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真空,、輻射、冷黑——航天空間環(huán)境模擬
浩瀚無(wú)垠的太空對(duì)人類來(lái)說既熟悉又陌生,。熟悉,，是因?yàn)檩d人航天活動(dòng)已經(jīng)開展了幾十年，人進(jìn)入太空已有數(shù)百次了,；陌生,，是因?yàn)樘窄h(huán)境如此復(fù)雜，以至于每次載人航天活動(dòng),，仍充滿著無(wú)數(shù)變數(shù)和巨大風(fēng)險(xiǎn),。面對(duì)復(fù)雜多變的載人航天環(huán)境，航天員只有在地面作好充分試驗(yàn)和訓(xùn)練準(zhǔn)備,，才能圓滿完成載人航天飛行任務(wù),。
地面試驗(yàn)和訓(xùn)練離不開模擬技術(shù),、模擬設(shè)備。要了解模擬技術(shù)和模擬設(shè)備,，首先要認(rèn)識(shí)載人航天環(huán)境,。
（1）真空環(huán)境及模擬
在載人航天器所處的500千米軌道高度上，空間真空度為10-6帕左右,；在1 000千米的軌道高度上,，空間真空度為10-8帕左右。
在進(jìn)行航天器和艙外航天服空間環(huán)境熱模擬試驗(yàn)（主要是熱真空試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)）時(shí),，關(guān)注的問題主要是真空環(huán)境對(duì)試件熱特性的影響,。真空度達(dá)到10-2帕以上時(shí)，輻射傳熱已經(jīng)成為主要的傳熱形式,，對(duì)流和傳導(dǎo)傳熱的效應(yīng)已經(jīng)可以忽略,。因此，空間模擬設(shè)備模擬的真空度達(dá)到10-3帕數(shù)量級(jí),，已經(jīng)能夠較為真實(shí)地模擬航天器飛行軌道真空環(huán)境的熱交換效應(yīng),，不必追求更高的真空度。只有一些特殊的試驗(yàn),，如真空干摩擦和冷焊試驗(yàn)等,，才需要提供更高真空度的試驗(yàn)設(shè)備。
（2）太陽(yáng)輻照環(huán)境及模擬
太陽(yáng)每時(shí)每刻都在向宇宙空間輻射巨大的能量,，太陽(yáng)光的波長(zhǎng)覆蓋從10-14米（γ射線）到104米（無(wú)線電波）的寬闊區(qū)域,，不同波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，輻射的能量也不同,?？梢姽廨椛涞哪芰縵ui大，可見光和紅外光的輻射能量占太陽(yáng)總輻射能量的90%以上,。
在軌道飛行中,，航天器和艙外航天服主要接受三部分輻射能量：來(lái)自太陽(yáng)可見光和紅外輻射的能量、地球反射太陽(yáng)輻射的能量和地球大氣的熱輻射能量,。航天器和艙外航天服吸收的這些能量影響其溫度及分布，吸收能量的大小取決于其結(jié)構(gòu)外形,、表面材料特性和飛行軌道,。波長(zhǎng)小于300納米的紫外線，輻射能量雖然只占太陽(yáng)總輻射能量的極小部分,，但會(huì)使材料表面的光學(xué)性能發(fā)生很大的變化,。紫外輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)為光化學(xué)效應(yīng)和光量子作用。
太陽(yáng)輻射模擬試驗(yàn)可以模擬太陽(yáng)輻射環(huán)境對(duì)航天器和艙外航天服產(chǎn)生的太陽(yáng)光譜熱效應(yīng)和太陽(yáng)光譜光化學(xué)效應(yīng),。如果僅模擬熱效應(yīng),，則稱為空間外熱流模擬,。模擬空間外熱流有兩種方法，一類是入射流模擬法,也稱為太陽(yáng)模擬法,；另一類是吸收熱流模擬法,，又稱紅外模擬法。一般外形和表面材料形狀復(fù)雜的試件,，宜采用太陽(yáng)模擬法,；外形規(guī)則，表面材料形狀單一的試件,，則可采用紅外模擬法,。如果需要模擬紫外輻照環(huán)境的光化學(xué)效應(yīng)，可利用紫外輻照模擬器進(jìn)行,。
（3）空間冷黑環(huán)境及模擬
宇宙空間冷黑環(huán)境的等效溫度約為3K,，熱吸收率為1，可以看作是沒有熱輻射和熱反射的理想黑體,。當(dāng)沒有太陽(yáng)輻照時(shí),，宇宙空間是一個(gè)*“冷”和“黑”的空間。在這個(gè)冷黑環(huán)境中,，物體發(fā)出的所有熱能被*吸收,，因此也被稱為熱沉環(huán)境。冷黑環(huán)境對(duì)航天器和艙外航天服的熱性能有極大的影響,，研制航天器和艙外航天服,，必須在模擬的冷黑環(huán)境中進(jìn)行充分的熱真空和熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證其熱設(shè)計(jì)和熱性能是否滿足要求,。
為了模擬空間冷黑環(huán)境,，通常使用鋁、銅或不銹鋼材料制成的構(gòu)件,，將其內(nèi)表面涂上高吸收率的特制黑漆,，并將液氮通入構(gòu)件內(nèi)部，這種裝置稱為熱沉,。目前,，世界各航天國(guó)家均采用這種以液氮作冷源的熱沉來(lái)模擬空間冷黑環(huán)境，因?yàn)闊岱治隼碚撚?jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,，用77K液氮溫度和吸收率為0.9以上的熱沉來(lái)模擬空間冷黑環(huán)境,，模擬誤差僅為1%左右，完夠滿足冷黑環(huán)境模擬試驗(yàn)的要求,。另外,，追求更低的溫度是不必要的，而且會(huì)大大增加技術(shù)難度和模擬設(shè)備的投資。