太空溫度接近絕對(duì)零度，空間站為何沒(méi)有保溫反而要散熱？

太空的平均溫度只有-270℃，距離絕對(duì)零度不過(guò)3度。按常理，這種極寒環(huán)境里的空間站應(yīng)該裹得像個(gè)保溫杯才對(duì)。但事實(shí)恰恰相反，國(guó)際空間站外壁上最顯眼的設(shè)備，是一組巨大的白色散熱板。這到底是怎么回事？

太空是"冷"的，但不是你想象的那種冷

我們對(duì)"冷"的直覺(jué)來(lái)自地球經(jīng)驗(yàn)：冬天站在戶外，冷風(fēng)刺骨，身體熱量被空氣快速帶走。這種熱量傳遞方式叫"對(duì)流"，熱量通過(guò)流動(dòng)的介質(zhì)（空氣或水）從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫環(huán)境。地球上90%以上的日常散熱都靠這種方式。

但太空沒(méi)有空氣。

這一點(diǎn)至關(guān)重要。太空的-270℃指的是極少數(shù)氣體分子的平均動(dòng)能，但問(wèn)題是那里幾乎沒(méi)有氣體分子。國(guó)際空間站軌道高度約400公里，那里的大氣密度只有海平面的一萬(wàn)億分之一。換句話說(shuō)，空間站周圍基本是真空。

真空意味著什么？意味著沒(méi)有介質(zhì)可以"傳導(dǎo)"或"對(duì)流"熱量。你可以把一杯開水放進(jìn)太空，它不會(huì)像在地球上那樣迅速變涼，因?yàn)闆](méi)有空氣分子來(lái)"搬運(yùn)"熱量。這杯水只能通過(guò)輻射慢慢釋放能量，而輻射散熱的效率比對(duì)流差得多。

所以，太空的"冷"是一種奇怪的冷：環(huán)境溫度確實(shí)極低，但你放在那里的東西卻很難變冷。就像把一個(gè)熱水瓶放進(jìn)一個(gè)巨大但完全隔熱的冰箱，理論上冰箱很冷，但熱水瓶的熱量根本散不出去。

這就是空間站面臨的真實(shí)處境：外面的"冷"夠不著它，但它自己產(chǎn)生的熱卻逃不掉。

空間站不是"怕冷"，而是"怕熱死"

空間站是一個(gè)密封的金屬艙體，里面住著6到7名航天員，運(yùn)行著上百臺(tái)設(shè)備。這些設(shè)備和人，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在產(chǎn)生熱量。

先說(shuō)人。一個(gè)成年人安靜狀態(tài)下的代謝功率約為80-100瓦，相當(dāng)于一盞白熾燈泡。航天員在工作、運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)數(shù)字會(huì)升到200瓦以上。國(guó)際空間站常駐6人，光是人體代謝就持續(xù)釋放600瓦左右的熱量。

再說(shuō)設(shè)備。國(guó)際空間站上運(yùn)行的設(shè)備功率峰值約75-90千瓦，大部分電能最終會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。計(jì)算機(jī)服務(wù)器、生命維持系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、照明、通訊模塊，每一樣都在發(fā)熱。據(jù)NASA數(shù)據(jù)，空間站每天需要排出的廢熱總量約為14千瓦，相當(dāng)于持續(xù)給40臺(tái)家用電暖器供電。

這些熱量產(chǎn)生在一個(gè)密封的罐子里，而這個(gè)罐子外面是真空。

如果沒(méi)有主動(dòng)散熱系統(tǒng)會(huì)發(fā)生什么？2010年，國(guó)際空間站的一套氨冷卻回路曾出現(xiàn)故障，導(dǎo)致一半的熱控系統(tǒng)失效。NASA不得不關(guān)閉部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備和非關(guān)鍵系統(tǒng)，航天員也減少了體力活動(dòng)。

當(dāng)時(shí)的監(jiān)測(cè)顯示，艙內(nèi)溫度開始以每小時(shí)0.5℃的速度上升。如果故障持續(xù)48小時(shí)以上，關(guān)鍵電子設(shè)備將過(guò)熱失效，而一旦溫度超過(guò)35℃，航天員的生理狀態(tài)也會(huì)受影響。

這次事故后來(lái)被歸類為"關(guān)鍵緊急事件"，三名航天員進(jìn)行了兩次艙外行走才修復(fù)了故障泵。

換句話說(shuō)，空間站面臨的最大威脅不是被凍住，而是被自己的熱量"捂死"。

真空中怎么散熱的？

既然沒(méi)有空氣可以帶走熱量，空間站只剩下一條路，輻射散熱。

所有溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外發(fā)出電磁輻射，這是熱力學(xué)的基本定律。輻射功率由斯特藩-玻爾茲曼定律決定：功率與物體表面溫度的四次方成正比，同時(shí)取決于表面積和發(fā)射率。

簡(jiǎn)單說(shuō)，要想通過(guò)輻射散掉足夠的熱量，你需要足夠大的表面積，足夠高的輻射效率，以及足夠高的自身溫度。

國(guó)際空間站的解決方案是一對(duì)巨大的白色面板，叫做"熱輻射散熱器"。這對(duì)面板展開后總面積約為74平方米，差不多相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)球場(chǎng)的五分之一。

