法。熱管內部儲存的工質（如氨水）可以迅速地將一端熱源散發(fā)的熱量吸收，然后通過熱傳導的方式在另一端進行散熱，從而實現(xiàn)航天器內部的溫度控制，整個過程沒有消耗能量。

由于在吸熱與散熱的過程中，熱管內部的工質會發(fā)生物理狀態(tài)的改變：首先從液體蒸發(fā)為氣體，然后再由氣體冷凝成液體，所以又被稱為“相變介質”。

其實，熱管是一種用途非常廣泛的設備，不僅可以用于航天器的溫度控制，在其他工程領域也是不可或缺的“神器”呢！

例如，青藏高原上的凍土層每年都經歷著冬天凍結、夏天融化的循環(huán)過程，這一季節(jié)性凍結—融化的現(xiàn)象帶來了嚴重的地基下沉，是我國青藏鐵路建設中的面臨的一大難題。工程師們正是在鐵路的沿線安裝了大量的熱管，將土壤內部的熱量及時高效地散發(fā)到外部，才保證了凍土層的經年不化。

除了多層隔熱材料以及熱管以外，航天器上還會采用隔熱器、隔熱涂層、被動式熱輻射器等許多種不同的被動溫度控制裝置。

航天器體溫控制方法之二：主動控制

被動溫度控制的優(yōu)點是簡單方便，不消耗能量；但它也有較為明顯的缺點，那就是精度較差。為了實現(xiàn)航天器內部各區(qū)域溫度的精準控制，一般還需要安裝主動溫度控制系統(tǒng)。

這種主動溫度控制系統(tǒng)的工作原理與我們家用空調非常類似。以常用的一種名為“工質循環(huán)回路熱控系統(tǒng)”的溫度控制系統(tǒng)為例，它利用循環(huán)泵作為動力源來驅動工質進行循環(huán)流動，在指定的冷卻端收集熱量，并在另一個釋放端釋放熱量。這種系統(tǒng)看似只是高級版的熱管，但可以實現(xiàn)精準的溫度控制，是航天器中必不可少的一部分！

國際空間站內部的主動熱控系統(tǒng)（圖源：參考文獻）

同學們，從探究航天器身上所穿的“黃袍”開始，我們在這里學習到了航天器溫度控制相關的知識。下一次，如果在電視上看到了相關的新聞，一定要給家長科普一下哦！
責編AJX