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炎炎夏日人們都喜歡鉆進空調(diào)房躲避酷暑，暢游星河的航天器同樣需要時刻注意溫度的調(diào)節(jié)，也因此我們可以看到外貌形色各異的航天器。 隨著祝融號星球車成功登陸火星并展開巡視探測，我國已經(jīng)成為全球唯一同時在兩個地外天體部署星球車的國家，另一輛是正在月球背面巡視探測的玉兔二號月球車。
祝融號火星車（左）與玉兔二號月球車（右） 細(xì)心的觀眾發(fā)現(xiàn)，這兩輛星球車的外觀顏色有很大的差異，祝融號火星車身披金光閃閃的外衣，而玉兔二號月球車則是銀光四射。這是因為 兩輛星球車所處的天體環(huán)境溫度不同，因而對熱控有著不同的需求。 玉兔二號所處的月球，由于沒有大氣層，月午溫度最高可達160攝氏度，為應(yīng)對月球的極高溫環(huán)境，玉兔二號月球車配置的是 “鍍銀涂層聚酰亞胺膜”，可以最大限度反射太陽光，減少熱量的吸收。
玉兔二號月球車 祝融號所處的火星雖然帶了一個火字，然實際上一年四季大部分時間都是低溫環(huán)境，夏季最高溫也只有20多攝氏度，所以配置的是 減少漏熱低紅外發(fā)射率的“鍍金涂層聚酰亞胺膜”。
分離相機拍攝的祝融號火星車 聚酰亞胺膜是一種高分子材料，有著優(yōu)異的抗拉強度與隔熱能力，材料密度只有鋼材的約七分之一，抗拉強度卻是后者的數(shù)倍，同時耐受溫區(qū)在零下兩百多攝氏度至三百多攝氏度之間，熱分解溫度可達五六百攝氏度，它的誕生被認(rèn)為是人類進軍太空的一項技術(shù)里程碑意義的事件，還可以根據(jù)不同任務(wù)制備出各種工藝方案的隔熱產(chǎn)品。
高分三號02星也被鍍金涂層聚酰亞胺膜包裹著 不過， 航天器熱控如果僅僅依靠聚酰亞胺膜也是不夠的。玉兔二號所處的月球，夜晚溫度可低至零下190攝氏度，但是這輛星球車卻不怕冷，因為它配置有同位素?zé)嵩矗簿褪呛藷嵩?，可以實現(xiàn)熱量的平衡。
玉兔二號月球車車體尾部的同位素?zé)嵩?/strong> 與之對比，祝融號所處的火星，雖然夜晚時間沒有月球長，溫度也沒有月球低，但是祝融號相對而言卻更怕冷。 祝融號沒有配置同位素?zé)嵩?，完全依靠太陽能進行熱量控制，因此配置了高效率的集熱窗，這是一種由正十一烷物質(zhì)制備的相變儲能設(shè)備，晝間融化吸熱，夜間凝固放熱，能量利用效率可達80%以上。 祝融號火星車集熱窗 熱量供應(yīng)問題解決了，那么剩下的就是解決如何保存熱量。 火星不同于月球，前者是有大氣的，盡管它的大氣不像地球那樣宜居，而是富含二氧化碳，但依舊存在空氣對流現(xiàn)象，普通航天器的熱控材料放在火星大氣環(huán)境中，其隔熱性能會大幅下降，因此需要因地制宜的研制導(dǎo)熱系數(shù)更低的被動隔熱材料。 科學(xué)家們?yōu)樽Ｈ谔柣鹦擒囇兄屏艘环N導(dǎo)熱系數(shù)極低且能阻隔空氣對流換熱的 “納米氣凝膠隔熱材料”，這種材料是利用自身孔徑尺寸小于空氣分子實現(xiàn)阻隔空氣對流，同時又有著重量輕、隔熱性能優(yōu)異的諸多技術(shù)優(yōu)勢。 祝融號火星車納米氣凝膠隔熱裝置 祝融號火星車在火星車頂板、側(cè)板、底板、鞍形件朝向艙內(nèi)一側(cè)，通過膠結(jié)方式安裝了多塊納米氣凝膠隔熱材料，同時輔以低發(fā)射率的單面鍍金聚酰亞胺膜，減小火星車內(nèi)高溫設(shè)備與納米氣凝膠隔熱材料的輻射換熱，整套隔熱材料的重量僅有5.59公斤，占火星車總重的2.5%。 NASA的勇氣號與機遇號也配置有納米氣凝膠隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)是0.012W（m·K），而祝融號火星車納米氣凝膠隔熱系數(shù)則是0.008（m·K），被動熱控性能大幅提升，火星車即便沒有任何外部熱源，也可以保持艙內(nèi)設(shè)備相對健康的狀態(tài)。 我國第一輛火星車祝融號多項指標(biāo)超越了NASA的機遇號與勇氣號 熱量控制是航天器的生命線，溫度高了不行，溫度低了也不行。比如人類第一個抵近太陽的帕克探測器，面向太陽一側(cè)的溫度高達1370攝氏度，需要防熱盾來隔離高溫，而僅依靠防熱盾也不行，還需要姿態(tài)控制加以配合，如果防熱盾另一側(cè)的航天器主體稍有不慎暴露在太陽面前，只需數(shù)十秒即可報廢整個探測器。 帕克太陽探測器 再比如，嫦娥三號與嫦娥四號著陸器變推力發(fā)動機噴管周圍的設(shè)備需要耐受的溫度甚至比帕克探測器防熱盾耐受的溫度更高，達到了1450攝氏度，為此專門配置了特制的多層隔熱群。 圖中大噴管便是嫦娥三號著陸器7500N變推力發(fā)動機噴管 就航天器熱控系統(tǒng)而言，沒有哪種方法可以包打天下，都是需要因地制宜，需要多種技術(shù)手段配合工作。 天問一號進入艙外表面是低吸收低反射熱控涂層，外觀顏色是銀色，此種材料還應(yīng)用在了神舟載人飛船返回艙上，環(huán)繞器則是鍍金聚酰亞胺膜，祝融號火星車則又是聚酰亞胺膜與納米氣凝膠，外加高效率集熱窗。
天問一號探測器整器合影 可以說，我國航天已經(jīng)掌握了門類齊全的熱控技術(shù)手段，為未來走向更為深遠的太空，承擔(dān)更為復(fù)雜的空間探測任務(wù)打下了堅實基礎(chǔ)。 |
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