作者:张立 甘晓 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/10/17 8:08:59
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揭秘神舟十一号载人飞船的“神秘外衣”

 

10月17日,神舟十一号载人飞船搭载两名航天员成功进入预定轨道,开始了为期33天的空间旅行。为应对严苛的空间环境及飞行任务改变带来的挑战,中国航天科技集团第五研究院(以下简称“航天五院”)神舟十一号飞船热控分系统科研人员根据飞行任务实际设计了“神秘外衣”,将为飞船安全遨游太空提供保障。

新任务、新挑战

在我国首位进入太空的航天员杨利伟眼中,太空中群星璀璨、浩渺无垠,远远地能看到如同一颗蓝色宝石般的地球,非常壮观、美丽。不过,就环境参数而言,轨道空间却没有看上去那么美。

据航天五院神舟十一号飞船热控分系统科研人员介绍,飞船进入太空后在距离地球表面约400公里高度的轨道上运行,所处环境空气非常稀薄且接近真空,温度也低至零下269摄氏度。同时,船体还要接受来自太阳的辐射、地球-大气的辐射和反照以及游离在宇宙空间高能粒子的“攻击”。在这样严苛的环境下,如何保证飞船上仪器设备和人员的安全,成为科研人员面临的巨大挑战。

相对于前期飞船的任务规划,神舟十一号载人飞船提高了轨道高度,在轨时间更长、飞行姿态更多。“这使神舟十一号偏航飞行时,推进舱的底部会有较长时间正对太阳。”这也为研究人员提出了难题。

神舟十一号载人飞船由轨道舱、返回舱和推进舱构成,根据飞船的结构特点及各个舱体的功能特点,热控分系统科研人员以“量体剪裁”的巧妙思路,为飞船设计了神秘的“外衣”。

隔热、防烧蚀:保障航天员安全

为任务期间航天员停留的轨道舱和返回舱设计可靠的“外衣”,成为科研人员最为关心的问题。

轨道舱是航天员生活和工作的主要空间。为保持舱内温度,科研人员为轨道舱设计了一套由多层隔热材料组件构成的“外衣”,厚约为2厘米。

这件“外衣”由多层反射屏与涤纶网相互间隔迭合组成,能够高效隔离空间环境与轨道舱舱壁之间的换热量,大幅度减少舱体表面的漏热,降低轨道外热流剧烈变化对舱体温度的影响。多层隔热组件的外表面还增加了一层专门防护轨道原子氧等粒子的复合膜。

而承担着将航天员安全带回地面的重要使命的返回舱,需要耐受返回过程中穿越地球大气层时的高温烧蚀环境。

因此,返回舱“外衣”的里层是厚度较大的划分成网格状的防烧蚀材料,在外表面再喷涂特殊设计的有机热控涂层。“这样的设计不仅提高外热流吸收能力还能降低红外辐射能力,为保证在轨期间的返回舱温度条件提供有力支持。”研究人员表示。

隔高温、助散热:保障推进舱稳定

推进舱是三个舱体中唯一的非密封的舱段,密集地布置了多种设备。其中,“主动流体回路散热辐射器”也安装在这里,因此,推进舱对散热的要求很高。研究人员首先在推进舱的舱体结构上设计了一圈浅绿色的有机涂层散热面。同时,舱体上安装的辐射器外表面则选用了纯白色的热控涂层,极大地提高辐射散热能力。

同时,考虑到在推进舱的底部安装了大推力的发动机,为有效抑制发动机点火后的高温对推进舱内的影响,科研人员在这一区域也设计了多层隔热材料。与轨道舱不同之处在于,这一材料为高温多层隔热材料,能够隔离的最高温达900摄氏度,被称为“高温隔热衣”。

此外,研究人员表示:“为应对偏航飞行长时间受阳光照射的问题,我们必须要想办法减少此时接收到的外热流,进一步降低安装在高温隔热屏内的推进剂贮箱的温度。”

经过大量试验,研究人员改进了“高温隔热衣”外表面涂层的特征参数,提高了其红外散热能力。这样,即使长时间受太阳照射也不会带来温度的急剧升高。

 
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