Wie viele Schritte sind nötig, um ein Raumschiff im Universum „weder heiß noch kalt“ zu halten?

Wenn wir uns Raum vorstellen

Sie denken vielleicht an die riesigen Sterne.

Faszinierende Nebel und geheimnisvolle Schwarze Löcher

Aber wissen Sie es?

Der Weltraum ist eigentlich eine extrem kalte Umgebung

Die Durchschnittstemperatur beträgt etwa -270 °C

Allerdings herrschen nicht an jedem Ort im Weltraum so niedrige Temperaturen. Die Temperaturen im Weltraum variieren stark, je nachdem, ob ein Objekt der Strahlung eines Sterns ausgesetzt ist oder nicht. Beispielsweise wird die der Sonne zugewandte Seite einer Raumstation sehr heiß sein und die Oberflächentemperatur wird bis zu 150 °C erreichen, während die von der Sonne abgewandte Seite sehr kalt sein wird und die Temperatur bis zu -100 °C betragen wird. Der Grund für diesen großen Unterschied liegt hauptsächlich darin, dass die Art und Weise der Wärmeübertragung im Weltraum ganz anders ist als auf der Erde.

Chinesische Raumstation

Wir wissen, dass es drei grundlegende Arten der Wärmeübertragung gibt: Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung.

Unter Wärmeleitung versteht man die Übertragung von Wärme zwischen Objekten durch Kontakt. thermische Konvektion bezieht sich auf die Übertragung von Wärme durch die Bewegung von Fluiden (Flüssigkeiten oder Gasen); Unter Wärmestrahlung versteht man die Übertragung von Wärme durch Objekte durch die Emission oder Absorption elektromagnetischer Wellen.

In einer terrestrischen Umgebung können alle drei Methoden effektiv durchgeführt werden. Im Weltraum sind Wärmeleitung und Konvektion jedoch aufgrund der Abwesenheit von Luft und anderen Medien nahezu nicht vorhanden und Strahlung ist die einzige Möglichkeit der Wärmeübertragung. Dies bedeutet, dass Objekte im Weltraum ihre Temperatur nur durch die Aussendung oder Absorption elektromagnetischer Wellen regulieren können.

Dies ist eine enorme Herausforderung für Raumfahrzeuge. Denn Raumfahrzeuge entwickeln im Betrieb viel Wärme und sind zudem der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Kann die Hitze nicht rechtzeitig abgeführt werden, kommt es zu einer Überhitzung oder gar Beschädigung des Raumfahrzeugs.

Gleichzeitig muss das Raumfahrzeug eine zu starke Wärmeabstrahlung vermeiden. Insbesondere, wenn Sie sich auf der Schattenseite der Sonne befinden, um zu niedrige Temperaturen zu vermeiden. Daher muss das Raumfahrzeug über ein wirksames Temperaturkontrollsystem verfügen, um die für den normalen Betrieb der Instrumente und Geräte an Bord des Raumfahrzeugs erforderliche Temperatur aufrechtzuerhalten.

Während der Entwicklung des Raumfahrzeugs gibt es auch einen entscheidenden Test – den Thermalvakuumtest , der die Weltraumumgebung simuliert und umfassende Tests am Raumfahrzeug und seinen Systemen durchführt. Der Zweck dieses Prozesses besteht darin, sicherzustellen, dass das Raumfahrzeug normal funktionieren und seine beabsichtigte Mission in einer realen Weltraumumgebung erfüllen kann.

Thermovakuumtests am Boden sind das wichtigste Mittel zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit von Raumfahrzeugen im Weltraum. Seine Bedeutung liegt auf der Hand, da es mit der Sicherheit des Raumfahrzeugs und dem Erfolg der Mission zusammenhängt. Mithilfe von Thermovakuumtests können außerdem die Leistung und Funktionen von Produkten in Raumfahrzeugen überprüft, die Rationalität des Produktdesigns verifiziert und potenzielle Mängel bei Komponenten, Materialien, Prozessen und der Qualität aufgedeckt werden. Die Praxis hat gezeigt, dass die Zuverlässigkeit von Raumfahrzeugen im Orbit durch Thermovakuumtests erheblich verbessert wird.

