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2011-11-07 00:36 出处:PConline原创 作者:佚名 责任编辑:zhangqianliang
1特殊的“太空空调”回顶部

  【PConline 应用技巧】神舟八号无人飞行器,是中国“神舟”系列飞船的第八个,也是中国神舟系列飞船进入批量生产的代表。目前,神八已于2011年11月1日5时58分10秒由改进型“长征二号”F遥八火箭顺利发射升空。升空后,“神八”与此前发射的“天宫一号”实现交会对接,并将和此后的神舟九号、十号一起组成中国首个空间实验室。

神州八号 空调 宇航

  但是航天器是在十分严酷的温度条件下工作的,例如返回式航天器要经历-200°C以下到10000°C以上的环境温度变化。航天器的结构、仪器设备和所载生物都无法承受这样剧烈的温度变化。人造地球卫星上的有些红外遥感器还需要有超低温工作环境;广播卫星的大功率行波管要求强化散热;一些航天器的电子设备舱要求均匀而恒定的温度环境;航天飞机则需要解决多次重复使用的防热、温度调节问题。

  神舟八号在太空中运行,由于没有空气对流传热,向阳的一面吸收太阳的辐射热,温度可达100多摄氏度,而背阴的一面则为零下100多摄氏度,而“神八”飞船内的温度要控制在17至25摄氏度,此外,在舱内的生物实现箱内,温度是恒定的,需要将其温度始终控制在23摄氏度,那么就需要要求神八具备自己的“太空空调”。

特殊的“太空空调”

神州八号 空调 宇航

  神八特殊的“太空空调”,如气体流量调节装置、宇航服温控调节装置等作为环境控制及生命保护分系统产品,在航天员的飞行试验中发挥着特殊的作用。气体流量调节装置可以通过电动舱外控制器远距离对飞船内的气体流量进行调节,保证舱中具有适宜的生活、工作环境;宇航服温控调节装置则能够调节宇航服内的温度,确保宇航服能够适应太空骤冷、骤热的环境,保证航天员的安全、舒适。因为太空环境的差异,这部“空调”的设计原理和使用方法与我们日常家用空调大不相同。

太空空调有啥不一样?

  与人用的空调不同,航天器的空调并不能用空压机压缩制冷剂以蒸发的方式给自己降温,那么飞船如何实现自己的温度控制呢?

  航天器热控制一般可分为空间运行段热控制和过渡段热控制。前者是各类航天器所共用的技术,是航天器热控制的主要内容;后者除地面段热控制以外;主要是返回型航天器和进入有大气行星的空间探测器需要采用的技术。

  空间运行段热控制

神州八号 空调 宇航

  航天器在轨道上受到太阳和行星加热,并向温度相当于4K的宇宙空间散热。宇宙空间是超高真空环境,所以航天器是以辐射方式与周围环境进行热量交换的。空间运行段热控制可分为被动式和主动式两类。

  一般常用的技术有:

  1、在航天器外壳表面覆盖特殊的温控涂层,以降低表面的太阳吸收率与热辐射率比值,这是航天器常用的热控制技术;

  2、在外壳不同部位或仪器之间布置热管,把热端的热量导向冷端,减少部件、仪器之间的温度差;

  3、在仪器或部件表面包敷多层隔热材料或低辐射率涂层,防止热量散失或阻隔其他热源;

  4、采用在熔化、凝固过程中吸收和释放热量的相变材料,例如石蜡、水化物等,以缓和某些元、部件的高低温交替变化。除此之外航天器内部仪器设备的布局使热源分布合理并安排足够的传热通道,选择航天器外壳温度变化不大的表面作为仪器设备的散热热沉,以减少仪器设备的温度波动。

2太空飞船如何实现温度控制?回顶部

神舟八号 防热 温度调节

  当外热流或内热源发生变化时,自动调节航天器内部设备温度,并保持在规定的范围之内。主动热控制根据不同的传热方式分为辐射式、对流式和传导式三种:

  1、辐射式热控制:当航天器内设备温度升高或下降时能自动改变表面组合热辐射率,从而改变散热能力以保持设备的温度范围,如热控百叶窗和热控旋转盘。

  2、对流式热控制:在具有气体或流体循环调节的航天器内部改变流体的对流换热系数以实现温度调节,这类系统有液体循环和气体循环两种。流体在泵或风扇的驱动下将航天器内部热量引出,流经外部的热辐射器排向宇宙空间。

