随着航天技术的发展,不断有宇航员进入太空中,甚至在很多年前,人类还建立了国际空间站,在宇宙探索的道路上迈出了极大一步。
国际空间站
然而我们在看有关的影像或者资料时,会发现一些奇怪的事情,比如说宇航员要在空间站外面穿着厚厚的宇航服,但是在空间站内部,却穿的较为单薄。
空间站是怎么供热的,居然能将站内的热量维持在人体恰好适应的范围?供热技术怕是不比造火箭简单的多吧?
而真实情况却让人跌掉眼镜,因为,空间站不仅不需要怎么发愁供热,甚至还需要想尽办法散热!
这是怎么回事呢?我们接下来从以下几个方面来进行了解。
宇航员王亚平在太空舱内穿着较为休闲单薄
宇宙的温度
我们都知道,宇宙很冷,大概在零下270摄氏度,却不知道为什么太空这么寒冷,我们先来讲讲原因。
温度是什么呢?
温度要想存在,离不开两个因素,一个是物质本身,一个则是物质本身的运动。
另外,从宏观层面上来说,温度就是物体的冷热程度,从微观上来说,温度的产生其实是由于分子的运动。
分子热运动示意图,也被称为布朗运动
分子运动的越快,物质的温度就越高,同样的,分子运动的越慢,物质也就越冷,这也是为什么人们在运动的时候会感觉热,长时间不动则会感觉到冷。
总的来说,物质是温度存在的基础,运动是温度产生的条件,速度则决定了温度的高低。
那么宇宙为什么那么冷呢?宇宙内的天体不也在运动吗?
温度是物体分子间平均动能的表现
我们都知道宇宙很大,但是也很空,动辄距离就是以光年计算的。
宇宙有多空呢?根据科学家计算的宇宙微波背景辐射数据,我们可以知道宇宙中一立方米的空间大概只存在一个原子。
一个原子能产生多少的热量呢?
因此在太空中,宇宙的温度可以低至零下270摄氏度,仅仅比绝对零度高了一点点而已——绝对零度为零下273.15摄氏度。
目前发现宇宙最冷的地方布莫让星云,温度为−272.15°C
在绝对零度的情况下,所有的粒子都会停止运动,势能和动能、内能皆为0,不会发生任何的能量转化。
由于宇宙内存在的天体还在运动,因此自然不可能达到绝对零度的温度,但也没有高出来多少。
绝对零度概念图
如此对比之下,大概就知道宇宙中的温度到底是有多么的冷了,那么在宇宙中航行的太空站是如何保障站内温度的?会不会一不留神太空站内就变成了冰窟窿呢?
就像是影片《太空救援》中出现的情节,苏联的礼炮七号空间站意外出故障,导致站内成了冰雪的世界,现实中会出现这种情况吗?
《太空救援》:空间站内结满了冰
来自太阳的温度可以保障空间站源源不断的热量供应吗?
位于太阳和地球之间的区域,为什么不能像地球一样接收来自太阳的热量呢?
那样的话,绕着地球运行的空间站就可以像是在地球上一样了,不用担心会不会冻死的问题。
我们接下来说说这些问题的答案。
光太阳表层的温度就高达五千八百开尔文
温度的传递
我们都知道,地球的温度与太阳息息相关,太阳为地球提供了一大部分的热量,那么为什么太阳到地球的这一部分空间却如此寒冷没有温度呢?这就要谈到温度的传递方式了。
温度的传递本质上是能量在物质之间的传递,主要方式有三种,分别是热传导、热对流和热辐射。
热传递的三种形式
热传导是我们生活中最常见到的温度传递方式,在影视剧中,我们也经常看到这一幕,一个铁匠将烧红的铁放入到了冷水中,铁就冷却下来了;又或者冬天时候,我们拿着热水袋,可以将手焐热,雪花掉在掌心马上就会化作水;在夏天,冰冷的雪糕放在地上很快就会融化……
这些都是热传导,热传导其实就是不同物质之间通过接触进行的热量传递,但是在真空中却无法进行热传导,因为热传导需要介质,而宇宙却是真空环境。
热传导示意图
我们平时使用的热水杯就利用了这个原理,将夹层中间抽成了真空环境,这样就可以阻断热量传播了,保证水温可以在较长时间内处于一个温度下。
既然如此,那么达到地球的太阳热量自然不会是通过这一种方式,空间站也无法通过热传导来获得热量。那么热对流呢?
