真空、辐射、冷黑——航天空间环境模拟

浩瀚无垠的太空对人类来说既熟悉又陌生。熟悉，是因为载人航天活动已经开展了几十年，人进入太空已有数百次了；陌生，是因为太空环境如此复杂，以至于每次载人航天活动，仍充满着无数变数和巨大风险。面对复杂多变的载人航天环境，航天员只有在地面作好充分试验和训练准备，才能圆满完成载人航天飞行任务。

地面试验和训练离不开模拟技术、模拟设备。要了解模拟技术和模拟设备，首先要认识载人航天环境。

（1）真空环境及模拟

在载人航天器所处的500千米轨道高度上，空间真空度为10-6帕左右；在1 000千米的轨道高度上，空间真空度为10-8帕左右。

在进行航天器和舱外航天服空间环境热模拟试验（主要是热真空试验和热平衡试验）时，关注的问题主要是真空环境对试件热特性的影响。真空度达到10-2帕以上时，辐射传热已经成为主要的传热形式，对流和传导传热的效应已经可以忽略。因此，空间模拟设备模拟的真空度达到10-3帕数量级，已经能够较为真实地模拟航天器飞行轨道真空环境的热交换效应，不必追求更高的真空度。只有一些特殊的试验，如真空干摩擦和冷焊试验等，才需要提供更高真空度的试验设备。

（2）太阳辐照环境及模拟

太阳每时每刻都在向宇宙空间辐射巨大的能量，太阳光的波长覆盖从10-14米（γ射线）到104米（无线电波）的宽阔区域，不同波长的太阳光，辐射的能量也不同。可见光辐射的能量最大，可见光和红外光的辐射能量占太阳总辐射能量的90%以上。

在轨道飞行中，航天器和舱外航天服主要接受三部分辐射能量：来自太阳可见光和红外辐射的能量、地球反射太阳辐射的能量和地球大气的热辐射能量。航天器和舱外航天服吸收的这些能量影响其温度及分布，吸收能量的大小取决于其结构外形、表面材料特性和飞行轨道。波长小于300纳米的紫外线，辐射能量虽然只占太阳总辐射能量的极小部分，但会使材料表面的光学性能发生很大的变化。紫外辐射效应主要表现为光化学效应和光量子作用。

太阳辐射模拟试验可以模拟太阳辐射环境对航天器和舱外航天服产生的太阳光谱热效应和太阳光谱光化学效应。如果仅模拟热效应，则称为空间外热流模拟。模拟空间外热流有两种方法，一类是入射流模拟法,也称为太阳模拟法；另一类是吸收热流模拟法，又称红外模拟法。一般外形和表面材料形状复杂的试件，宜采用太阳模拟法；外形规则，表面材料形状单一的试件，则可采用红外模拟法。如果需要模拟紫外辐照环境的光化学效应，可利用紫外辐照模拟器进行。

（3）空间冷黑环境及模拟

宇宙空间冷黑环境的等效温度约为3K，热吸收率为1，可以看作是没有热辐射和热反射的理想黑体。当没有太阳辐照时，宇宙空间是一个完全“冷”和“黑”的空间。在这个冷黑环境中，物体发出的所有热能被完全吸收，因此也被称为热沉环境。冷黑环境对航天器和舱外航天服的热性能有极大的影响，研制航天器和舱外航天服，必须在模拟的冷黑环境中进行充分的热真空和热平衡试验，验证其热设计和热性能是否满足要求。

为了模拟空间冷黑环境，通常使用铝、铜或不锈钢材料制成的构件，将其内表面涂上高吸收率的特制黑漆，并将液氮通入构件内部，这种装置称为热沉。目前，世界各航天国家均采用这种以液氮作冷源的热沉来模拟空间冷黑环境，因为热分析理论计算和试验数据分析表明，用77K液氮温度和吸收率为0.9以上的热沉来模拟空间冷黑环境，模拟误差仅为1%左右，完全能够满足冷黑环境模拟试验的要求。另外，追求更低的温度是不必要的，而且会大大增加技术难度和模拟设备的投资。