真空、輻射、冷黑——航天空間環境模擬

　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開展了幾十年，人進入太空已有數百次了；陌生，是因為太空環境如此復雜，以至于每次載人航天活動，仍充滿著無數變數和巨大風險。面對復雜多變的載人航天環境，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、模擬設備。要了解模擬技術和模擬設備，首先要認識載人航天環境。

　　（1）真空環境及模擬

　　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境熱模擬試驗（主要是熱真空試驗和熱平衡試驗）時，關注的問題主要是真空環境對試件熱特性的影響。真空度達到10-2帕以上時，輻射傳熱已經成為主要的傳熱形式，對流和傳導傳熱的效應已經可以忽略。因此，空間模擬設備模擬的真空度達到10-3帕數量級，已經能夠較為真實地模擬航天器飛行軌道真空環境的熱交換效應，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備。

　　（2）太陽輻照環境及模擬

　　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）的寬闊區域，不同波長的太陽光，輻射的能量也不同。可見光輻射的能量zui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構外形、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生很大的變化。紫外輻射效應主要表現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境對航天器和艙外航天服產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）空間冷黑環境及模擬

　　宇宙空間冷黑環境的等效溫度約為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。在這個冷黑環境中，物體發出的所有熱能被*吸收，因此也被稱為熱沉環境。冷黑環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境中進行充分的熱真空和熱平衡試驗，驗證其熱設計和熱性能是否滿足要求。

　　為了模擬空間冷黑環境，通常使用鋁、銅或不銹鋼材料制成的構件，將其內表面涂上高吸收率的特制黑漆，并將液氮通入構件內部，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境，因為熱分析理論計算和試驗數據分析表明，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境，模擬誤差僅為1%左右，完夠滿足冷黑環境模擬試驗的要求。另外，追求更低的溫度是不必要的，而且會大大增加技術難度和模擬設備的投資。