  3、传导式主动热控制:将航天器内部设备的热量通过传导的方式散至外壳表面排向宇宙空间。热传导系数可以随设备的温度升降而改变,从而对设备温度起自动调节作用,如接触导热开关和可变热导的热管。电加热器也是航天器常用的主动热控制器件。电加热丝(片)安装在被加热部件上,通过遥控或自动控制加热。它的结构简单,使用方便,控制精度较高。

  过渡段热控制

  航天器在发射前的地面段、发射段(上升段)和再入地球大气段或进入其他行星大气段所采取的热控制技术。地面段热控制是各类航天器共用的技术;发射段热控制仅用于发射时没有整流罩保护的航天器;再入段或进入段热控制是返回型航天器或进入有大气行星的空间探测器采取的热控制技术。

  地面段热控制

  主要指航天器在发射场的温度控制。发射场存在四季和昼夜的气温变化,为保证航天器的正常测试和适宜的起飞温度,在发射塔架上设有温度调节系统。地面段的温度控制比较容易实现,可以充分利用地面的电源、气源和低温系统。夏季采用氟利昂冷却或其他低温气体的表面式或混合式冷却系统;冬季采用电加热系统或热气系统。

中国 远望一号 测量船
远望系列测量船将测控信息传回地面控制中心后对航天器进行热控制

  航天器在运载器运送下飞离地面,穿过大气层进入轨道过程的热控制。用运载火箭发射航天器时,航天器外面大多套有整流罩,以使航天器内部能保持良好的环境。航天飞机运送航天器进入空间时,航天器装在它的货舱内,环境条件可以调节和控制。

  许多返回型航天器和一些其他航天器用运载火箭发射时不带整流罩,发射环境比较恶劣,这些航天器在发射段直接经受气动加热,温度迅速增加,入轨后初期受温升滞后的影响,航天器内部的温度仍继续升高,上升段热控制的任务就是防止航天器结构和仪器设备过热。主要的措施是:①减少高温外壳传给内部仪器设备的热量;②增加仪器设备的热容量;③降低航天器在发射时的初始温度。

  发射段(上升段)热控制

  航天器在运载器运送下飞离地面,穿过大气层进入轨道过程的热控制。用运载火箭发射航天器时,航天器外面大多套有整流罩,以使航天器内部能保持良好的环境。航天飞机运送航天器进入空间时,航天器装在它的货舱内,环境条件可以调节和控制。

火箭 大气层

  许多返回型航天器和一些其他航天器用运载火箭发射时不带整流罩,发射环境比较恶劣,这些航天器在发射段直接经受气动加热,温度迅速增加,入轨后初期受温升滞后的影响,航天器内部的温度仍继续升高,上升段热控制的任务就是防止航天器结构和仪器设备过热。主要的措施是:①减少高温外壳传给内部仪器设备的热量;②增加仪器设备的热容量;③降低航天器在发射时的初始温度。

  再入段或进入段热控制

美国 超高速 太空飞行器测试
美国“超高速”太空飞行器

  这是航天器返回技术和进入行星大气层技术中的一项关键技术(见航天器进入技术)。利用大气阻尼可有效地消除航天器返回地球表面时的巨大动能,但是气动加热会引起航天器表面产生高温。解决方法是降低气动加热量,加强航天器的对外辐射散热和增加壳体的热容和潜热,通常需要专门设计再入(进入)防热结构。

3第二层防护——装在太空服内的空调回顶部

第二层防护——装在太空服内的空调

  航天服按用途可分为舱内航天服和舱外航天服两大类,分别有软式、硬式 和软硬混合式结构。相比之下舱内航天服的结构与功能较为简单,舱外航天服的结构复杂,具有更加全面的防护性能和功能。无论是舱内航天服还是舱外航天服,都必须选用特殊的材料,采用特殊工艺,经过特殊的加工、制作和各种试验后才能够完成,尤其是舱外航天服造价可达上千万美元,真可谓是世界上最昂贵的服装。

