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科學探秘：在平均溫度零下270℃的寒冷太空，空間站為何還怕熱？

來源：科學觀世界頭條號

發布時間：2021-05-18

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科學探秘：在平均溫度零下270℃的寒冷太空，空間站為何還怕熱？
在4月29日，我國長征五號B二運載火箭搭載著空間站的“天和”核心艙發射成功，天和核心艙重達22.5噸，內部容積達到了近50立方米，未來我國還將對該空間站進一步擴展，其中包括兩個實驗艙，那時我國“天宮”空間站將化身稱為國家級“太空實驗室”。那麽談到空間站，我們再來了解一個空間站中常被人忽略，甚至被很多人認為是一個“反常識”的問題，那就是空間站是如何散熱的？

什麽？空間站還需散熱？這肯定是很多人對這個問題的第一反應，畢竟我們都知道太空中是極其寒冷的，平均溫度為零下270.3攝氏度，僅比絕對零度高了不到3攝氏度，在這麽寒冷的條件下，能夠保持溫度就不錯了，為何空間站卻還要增加散熱？

要弄明白這個問題，首先我們要弄清楚熱量是如何傳遞的。

熱量是如何傳遞的？

我們平時所理解的溫度就是物體的冷熱程度，但冷熱程度隻是我們所感受到的一個外在表現，要了解溫度的本質，我們還得從微觀層麵進行分析。從微觀上來講，溫度實際上是物體分子熱運動的劇烈程度，是物體分子運動平均動能的標誌。我們知道，任何物體中的分子或原子都在不停地無規則運動，分子運動愈快，即溫度愈高，物體愈熱；分子運動愈慢，即溫度愈低，物體愈冷。

當一個低溫物體與高溫物體接觸時，高溫與低溫物體中的粒子之間將會相互碰撞，由於高溫物體中內部微觀粒子平動能更大，則該物體粒子的動能便會傳遞給低溫物體中的粒子，導致低溫物體中粒子平動能增大，從而使低溫物體溫度升高，這也便是熱量的傳導過程。當然熱量的傳遞並不隻有這一種，還包括熱對流以及熱傳導，一共三種方式。

熱對流這種熱量傳遞方式僅發生在液體和氣體中，由於流體中的分子同時進行著不規則的熱運動，因此對流必然伴隨著導熱。熱傳導與熱對流都有著一個共同的特點，就是隻發生在相互接觸的物體之間，而熱輻射與這兩種傳導方式明顯不同，熱輻射可以“隔空”進行傳遞。
世界上一切高於絕對零度的物體都會不停地向外部持續發出輻射，也就是發出電磁波，人體也是一樣，我們時時刻刻都在向外輻射著紅外線電磁波，而電磁波的傳遞並不需要介質，因此通過熱輻射傳遞能量可以在真空中進行，自然界中各個物體都不停地向空間發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射，形成一個動態變化。

黑暗環境下通過檢測物體輻射出的紅外線進行成像

這三種傳熱方式相比，通常熱傳導以及熱對流的傳熱效率較高，而熱輻射效率較低，散熱過程更為緩慢，例如我們用雙層的真空保溫杯裝入熱水時，相當於切斷了熱水通過熱傳導進行散熱（當然實際情況還是無法做到完全隔絕），因此保溫時間變得很長。

空間站中的散熱係統

在太空由於處於真空環境，因此空間站無法通過熱傳導和熱對流與外界交換能量，隻能通過熱輻射，而熱輻射散熱的速度很慢，空間站中又有大量設備運行不斷地產生熱量，因此空間站必須要考慮散熱問題，目前的做法是通過增加大量的散熱片向外輻射能量從而對設備進行降溫，同時配合冷卻劑循環係統對熱量進行轉移。

國際空間站中的散熱片

根據設備需求的不同，冷卻劑種類也不一樣，常用的冷卻液包括氨水以及氟化物等，如下圖不同顏色的標記為空間站中不同的循環冷卻係統。

在增加空間站散熱的同時，空間站還會在設備表麵采用特殊材料包裹，這些材料具有較高的輻射反射率，能夠減少對太陽輻射的吸收，同時還具有較好的隔熱性能，能盡量減少熱量向內部傳導。實際上空間站的整個溫度控製係統十分複雜，設備姿勢的改變，以及位置的變化都會影響到熱量的平衡，因此需要根據實際情況進行不斷調整，將吸收與輻射能量保持在平衡的狀態，這樣空間站內部才能一直保持恒定的溫度，讓航天員長期駐留。

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