保温杯的构造图
热对流是指两种具有不同温度的流体通过运动,导致双方相互融合从而产生的热量传递,主要是气体和液体的热量传递方式。
比如将手放在一杯刚泡好的滚烫的茶水上方,可以感受到烫热的温度,还有天地间的风,正是由于冷热气流交汇产生的。
热对流概念图
其实热对流也需要介质,既然需要介质,宇宙中自然也不会存在这种热量传递,就剩下热辐射了。
热辐射是指具有温度的物体自身向外发射能量的温度传递方式,它不需要借助媒介就能进行,通常是以电磁辐射的形式发出能量,温度的高低和辐射的强弱呈正比。
太阳热辐射示意图
我们生活中也存在不少的热辐射例子,比如我们围着火炉烤火的时候,就会感觉很暖和,其实就是火堆通过释放自身能量,帮助我们升高了体温。
太阳的热量正是通过这样的方式传递到地球上的,由于太阳到地球之间的区域没有任何物质存在,因此这片区域自然不可能是有温度的。
太阳辐射波谱(地球)
太空站必须散热
在航天领域内,如何对那些卫星、空间站、飞船等进行温度控制是个让人不得不谨慎考虑的问题。
目前,在宇宙中运行的各种宇航器的热量来源主要有两种,一种来自太阳产生的热辐射,另外一种则是宇航器内部各种系统运作过程中产生的热量。
由温度产生的条件我们可以知道,在航天器这个密闭的空间里,许许多多的仪器正在工作着,自然会产生许多热量,而太阳的热辐射方式,虽然不能温暖太阳到地球这一区域,但是为航天器供暖还是可以的。
空间站中仪器众多
空间站自然也不例外,站内的热量供应也是来自这两方面,两种热量在空间站内集聚,而空间站却无法通过热传导、热对流等方式散热,热辐射的方式又很缓慢,因此慢慢的,空间站内的温度会越来越高。
在这种情况下,空间站如果不进行散热,恐怕会导致内部仪器起火或者出现故障,严重的话甚至会导致坠毁。
空间站的内部设施
因此,科学家不仅没有在维持空间站供暖方面下足心思,反而在散热方面绞尽脑汁,想尽办法让空间站内多余的热量传递出去。
到目前为止,航天器还没出现过类似的事故,那就说明科学家已经解决了这个难题,那么他们到底是采用了什么技术呢?
中国载人空间站天宫
由于空间站在太空中只能选择热辐射这一种热量散失方式,因此科学家便研发了一种热辐射散热装置——散热片。
当空间站温度超过一定阈值的时候,冷却系统就会利用水或者空气将这些热量传递给散热片,再由散热片以热辐射的方式将温度传递到冰冷的太空中,这样空间站就可以维持着一定的温度了。
这也是为什么空间站内的宇航员穿着并不是厚重,而是较为单薄的原因。
在外部贴上了科研人员特制的多层隔热层
不过由于散热片的技术属于机密,因此在很多航天器上的散热片都被隐藏起来了,我们看不到有关散热片的装置。
如果我们仔细比对过国际空间站的不同照片,那么我们会发现空间站有两种不同的电板,没有颜色或者是白色的电板其实就是国际空间站的散热片,有颜色的其实才是太阳能电池板。
国际空间站上的散热板示意图
随着科技的发展,我们有理由相信,科学家一定可以研发出更好的散热装置,有效降低空间站或者其它航天器的温度控制问题。