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(wù)。

上海和晟 熱真空試驗艙

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。

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（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(yīng)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(yīng)，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。可見光輻射的能量最大，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(yīng)主要表現(xiàn)為光化學效應(yīng)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(yīng)和太陽光譜光化學效應(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(yīng)，可利用紫外輻照模擬器進行。

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（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，宇宙空間是一個完全“冷”和“黑”的空間。在這個冷黑環(huán)境中，物體發(fā)出的所有熱能被完全吸收，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，完全能夠滿足冷黑環(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。

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