Navigationssatellit wird im Thermalvakuumtest bei KM7 getestet

Thermische Vakuumtests an Raumfahrzeugen müssen in speziellen Weltraumumgebungs-Simulationsgeräten durchgeführt werden. Die Ausrüstung zur Simulation der Weltraumumgebung ist eine wichtige Bodentestausrüstung in der Simulationstechnik für die Raumfahrzeugumgebung. Es besteht hauptsächlich aus einem Vakuumbehälter, einem Vakuumsystem, einem Flüssigstickstoffsystem, einem Mess- und Steuersystem usw.

Vakuumsystem

Die Hauptaufgabe des Vakuumsystems besteht darin, einen Vakuumhintergrund für das Raumfahrzeug bereitzustellen. Die Luftmoleküle im Vakuumbehälter werden durch eine Kombination aus einer Vakuumpumpe und einer Kryopumpe abgesaugt, um die für den thermischen Vakuumtest des Raumfahrzeugs erforderliche Hochvakuumumgebung zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Derzeit erfordern die thermischen Vakuumtests von Raumfahrzeugen in meinem Land im Allgemeinen, dass der Vakuumgrad im Behälter nicht höher als 6,5 × 10-3 Pa ist und sogar nur 1,3 × 10-3 Pa betragen kann, was einem Milliardstel des normalen atmosphärischen Drucks auf unserem Boden entspricht.

Flüssigstickstoffsystem

Die Hauptfunktion des Flüssigstickstoffsystems besteht darin, den Kühlkörper im Vakuumbehälter mit flüssigem Stickstoff zu kühlen, sodass die Temperatur des Kühlkörpers unter -173 °C sinkt, und mithilfe des Kühlkörpers den kalten schwarzen Hintergrund im Weltraum zu simulieren.

Mess- und Regelsystem

Die Hauptfunktion des Mess- und Kontrollsystems besteht darin, die Temperatur des Raumfahrzeugs während des Tests genau zu regeln.

Im Weltraum ist ein Raumfahrzeug extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt, von den hohen Temperaturen im direkten Sonnenlicht bis zu den niedrigen Temperaturen im Schatten. Ein Raumschiff erfährt diese Temperaturänderung jedes Mal, wenn es die Erde umkreist.

Niedrige Temperaturen werden hauptsächlich durch die Verwendung eines Flüssigstickstoffsystems erreicht, um einen kalten Hintergrund zu erzeugen, der die Wärmestrahlung des Raumfahrzeugs absorbiert. Hohe Temperaturen werden durch die Verwendung eines Infrarotkäfigs oder einer Infrarotlampe als Heizmethode und durch elektrische Heizung erreicht. Letztendlich wird die Temperatur des Raumfahrzeugs durch ein Gleichgewicht zwischen beiden genau gesteuert und so die Temperaturänderungen des Raumfahrzeugs im Weltraum simuliert.

Häufig verwendete Heizmethoden bei Raumfahrzeugtests (Infrarotlampen-Array, Infrarotkäfig, Dünnschicht-Elektroheizung)

Angetrieben von Luft- und Raumfahrtmodellen hat mein Land sukzessive verschiedene Arten von Weltraumumgebungssimulationsgeräten entwickelt, die einen großen Beitrag zur Entwicklung der Raumfahrzeuge meines Landes geleistet haben. Die größte Thermovakuum-Testanlage meines Landes ist KM8 mit einem Durchmesser von 17 Metern und einer Höhe von 35 Metern, was einem 10-stöckigen Gebäude entspricht. Es handelt sich zudem um den drittgrößten Weltraumumgebungssimulator der Welt und den größten in Asien.

KM8-Weltraumumgebungs-Simulationsausrüstung

Durch die Simulation der thermischen Vakuumumgebung im Weltraum können mögliche Probleme im Voraus erkannt und behoben werden. Auf diese Weise können wir dieses geheimnisvolle und wunderschöne Universum mit größerer Zuversicht erforschen, wenn die Raumsonde tatsächlich in den Weltraum eintritt.

Autor:

Li TaoMitglied der Beijing Refrigeration Society, Techniker und Ingenieur der China Academy of Space Technology

Liu Yuan ist Mitglied der Beijing Refrigeration Society und Zweigstellensekretär und Forscher an der China Academy of Space Technology.

Zhou Yuege, Mitglied der Beijing Refrigeration Society, stellvertretender Direktor und leitender Ingenieur der China Academy of Space Technology

Herausgeber: Dong Xiaoxian