中國人造地球衛星在太空會不會被凍壞？

人造地球衛星在太空環境中運行過程中，會遇到高溫和低溫兩種環境。因為太陽是一個巨大的熱源，在太空的真空環境中又沒有傳導與對流散熱，所以在太陽直接照射人造地球衛星時，如果不加防護，溫度可達100°C以上；但當人造地球衛星進入地球陰影區時，溫度又會低於—100°C以下。

顯而易見，人造地球衛星內的各種儀器設備不可能在如此大的溫差環境中正常工作。另外，地球的太陽光反射和紅外低溫輻射也會影響衛星溫度；人造地球衛星內的儀器設備工作時還要向外散發熱量。為此，中國人造地球衛星都有熱控制（或叫溫度控制）分系統，把衛星內溫度控制在儀器設備可以正常工作的溫度範圍內。

人造地球衛星的熱控制就是通過控制衛星內外的熱交換，使星體各部位及星上儀器設備在整個飛行任務期間都處於正常工作的溫度範圍內。一般的電子設備，如果長時間工作在50℃以上的環境中就會產生故障，而化學電池等一些設備，如果在0℃以下工作其效率又會很低。所以，雖然衛星外的溫差為100℃到－100℃，但人造地球衛星內的溫度一般要保持在5～45℃的範圍內，個別的部分只允許在恆定的溫度下有1～2℃的變化範圍。

中國人造地球衛星的熱控制方法有被動式和主動式兩種。其中被動式熱控制可採用多層隔熱、塗層和熱管等方法；主動式熱控制可採用百頁窗、電加熱器、流體循環換熱等方法。

被動式熱控制是依靠選取不同的熱控材料，合理地組織衛星內外的熱量交換過程，其優點是不需要消耗能量，只要在衛星的內外表面及儀器設備上採取相應的措施就能達到熱控制的目地。

用多層隔熱材料把需要保溫的儀器包紮起來是最簡單的被動式熱控方法。這種材料由多層鍍鋁聚酯薄膜構成，通常用真空沉積法將鋁鍍到聚酯膜的正面或正反兩面。

噴塗法是在人造地球衛星外表的不同方位噴塗上白漆、三氧化二鋁等低吸收輻射比的塗層，使人造地球衛星吸收太陽的熱量與向外輻射的熱量達到平衡，以降低蒙皮溫度；在衛星殼體的內表面通常噴以高輻射率塗層，以增強各部位之間的內輻射，改善殼體溫度的均勻性。也可在人造地球衛星表面採取拋光或電鍍的辦法，來提高它的輻射率。

熱管是一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與相變介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力，可以把發熱量大的儀器的熱量傳導到不發熱的儀器上。

儘管被動式熱控制簡單、經濟、可靠，但其熱控制精度稍低，控制的範圍有限，本身沒有自動調節溫度的能力，只適用於一些對溫度調節要求比較低、儀器設備發熱量不大的人造地球衛星。一些對溫度調節要求比較高的衛星，還需在被動式熱控制的基礎上採用被動式熱控制。

主動式熱控制很象一般的冷熱空調，它是用主動加溫或降溫來達到熱量的平衡，即熱了吹冷氣，冷了送熱風。

可在人造地球衛星的表面安裝能活動的百葉窗來調節溫度。這種百葉窗主要由熱敏動作器、葉片和底板組成，當衛星內的溫度超過要求的範圍時，用熱敏材料製成的動作器會受到膨脹，使驅動葉片打開，露出表面塗有高反射塗層且與發熱量較大設備基座連在一起的底板，從而調節衛星內部的溫度。

人造地球衛星內用的電加熱器一般由由電熱絲、溫度敏感元件和恆溫控制器組成，具有結構簡單、使用方便、控制精度高等優點，既可以用於整艙的主動熱控制，也能用於個別儀器的溫度調節，但需消耗星上的寶貴電能，只限用於一些能源比較充裕的衛星上。

流體循環換熱主要用於發熱量多的大型人造地球衛星或載人航天器。它是採用一套複雜的流體循環換熱裝置，即在衛星的各個部位和儀器上用熱收集器收集熱量，然後收集的熱量通過導管中液體的流動帶到一個熱交換器上，再由熱交換器把熱量傳到熱輻射器，通過輻射器把熱量輻射到空間。

