太空中温度接近绝对零度!为何空间站不仅不保暖,还得主动散热?

之前看过一个网友提问,说太空温度这么低,那么咱们的空间站得花多少能量用于保暖,才能让航天员在上面生活呀?

这个问题很有意思,但是从根本上就有一个错误。就是空间站比起“保暖”,更该花心思的是“散热”。这就怪了,毕竟太空温度低是个人尽皆知的事实。这听起来不符合常理,但是这符合物理!

太空中温度接近绝对零度!为何空间站不仅不保暖,还得主动散热?

宇宙的温度究竟有多低?

我们居住在地球上,而地球上通常认为的冷,最多也就是零下十几度,最多零下几十度。有记载的最低温是1967年初,挪威人在极点站曾经记录到的零下94.5摄氏度。

然而对于太空来说,这都算高温了,太空的温度是接近绝对零度-273.15度的,虽然后来因为有了宇宙大爆炸的余温,让宇宙温度升高了一点,但也有零下270.4度左右。

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置身于这样的低温之下,可想而知人身体内的体液会被瞬间冻住,细胞也会瞬间停止活动,等于“死透”了。而咱们既然要上太空,就得在飞船船舱里保持人类适宜的温度。26度左右肯定要有,这是人类最舒服的温度。

26度和零下270度差了接近三百度。所以,按照正常思维来说这空间站保温应该是个很大的问题。但是,事情恰好相反。空间站不仅不需要保温或者加热。反而还需要散热降温。

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空间站为什么需要散热?

这个问题我们需要结合温度的定义来看。温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。

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要说明物体分子的热运动,我们来看一个很简单的实验。曾经有科学家,在一上一下两个大玻璃瓶中,灌满了不同的气体。且一瓶子里的气体有颜色,另一瓶里的空气没有颜色。并且下面瓶子里的气体密度更大。然后打开两个瓶子之间的隔断,然后通过颜色变化,发现两个瓶子空气开始混合,最后都变成了较浅的颜色。说明两瓶空气混合在了一起。

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这种现象就是分子热运动的体现,因为按照常理,下面瓶子里的气体密度更大的话,两者是不会相互融合的。并且温度越高,气体混合得就越快。液体和固体都存在这样的现象,但是由于运动比气体分子的剧烈程度低很多。所以不明显罢了。

所以,要形成温度。需要满足两个条件:

第一,需要有微观分子。体现在本篇文章中就是,宇宙几乎没有空气。

第二,还需要微观分子进行热运动。如果一堆分子处于静止状态,也是测不到温度的。

而宇宙是几乎没有微观分子的,所以飞船的热量并没有介质传递,热量也会一直在飞船上积累。所以,给飞船散热就成了一个棘手的问题。

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空间站如何散热?

目前,已知的散热方法有三种:热传递,热对流和热辐射,我们一个个来说。

首先是热传递。这也是在地球上散热的主要方式,指两个物体相互接触,热量会从高温物体传递到低温物体。热水袋就是通过这个原理让我们的双手暖和起来的,烧水也是同理。

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不过在太空,可以就此打住了。太空里接近真空,没有物体和空间站接触,所以你没有办法把热量散发到其他介质中。

其实我们的生活中就有个最简单的例子:保温杯。

其实这个名字有一定的歧义,看保温杯英文:Vacuum cup可能会更好理解一点。vacuum是真空的意思,直译过来就是真空杯的意思。

保温杯有两层金属壳,这两层之间需要尽可能抽成真空。水和外界的热量主要是通过热传递的方式传递的,让热量无法在这两层金属壳之间传递。也就能保证保温杯内的温度了。

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当然,抽成完全真空是不可能的,宇宙都不是真的真空,我们的技术就更做不到了。但是只要抽得足够“空”,保温效果就可以十分理想了。

