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真空,、輻射、冷黑——航天空間環(huán)境模擬
浩瀚無垠的太空對人類來說既熟悉又陌生,。熟悉,，是因為載人航天活動已經(jīng)開展了幾十年，人進入太空已有數(shù)百次了,；陌生,，是因為太空環(huán)境如此復雜，以至于每次載人航天活動,，仍充滿著無數(shù)變數(shù)和巨大風險,。面對復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和訓練準備，才能圓滿完成載人航天飛行任務,。
地面試驗和訓練離不開模擬技術(shù),、模擬設(shè)備。要了解模擬技術(shù)和模擬設(shè)備,，首先要認識載人航天環(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。
在進行航天器和艙外航天服空間環(huán)境熱模擬試驗（主要是熱真空試驗和熱平衡試驗）時,，關(guān)注的問題主要是真空環(huán)境對試件熱特性的影響,。真空度達到10-2帕以上時，輻射傳熱已經(jīng)成為主要的傳熱形式,，對流和傳導傳熱的效應已經(jīng)可以忽略,。因此，空間模擬設(shè)備模擬的真空度達到10-3帕數(shù)量級,，已經(jīng)能夠較為真實地模擬航天器飛行軌道真空環(huán)境的熱交換效應,，不必追求更高的真空度。只有一些特殊的試驗,，如真空干摩擦和冷焊試驗等,，才需要提供更高真空度的試驗設(shè)備。
（2）太陽輻照環(huán)境及模擬
太陽每時每刻都在向宇宙空間輻射巨大的能量,，太陽光的波長覆蓋從10-14米（γ射線）到104米（無線電波）的寬闊區(qū)域,，不同波長的太陽光，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：來自太陽可見光和紅外輻射的能量、地球反射太陽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,。波長小于300納米的紫外線,，輻射能量雖然只占太陽總輻射能量的極小部分，但會使材料表面的光學性能發(fā)生很大的變化,。紫外輻射效應主要表現(xiàn)為光化學效應和光量子作用,。
太陽輻射模擬試驗可以模擬太陽輻射環(huán)境對航天器和艙外航天服產(chǎn)生的太陽光譜熱效應和太陽光譜光化學效應,。如果僅模擬熱效應，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雜的試件,，宜采用太陽模擬法,；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)境的光化學效應，可利用紫外輻照模擬器進行,。
（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,。當沒有太陽輻照時,，宇宙空間是一個*“冷”和“黑”的空間。在這個冷黑環(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)境中進行充分的熱真空和熱平衡試驗，驗證其熱設(shè)計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,，世界各航天國家均采用這種以液氮作冷源的熱沉來模擬空間冷黑環(huán)境，因為熱分析理論計算和試驗數(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)境模擬試驗的要求,。另外,，追求更低的溫度是不必要的,，而且會大大增加技術(shù)難度和模擬設(shè)備的投資。