當我們想象太空時
可能會想到浩渺的星辰
迷人的星云和神秘的黑洞
但你知道嗎？
太空其實是一個極其寒冷的環境
平均溫度大約是-270℃
不過，并不是太空中每個地方都有這么低的溫度。太空中的溫度差異非常大，這取決于物體是否受到來自恒星的輻射。例如，太空中的空間站，太陽照射的向陽面會很熱，表面溫度最高可達150℃，而背陽面則很冷，最低會低于-100℃。之所以會有這么大的差異，主要是因為太空中與地球上的傳熱方式有著很大的不同。
中國空間站
我們知道熱傳遞有三種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。
熱傳導是指物體之間通過接觸傳遞熱量；熱對流是指流體（液體或氣體）通過運動傳遞熱量；熱輻射是指物體通過發射或吸收電磁波傳遞熱量。
在地面環境中，這三種方式都能有效進行。然而，在太空中，由于沒有空氣和其他介質，傳導和對流幾乎不存在，只有輻射一種傳熱方式。這就意味著，在太空中，物體只能通過發射或吸收電磁波來調節溫度。
這對于航天器來說是一個巨大的挑戰。因為航天器在運行過程中會產生大量的熱量，同時也會接受來自太陽的輻射。如果熱量不能及時散發出去，就會導致航天器過熱甚至損壞。
同時，航天器也要避免對外輻射過多熱量。特別是處于太陽背陰面的時候，以免溫度過低。因此，航天器需要設計一套有效的溫度控制系統，來維持航天器上的儀器設備正常工作所需的適宜溫度。
在航天器的研制過程中，還有一項至關重要的試驗——熱真空試驗，即模擬太空環境，對航天器及其各系統進行綜合測試。這個過程的目的是確保航天器在真實的太空環境中能夠正常運行，完成預定任務。
地面上的熱真空試驗是驗證航天器在太空中性能的主要手段，其重要性不言而喻，它關乎著航天器的安全性和任務的成功與否。通過熱真空試驗還可以檢驗航天器上產品的性能和功能，驗證產品設計的合理性，并暴露出在元器件、材料、工藝及質量方面的潛在缺陷。實踐證明，經過熱真空試驗的航天器在軌運行的可靠性會大大提高。
導航衛星在KM7做熱真空試驗
航天器熱真空試驗需要在專用的空間環境模擬設備中進行。空間環境模擬設備是航天器環境模擬工程中的重要地面試驗設備，主要由真空容器、真空系統、液氮系統、測控系統等組成。
真空系統
真空系統的主要任務是為航天器提供真空背景，通過真空泵和低溫泵組合將真空容器中的空氣分子抽出，以獲得并維持航天器熱真空試驗所需的高真空環境。
目前，我國航天器熱真空試驗一般要求容器內真空度不高于6.5×10-3Pa，甚至可能低至1.3×10-3Pa，這相當于我們地面正常大氣壓的億分之一。
液氮系統
液氮系統的主要作用是以液氮去冷卻真空容器內的熱沉，使熱沉溫度低于-173℃，通過熱沉來模擬太空中的冷黑背景。
測控系統
測控系統的主要作用是在試驗中對航天器的溫度進行精確控制。
在太空中，航天器會經歷從太陽直射的高溫到陰影中低溫的極端溫度變化。航天器每繞地球一圈，均會經歷一次這樣的溫度變化。
低溫主要通過液氮系統構建的冷背景吸收航天器的熱輻射來實現；高溫是利用紅外籠或紅外燈作為加熱手段，通過電加熱來實現，最終通過兩者的平衡，來對航天器的溫度進行準確控制，以此來模擬航天器在太空的溫度變化。
航天器試驗中常用的加熱手段（紅外燈陣、紅外籠、薄膜電加熱器）
隨著航天型號的牽引，我國陸續研制了多種型號的空間環境模擬設備，這些設備為我國航天器研制立下了汗馬功勞。我國最大的熱真空試驗設備為KM8，直徑達到了17米，高度35米，相當于10層樓那么高，也是目前世界第三大、亞洲最大的空間環境模擬器。
KM8空間環境模擬設備
通過模擬太空中熱真空環境，提前發現可能存在的問題，并進行修復。這樣，當航天器真正進入太空時，我們就可以更加放心地探索這個神秘而美麗的宇宙了。
作者：
李 濤 北京制冷學會會員，中國空間技術研究院技術員、工程師
劉 媛 北京制冷學會理事，中國空間技術研究院支部書記、研究員
周月閣 北京制冷學會會員，中國空間技術研究院副主任、高級工程師
責編：董小嫻
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