所以类似的,和保温杯夹层里同样的真空也是太空的现状。所以不能传递热量。

除了热传递。热量还可以通过热对流的形式传递。

热对流主要是指流体之间,也就是空气和液体之间的流动,比如你把100度的水倒进10度的水里。同样因为宇宙是真空,别说流体,固体也没有!所以这方法也不能用。

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在疫情爆发后使用频繁的热成像仪

那么只能寄希望于热辐射了,只要存在温度的物体都会产生辐射,温度越高辐射强度越大。这也就是红外测温设备的原理,通过物体自身辐射的热辐射的高低,判断这个物体的温度。

而且,我们最熟悉的太阳,就是通过热辐射的形式将热量送达地球的。因为只有热辐射才能不受宇宙真空的影响,将热量送达地球。这也是地球上有着宜人的温度,但太阳和地球之间的太空仍然是极寒之地的原因。

而来自太阳的热辐射到达地球之后,经过大地的反射等过程,才“加热”了地球。

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利用了同样原理的还有微波炉,利用微波加热的电磁炉,就是通过辐射电磁波的形式,将热量均匀传递给食物。既避免了一部分热量浪费,而且微波炉加热的食物还非常均匀,不会出现外边很烫里面还没熟的情况。

不难看出,在没有空气这样流体的前提下,咱们的空间站就只能选择热辐射的方式来散热了。

空间站热量来源和散热原理

不过,这里我们还是得回归一下主题,就是太空中那么冷,那空间站中的“热”又是哪里来的呢?

空间站的热量主要还是来自于太阳,如果空间站转到面向太阳的一面,那么此时的温度可能会高达一百多度。而如果转到地球挡住太阳的另一面,那这个温度可能会骤降到零下100度。并且由于空间站转速快,相当于一天内要经历十几次日出,日落,温度变化十分剧烈。

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除此之外,飞船上的电子设备的发热也是热源之一。可不要小看这些电子设备,如果你有一台高性能的计算机,当你在玩配置很高的游戏的时候,你可以把手伸到机箱后面试试吹出来的热风。而空间站的计算机发热量比起家用电脑,只能说是有过之而无不及。

最后,航天员也会因为自身的体温散发热量。空间站的热量来源大致就来源于这三部分。

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不过不用担心,现在的空间站上已经配备了相当完善的温度控制系统。

目前可以把空间站的散热系统分为两种,分别是主动温度控制和被动温度控制。

主动热控制系统的作用是“散热”,也叫ATCS,主要由闭环管道组成,通过制冷液——液氨,来将空间站产生的废热带到外部的光伏散热器板上。

光伏散热器板展开时可是有高3.12米,长达13.6米,再利用我们上文提到的热辐射原理,将热量散发到太空之中,这样一来,空间站的温度就保持住了。

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这里还有个问题,就是在太空的极低温下,难道不是会冻住所有的液体吗?这里就要提到液氨的妙处了。液氨的结冰温度比水低得多,达到了零下77摄氏度,所以在空间站外短暂地通过一下,也不至于像水那样快速结冰。

不过以上只是国际空间站主冷却回路的用法,不同国家的舱段,也有使用不同散热剂的情况,如空间站美国舱段内部中温和低温回路,冷却剂为都为水,但温度不同;俄罗斯舱段内部回路,冷却剂为三醇溶液;俄国舱段外部回路,则使用了聚甲基硅氧烷;日本舱段则使用了氟化物。

太空中温度接近绝对零度!为何空间站不仅不保暖,还得主动散热?

红色为主冷却回路,蓝色为美国舱段,黄色为俄罗斯舱段,橙色为日本舱段

而被动温度控制,简单来说就是“隔热”

空间站的舱体都有一层多层隔热层(MLI)的高反射层,该反射层它是由铝化聚酯薄膜和涤纶制成。除了少数的舷窗和舱门之外,都有覆盖。

这些材料可以保证将大部分太阳照射反射,从而将热量隔绝在外,从而保持舱内的温度适合宇航员生活,并且设备能正常运转。并且这层高反射层也负责在空间站飞行到地球的背面时,保护宇航员不受低温影响。

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红圈内为国际空间站散热片

人类上太空,等同于断开自己一直以来连着的“根”,进入了一个陌生又危险的环境当中,但是在现代科技的保护下,我们可以期盼着人类走得更远。

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投稿时间:2022-05-13  最后更新:2022-05-13

标签:空间站   热辐射   温度   绝对零度   保温杯   零下   保暖   热量   物体   太空   真空   宇宙   主动

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