神州八号 空调 宇航

  舱内航天服

  顾名思义,舱内航天服是航天员在航天器内使内使用的航天服,航天员在航天器发射、返回和在轨道运行期间发生密闭舱失压等事故时,必须穿上舱内航天服。航天服因具有充压和加压的重要功能,将起到保护航天员生命安全的关键作用。舱内航天服通常是为每一位航天员定做的,它是在高空飞行密闭服(简称压力服)的基础上发展起来的。

压力服
压力服

  压力服的特点是,当它在充气加压时可呈拟人状态,人在其内全身可处于同一均匀的大气压力环境中。当航天员在舱内使用航天服时,必须将航天服与舱内环控生保系统连接使用,舱内航天服工作时应与舱内通风供氧装置连接,它的主要作用是在人体周围创造适宜人生存和工作的微小气候环境,用于防护低压环境对人体的危害,如有需要也可增加对高温、低温或有害气体环境对人体危害的防护作用,如果应急救生时间较长,根据需要也可配置尿收集装置,使航天服还具有收集和储存航天员尿液的功能。舱内航天服一般由航天头盔、压力服、通风和供氧软管、可脱戴的手套、靴子及一些附件组成。

  舱外航天服

  舱外航天服实际上是最小的载人航天器,是航天员走出航天器到舱外作业时必须穿戴的防护装备。舱外航天服大约重275磅,除了具有舱内航天服所有的功能外,还增加了防辐射、隔热、防微陨石、防紫外线等功能,在服装内增加了液冷系统(液冷服),以保持人体的热平衡,并配有背包式生命保障系统。

舱外航天服

  舱外航天服主要由外套、气密限制层、液冷通风服、头盔、手套、靴子和背包装置等组成,是一种多层次、多功能的个人防护装备。它的结构特点是:采用硬质的上躯干,上面装有双臂和生命保障系统组件,头盔与上躯干为一整体,不能跟随航天员头部运动,通过气密轴承和一个自由度的关节连接来保证四肢各关节的活动性能。有硬结构,也有软结构部分,是混合式结构,软的部分采用气囊和约束结构。

航空服

  外套是由多层防护材料组成的真空隔热屏蔽层,具有防辐射、隔热、防火、防微陨石的功能。气密限制层是舱外航天服最重要的部分,通常选用无毒性、重量轻、抗压强度高、伸长率小的织物和像胶材料制成,它的作用是保持服装气密,限制服装膨胀,使各大关节具有一定的活动度。液冷通风服穿在气密限制层内,在服装的躯干和四肢部位有网状分布的塑料细管,液体流过时可将热量带走。此外还装有通风管。

  头盔有两种,均通过颈圈与服装连接,一种是面窗可随意启闭,在应急减压时可自动或手动关闭并自锁;另一种是由聚碳酸酯模压成头形壳体,平时不戴,必要时戴上。头盔外还有防护罩和护目遮阳装置。手套、靴子与服装通过断接器连接,袜子和气密限制层连成一体,通常有3种型号供选用。

背包

  背包装置(舱外航天服的空调功能只是其众多功能中的一项),又被称为便携式生命保障系统,主要由氧源(气瓶)和供气调压组件、水升华器和水冷却循环装置、空气净化组件、通风组件、通信设备、应急供氧分系统、控制组件和电源、报警分系统、遥测分系统等组成。它能够为航天员提供呼吸用氧,并控制服装内的压力和温度,清除航天服内二氧化碳、臭味、湿气和微量污染。

  当航天员出舱活动时,将背包装置与舱外航天服配套使用,可以保证航天员在舱外活动长达8-9小时之久。当舱内生命保障系统发生故障时,也可为航天员提供应急生命保障。

  总结:不久之后,中国还将发射神舟九号以及搭载宇航员的神舟十号(“神八”与“神九”飞船都将没有航天员跟随上天,而神舟十号则载人),再与天宫一号对接,组装成一个能容纳三名宇航员工作和生活的空间站雏形。这将使中国成为继美国、俄罗斯之后第三个掌握空间交会对接技术的国家。可以在地球轨道上长期滞留工作的空间站,对于探索宇宙奥秘、造福人类有着重要意义,也希望应用于航空航天的高科技能够实现民用化,为我们的日常生活增添更多惬意。

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