直面宇宙极端温度挑战！“神舟”飞船如何散热？又怎么保暖？

“神舟十三号”

自“神舟十三号”开始，载人飞船的在轨驻留时间提升到半年，需要面对的严酷宇宙环境挑战也是前所未有的，在极端高低温的宇宙环境中，“神舟”飞船是怎么散热的？又是怎么保暖的？

高科技隔热服，高效隔绝高温炙烤

不同于有大气层保护的地表环境，近地空间环境要严酷得多，温度可以高至200摄氏度，也可以低至200摄氏度，这在地表是不可想象的。在面对200度的高温时，不光是人无法生存，大部分设备也是无法承受的，“神舟”采取了什么方法加以应对?

面对高温环境，与我们通常秉持的散热思路不一样，科研人员采用了隔热的思路去解决高温问题，为“神舟”研发了高效的隔热服——多层隔热材料。该材料是一种夹层组合材料，由外面的反射屏和中间的间隔层叠合构成。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，其表面辐射率为0.02～0.04（物体表面辐射热量能力的系数，其值在0和1之间，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。多层隔热材料各层之间为真空，进一步增强了隔热效果[1]。

多层隔热材料结构示意图

多层隔热材料

由此组成的多层隔热材料拥有极高的隔热效率，这方面可以用导热系数来表示，当该系数越低时，材料的隔热效果越好。多层隔热材料的当量导热系数能达到10-5W/（m·℃）量级，建筑所用的保温砖的该系数为0.2～1.2W/（m·℃）。在实际应用中，可以根据需要增加隔热材料层数，以达到保护飞船的效果。目前，“神舟”飞船的轨道舱和推进舱均穿上了这种隔热衣[1]。那返回舱呢？由于返回舱本身在表面加装了厚厚的蜂窝增强低密度烧蚀材料，可以支持抵挡1200度的高温烧蚀，具有高隔热的属性，也就不需要再多穿一层隔热服了。

在隔热服和隔热材料的保护下，“神舟”飞船几乎隔绝了与宇宙环境的热量交换，为进行长达半年的安全停靠提供了必要条件。

连通核心舱，统一调节冷暖

在绕地运行过程中，当“神舟”驶入黑夜弧段时，飞船会遭遇零下200度的极低温考验，虽然隔热服和防热材料阻绝了绝大部分热量交换，但是飞船依然存在小部分裸露设备，同时长时间处于低温环境运行也会造成热量丧失，保暖问题是飞船面对的又一个挑战。早在“神十二”乘组第一次出舱时，地面科研人员就担心过“神舟”的保暖问题，因为出舱需要关闭飞船与节点舱之间的舱门，飞船会接受一段时间的低温考验。为什么会出现这种情况？

在飞船停靠空间站期间，轨道舱通向节点舱的舱门会处于打开状态，飞船的冷热调节均由空间站内的系统负责，当出舱阻绝了这种冷热调节七八个小时的时候，“神舟”飞船需要经受零下几十度的考验。“神舟”自己没有“空调”吗？神舟配备了用于温控的主动流体回路系统，这个系统在过去没有空间站的时期发挥了很大作用，只是在飞船停靠空间站期间不开机。在飞船飞往和驶离空间站的时段，飞船自身的“空调”就会开机运行。

“神舟十三号”

由此可知，在驻留空间站期间，面对近地空间极为严酷的高低温环境时，“神舟”飞船依靠隔热服和防热材料抵御高达200度的高温侵袭，阻绝热量交换；同时，依靠空间站的“空调”进行温度控制，以保持飞船的健康安全。

作者：大白高国
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参考资料

[1]部分引自我们的太空发布https://mp.weixin.qq.com/s/2KcGecFyv3J8ulS2d5ygSA