太空中零下200多度,這麼冷的天,為什麼航天器還要散熱?

 

大千世界,無奇不有,芸芸眾生,眾口難調

文/天空之城團隊

 

太空中的溫度非常低,宇宙中有些星雲的溫度更是低至零下270度左右,差不多接近絕對零度(零下273。15攝氏度)了。在常壓下,這麼低的溫度,連空氣也會被凍成固體。

在這麼冷的環境中,航天器通常還要考慮散熱問題。按理說,這麼冷的天根本熱不起來呀!那為什麼要散熱呢?

其實,這是因為太空中幾乎空無一物,不像地球上那樣,物體可以通過空氣對流進行有效的散熱。

如果沒有恒星,宇宙中的星球都將陷入極度寒冷與死寂當中。在太陽系中,最大的熱源就是太陽了,能給予地球溫暖。而離太陽距離越遠的行星,其表面溫度也越低。

太陽溫度那麼高,熱量那麼大,能把地球烤熱,而空曠的太空中還是那麼寒冷,是因為太空中幾乎空無一物,每立方米的空間內只有一個原子。而溫度是物質熱運動劇烈程度的體現,沒有足夠多的粒子,就算是太陽也無法把周圍的太空曬熱。

太空環境雖然很冷,但是航天器被太陽照射的那一面,卻又非常的熱,溫度達到了一兩百度。

以地球的衛星月球為例,月球表面是真空,沒有一丁點空氣,就是在這樣的環境下,月球陰面的溫度低至零下180度,而月球陽面的溫度卻高達160度。一陰一陽,溫度整整相差了340度,這就是有太陽照射和無太陽照射所表現出的巨大溫度差異。

地球上雖然也存在這種現象,但是白天和黑夜的溫差比較小,通常也不會超過50度。正是因為地球上存在大氣,由於空氣的高速流動,既形成了風,也使地球表面的平均溫度保持在15攝氏度左右,所以地球和月球雖處於同一公轉軌道,但溫差卻天差地別。

而在太陽系八大行星當中,溫差最大的就是水星了,溫差高達600攝氏度,造成這個現象的原因就是水星上沒有空氣。金星由於擁有稠密的大氣,並沒有較大的溫差,而且由於大氣中的溫室氣體較多,產生了極其嚴重的溫室效應,整個星球表面一直陷入數百度的高溫當中。

吸熱和放熱會引起溫度的變化,要想使溫度發生變化,就必須要轉移熱量。如果系統中存在溫度差,熱量總是會從溫度較高的區域轉移到溫度較低的區域。

在自然界中,熱的傳遞有三種方式,分別為:熱輻射、熱對流、熱傳導。其中,熱輻射是真空中的導熱方式,依靠電磁波傳遞熱量,不需要介質。熱對流是流體內的導熱方式,依靠物質流動轉移熱量;熱傳導是物質內部最普遍的導熱方式,依靠粒子碰撞。這兩種方式需要介質。

太空中空空蕩蕩的,沒有空氣。由於太空中沒有熱對流,太陽就只能通過熱輻射的方式將能量傳遞給地球。被太陽照射的那一面,會積聚大量的熱量,導致物體表面溫度升高,而物體僅靠熱傳導短時間內很難使溫度均衡,所以才會造成一個物體的陰陽兩面溫差極大。

人體60%的質量都是水,如果你身處地球附近的外太空,面向太陽的一面會被烤熟,而背向太陽的一面則會被凍成冰塊。面對如此極端的環境,如果你沒有穿宇航服,你很快就會沒了。

太空環境屬於真空,真空能夠隔熱,物體熱量損失的比較緩慢。航天器在太空中向陽的一面被太陽暴曬,溫度很高,如果不進行有效的散熱,隨著熱量的堆積,就會損壞航天器艙內的精密儀器。  

航天器僅有兩種被動散熱方式,一種就是依靠熱輻射將熱量散發到太空中,另一種就是依靠艙體將這些熱量傳導到背陰面。熱輻射散熱十分緩慢,而熱傳導也不足以快速轉移熱量,所以航天器需要進行主動散射。那麼只能增加熱對流了。

為了維持正常運轉,大多數衛星都裝有熱管(依靠流體導熱),就是為了減小溫差、均衡溫度,既能給被太陽照射的一面散熱,又能給背陰面保暖。在這種環境下,雖然外界環境溫度很低,航天器內部某些發熱量比較大的部件,也是需要進行主動散熱的。國際空間站就配備了充滿迴圈氨的巨大散熱器,以增加輻射面積。

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