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穿越冰天火海,飞船没有这件“保温衣”可不行

少儿编程网2019-07-11 10:58:27科普文章 人已围观 来源:科普中国

简介入春以来  北京天气忽冷忽热  大家是否也是在羽绒服和小短袖之间来回切换  每天为穿什么而纠结呢?  最近,小编发现有这么一件“衣服”,  能够一劳永逸地解决温度变化问题,  想不想拥有一件?  400℃的温差又如何?  这件衣服其实是穿在飞船身上的“保温衣”,有了它,对抗400℃的温差都不是事。  飞船在轨飞行的过程中,受到日照等环境因素的影响,会遭遇巨大的外部温差变化,由于飞船轨道舱和推进舱的

入春以来

北京天气忽冷忽热

大家是否也是在羽绒服和小短袖之间来回切换

每天为穿什么而纠结呢?

最近,小编发现有这么一件“衣服”,

能够一劳永逸地解决温度变化问题,

想不想拥有一件?

400℃的温差又如何?

这件衣服其实是穿在飞船身上的“保温衣”,有了它,对抗400℃的温差都不是事。

飞船在轨飞行的过程中,受到日照等环境因素的影响,会遭遇巨大的外部温差变化,由于飞船轨道舱和推进舱的外壳均为金属材料,这种金属材料的导热性能是非常好的,如果直接裸露在外的话,其壳温会随着环境温度的改变在-200~200℃之间剧烈变化,简直是冰火两重天。

正在受日光照射的神舟飞船

如果不采取措施,飞船内部温度也会随着壳温的改变发生变化。我们知道飞船里面装有各种实验仪器和设备,如果是载人飞船,还必须考虑有执行任务的航天员在舱内,这种温度的改变,显然不是他们所能够承受的。

航天员杨利伟在神舟五号飞船中

为了解决这个问题,科研工作者给飞船穿上了“保温衣”,“保温衣”由多层隔热材料制成。材料的导热性能可以用当量导热系数来表征,比如,建筑中常用的保温砖的当量导热系数一般为0.2~1.2W/(m·℃)。理论上,当量导热系数越低,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·℃)的量级,也就是说,穿上这件“保温衣”,就能在很大程度上减少飞船与外部环境的热传递了。

科研人员正在为航天器的后盖和隔热板上缝合隔热材料

怎么样,这件“衣服”是不是很诱人,如果能够拥有一件这样材质的衣服,温度从此就不能限制我们的脚步了,想要去夏威夷,还是南北极,穿上它说走就走。

太空版“金缕衣”?

“保温衣”由多层隔热材料制成,正如材料的名称一样,这种材料是由多层反射屏和间隔层叠合在一起的组合材料。而令人不可思议的是,多层隔热材料的组成材料中居然有金、银和丝绸。

多层隔热材料的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,其表面辐射率一般为0.02~0.04(表面辐射率是指物体表面辐射热量能力的系数,其值在0和1之间,其值越小,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。这件“保温衣”由这么多名贵的材料制成,真是堪比金缕衣了。此外,多层隔热材料的层数可以根据需要进行选择,各层之间为真空,其隔热效果与隔热屏的层数及表面辐射率有关,隔热屏层数越多,表面辐射率越低,其隔热效果越好。

多层隔热材料组成结构示意图

小编曾经以为唐诗中描写的金缕衣只存在于历史和电视剧中,没想到飞船的这件“保温衣”也堪比金缕衣,不难想象,这件“保温衣”一定价值不菲。

原来是个高定的暖水瓶!

“保温衣”的组成材料是不是有点高大上,但它的隔热原理可是很接地气呢,竟和暖水瓶一样?!多层隔热材料和暖水瓶都利用了真空隔热保温的原理。

以暖水瓶为例,暖瓶为两层结构,反射屏为镀银的玻璃,中间抽成了真空。而如果暖水瓶不能保温,其原因大都是因为瓶底封闭的抽气孔破了,玻璃夹层中进入了空气。同样的,对多层隔热材料来说,真空也是它具有隔热效果的必要条件之一。不一样的是,暖水瓶的抽气孔易碎,因而要注意保存。多层隔热材料却没有这么脆弱,科研工作者还故意在多层隔热材料上打上很多小孔,这又是为了什么呢?

其实这是因为,太空中为真空环境,飞船在轨运行中由于受到压强的作用,多层隔热材料内部的空气就会自动扩散到太空中,其内部自然也就形成真空了,这样是比较经济、安全的选择。

太空中为真空环境

给飞船穿上“保温衣”后,飞船内部温度就不会遭遇冰火两重天的变化了,但“保温衣”在杜绝飞船外部温度影响的同时,也使得飞船内部多余的热量无法通过舱壁散发出去,这是很大的安全隐患。为了解决这一问题,科研工作者们为飞船配备了“专用空调”,在航天器热控制领域,空调系统的专业名称是主动流体回路系统。

在轨飞行的神舟飞船

飞船的流体回路由外循环回路和内循环回路两部分组成,通过内外循环回路的连续工作,就能使舱内外吸收和散热达到平衡,满足航天员、仪器设备与结构部件对温度的要求。

“保温衣”和“空调”协同工作,飞船的保温和散热问题就都迎刃而解了,飞船可以放心地开始飞天之旅了,如此,才算完美!

怎么样,这件能够一劳永逸地解决温度变化问题的“衣服”有吸引到你吗?如果有这种材质的衣服,有没有想迫不及待拥有的冲动呢?希望科研工作者们能早日研发出来,小编已经望眼欲穿啦!

参考文献/《中国载人航天科普丛书·巡天神舟》

文/贾冰玉

编辑/杨斯爽、贾冰玉

审校/杨洁


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