在大多數的情況下，人造地球衛星一般採用被動和主動兩種方式聯合工作，以確保溫度控制的可靠性和高效率。

中國已發射的人造月球衛星，如嫦娥1號的熱控系統與人造地球衛星的熱控系統有什麼不同呢？

相對於月球環境，地球表面的大氣層分布均勻，環繞地球飛行的人造地球衛星所受的熱輻射的影響比較小，而在月球表面不存在大氣層，並且受太陽的影響，所以其表面的溫度變化非常大。當有太陽照射時，其月面溫度高達約130C°，而它的背陰面此時的溫度卻是約—180C°。如此大的溫差變化對人造月球衛星的熱控提出了更高的要求。所以，與人造地球衛星相比，嫦娥1號熱控制分系統的研製也是一大難點。

由於嫦娥1號繞著月球轉，月球繞著地球轉，地球帶著月球和月球旁的衛星繞著太陽轉，相對關係比較複雜，從而導致繞月衛星的熱變化巨大。在嫦娥1號奔月和繞月飛行的過程中會受到太陽、月球、月球陰影、地球陰影（月食）等影響，外熱流條件非常惡劣、複雜，星體各個表面外熱流變化很大，尤其是對月面的月球紅外熱流值在某些軌道條件下，從每平方米超過1000瓦到幾十瓦的範圍內波動。因此，對人造月球衛星的熱控制有兩個鮮明特點，其一是其熱環境較地球環境有非常大的差異，其二是有特殊熱控要求的儀器設備多，而且對熱控制要求高。

嫦娥1號在一年的壽命期內，不可避免地需經歷兩次月食，每次月食的影響時間均在5小時左右。月食對熱控制分系統的溫度維持能力和供配電分系統的供電能力、星上狀態設置的準確性和最小功耗模式的穩定性等都提出了更高的要求。

為了保證星內各探測儀器正常工作，解決好熱防護問題，經過攻關，科研人員建立了整個月球溫度場模型，並結合軌道條件和衛星姿態條件計算出了衛星各個面的外熱流。最終，科研人員為嫦娥1號研製了一件能「冬暖夏涼」的特製保溫「衣服」，即特殊的新型熱控制分系統。它可實現衛星在熱的時候能夠起到散熱的作用，在寒冷的環境下又能夠保證衛星的溫度。尤其是在發生「月食」時，其熱控制分系統要能保證星上所有設備在正常的工作溫度範圍。

為了科學探測的需要，嫦娥1號這個六方體中安裝科學探測儀器的一面要一直對著月球。為此，星體的這個對月面採用了一種特殊的超級隔熱材料，主要是為了防止月面上的紅外熱流對衛星探測儀器產生影響。而其餘的5個面由於不對著月面，所以安裝了一種特殊的散熱面材料，能夠做到最大程度的散發熱量。

當嫦娥1號繞月正常飛行時，其太陽電池翼吸收陽光，而5個散熱面就是熱控制分系統的最重要部分。當嫦娥1號飛行至月球的背陰面時，由於經歷的時間較短，其熱控制分系統能夠根據之前收集的熱量進行適當調整。當衛星進入月食環境後，真正考驗熱控制分系統的時刻來到了。由於需經歷長達5小時的寒冷環境，所以科研人員在熱控制分系統中採用了熱管技術，它是一種被動式熱控制方式，在嫦娥1號內部安裝的這種特殊導熱管可以把發熱量大的儀器的熱量傳導到不發熱的儀器上，讓冷熱溫度在導管內部循環流動，使冷熱面的溫度得以均勻化。採用這種技術讓溫度均勻化後，可以減少5個散熱面的面積，也就相應的減少了熱量的流失。當用蓄電池給嫦娥1號、2號提供能源的時候，其產生的多餘熱量可以通過導熱管散布到衛星的各個面，這就使蓄電池的溫度得以控制而正常工作。

作者：天兵

本文為特別約稿，首發於網易新聞客戶端

歡迎關注網易談兵（id：wytbjs）網易航空（id：wyair163）公眾號