它們由涂有特殊高發(fā)射率涂層的鋁蜂窩板構(gòu)成，表面是白色的，反射率高，可以最大限度減少吸收太陽(yáng)輻射，同時(shí)發(fā)射率高達(dá)0.9以上，意味著幾乎把所有接收到的廢熱都輻射出去。

但面板本身不會(huì)主動(dòng)發(fā)熱，它需要把艙內(nèi)的熱量"搬"出來(lái)。這就涉及到空間站的熱控回路系統(tǒng)。

艙內(nèi)的熱量首先被液體冷卻循環(huán)回路收集。這個(gè)內(nèi)回路用的是無(wú)毒的水和乙醇混合物，溫度約為4-18℃，它流經(jīng)各個(gè)設(shè)備和生活艙段，像血液一樣把熱量帶走。

然后，內(nèi)回路的熱量通過(guò)熱交換器傳遞給外回路，一套充滿液態(tài)氨的管道系統(tǒng)。氨的工作溫度在-40℃到+65℃之間，它流向艙外的散熱板，再通過(guò)輻射把熱量釋放到太空中。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量是14千瓦的持續(xù)散熱能力。作為對(duì)比，一臺(tái)家用分體空調(diào)的制冷功率大約是3-5千瓦?？臻g站的熱控系統(tǒng)相當(dāng)于同時(shí)運(yùn)行3到5臺(tái)空調(diào)，而且它不能依賴任何空氣流動(dòng)。

你可能會(huì)問(wèn)：既然太空那么冷，為什么輻射散熱還能起作用？熱量不是會(huì)自動(dòng)從高溫流向低溫嗎？

沒(méi)錯(cuò)，輻射確實(shí)在向寒冷的宇宙背景輸送熱量。但問(wèn)題在于輻射效率太低。根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律計(jì)算，在空間站外表面溫度約0℃的情況下，每平方米表面每秒只能輻射出約300瓦的能量。14千瓦的廢熱需要大約50平方米以上的有效輻射面積，這就是為什么散熱板必須造得那么大。

而且，空間站面臨的熱環(huán)境比你想象的復(fù)雜得多。它每90分鐘繞地球一圈，其中約45分鐘暴露在陽(yáng)光下，另外45分鐘進(jìn)入地球陰影。陽(yáng)光直射面的溫度可高達(dá)+120℃，而陰影面可低至-150℃。散熱板的設(shè)計(jì)必須應(yīng)對(duì)這種劇烈的溫度交替，同時(shí)確保系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

保溫和散熱必須同時(shí)做

到這里，你可能以為空間站只關(guān)心散熱。但事實(shí)并非如此。

空間站在散熱的同時(shí)，也在做保溫，只不過(guò)兩者針對(duì)的是不同的位置和不同的問(wèn)題。

直面陽(yáng)光的一側(cè)溫度過(guò)高，需要反射太陽(yáng)輻射（這就是為什么空間站外壁有大量白色和鍍金涂層）。背陰面溫度過(guò)低，某些設(shè)備和管道需要加熱器維持最低工作溫度，否則液體會(huì)凍結(jié)、電池性能會(huì)下降。

航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)穿的艙外服，既要在陽(yáng)光下防止過(guò)熱（用反射涂層），也要在陰影中防止凍傷（用電加熱元件）。

2018年，聯(lián)盟號(hào)MS-09飛船與空間站對(duì)接期間被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)直徑僅2毫米的微孔，導(dǎo)致輕微漏氣。事后調(diào)查顯示，這個(gè)孔發(fā)生在飛船的軌道艙段，那個(gè)艙段長(zhǎng)期處于陰影面，表面溫度頻繁在-100℃以下波動(dòng)。這種極端低溫會(huì)加速材料老化和微裂紋擴(kuò)展。

這說(shuō)明什么？說(shuō)明空間站的熱管理本質(zhì)上是一場(chǎng)精密的平衡術(shù)：陽(yáng)面要防熱，陰面要保溫，艙內(nèi)要散熱，所有系統(tǒng)必須在-150℃到+120℃的溫差中協(xié)同工作。

相比之下，中國(guó)天宮空間站采用的熱控方案略有不同。天宮的核心艙和實(shí)驗(yàn)艙使用流體回路熱控系統(tǒng)，外加可展開式柔性散熱板。流體回路的設(shè)計(jì)容量約為9千瓦，比國(guó)際空間站稍小，但足以滿足三名航天員常駐的需求。

天宮還采用了"主動(dòng)隔熱+被動(dòng)控溫"的雙重策略：在朝陽(yáng)面使用多層隔熱組件（MLI，類似多層太空被），在艙內(nèi)則用水循環(huán)散熱。這種模塊化設(shè)計(jì)讓天宮能更靈活地應(yīng)對(duì)任務(wù)需求的變化。

結(jié)語(yǔ)

太空的"冷"是一種孤立的冷，熱量無(wú)法逃逸，反而會(huì)把你困死。人類在真空中建造的每一個(gè)生存艙，本質(zhì)上都是一臺(tái)與自身廢熱作戰(zhàn)的機(jī)器。我們以為在太空需要取暖，其實(shí)我們更需要學(xué)會(huì)如何放熱。