Wie geht die Raumstation mit „Eis und Feuer“ um?

Seit Beginn des Sommers dieses Jahres haben die Höchsttemperaturen in vielen Teilen meines Landes historische Rekorde gebrochen und wir erleben die größte Hitze seit Jahrzehnten. Bei hohen Temperaturen können wir auf der Erde uns abkühlen, indem wir die Klimaanlage einschalten. Doch wie hält die chinesische Raumstation im All eine angenehme Temperatur? Heute verraten wir Ihnen, wie das Wärmekontrollsystem der chinesischen Raumstation dafür sorgt, dass unser Zuhause im All das ganze Jahr über „frühlingshaft“ ist.

Die chinesische Raumstation befindet sich in einer Weltraumumgebung etwa 400 km über dem Boden. Aufgrund des fehlenden Atmosphärenschutzes kann die Oberflächentemperatur der Raumstation bei direkter Sonneneinstrahlung über 150°C erreichen, auf der sonnenabgewandten Seite sogar unter -100°C. Um sicherzustellen, dass die Astronauten in dieser „Eis-und-Feuer“-Weltraumumgebung eine für Arbeit und Leben geeignete Raumstationsumgebung vorfinden, ist ein Wärmekontrollsystem zur Temperaturregelung erforderlich. Das Wärmekontrollsystem ist ein wichtiges System, um den normalen Betrieb der Raumstationsausrüstung und den Heiz- und Kühlkomfort der Astronauten im Weltraum sicherzustellen. Das Wärmekontrollsystem ist wie unsere Klimaanlage am Boden. Es organisiert den Wärmeaustauschprozess innerhalb und außerhalb des Raumfahrzeugs rational, um die Temperatur jedes Teils der Raumstation innerhalb des für die Mission erforderlichen Bereichs zu halten und so eine gute Temperaturumgebung für den normalen Betrieb der Raumstationsausrüstung und das Leben der Astronauten bereitzustellen.

Im Gegensatz zu früheren bemannten Weltraummissionen müssen Raumfahrzeuge im Zeitalter der Raumstationen lange Zeit in der Umlaufbahn bleiben und Astronauten müssen außerdem einen normalen Langzeitaufenthalt in der Umlaufbahn erreichen, was höhere Anforderungen an die Temperaturkontrolle stellt. Als Reaktion auf die Merkmale und Anforderungen der chinesischen Raumstationsmission hat das Team für Wärmekontrolle umfangreiche technische Untersuchungen durchgeführt und eine Reihe technologischer Innovationen entwickelt, um ein komfortables „Weltraumheim“ zu schaffen.

Die „zentrale Klimaanlage“ im Wärmekontrollsystem der Raumstation – der Flüssigkeitskreislauf ist das Herzstück des Wärmekontrollsystems der Raumstation . Im Tianhe-Kernmodul und im Wentian-Labormodul sind die Flüssigkeitskreisläufe in jeder Ecke verteilt.

Der Flüssigkeitskreislauf kann die wichtigen Teile der Raumstation gleichmäßig umhüllen. Durch die Hin- und Herzirkulation spezieller Flüssigkeiten in den Rohren kann die von der Ausrüstung in der Kabine und vom Leben der Astronauten erzeugte Wärme gesammelt und über den Kreislauf zu den entsprechenden Geräten und Strukturen geleitet werden. Dadurch wird die Wärme in überhitzten Bereichen abgeleitet und unterkühlte Bereiche erwärmt, wodurch die Funktion der Wärmeableitung und Wärmeergänzung erreicht wird. Gleichzeitig kann es die Temperatur verschiedener „Räume“ in der Raumstation genau regeln, um eine gleichmäßige und stabile Temperatur aufrechtzuerhalten. Man kann sagen, dass es sich um eine maßgeschneiderte „zentrale Klimaanlage“ handelt.

Das Wentian-Experimentiermodul ist das größte und schwerste Raumfahrzeug meines Landes mit der meisten Testnutzlast. Viele Testnutzlasten sind in der Kabine installiert und verschiedene Testlasten mit hohem Wärmeverbrauch sind außerhalb der Kabine angeordnet, was eine bessere Wärmekontrolle erfordert.

Das Forschungs- und Entwicklungsteam hat drei Flüssigkeitskühlsysteme für das Wentian-Labormodul entwickelt , die die von verschiedenen Geräten oder Testnutzlasten erzeugte Wärme sammeln und in den Weltraum abstrahlen und die Wärmeableitung von Testnutzlasten von über mehreren Kilowatt unterstützen können. Einer davon ist ein Wärmeableitungskreis, der speziell dafür ausgelegt ist, die Temperatur von Testnutzlasten außerhalb des Fahrzeugs aufrechtzuerhalten. Es wurde erstmals eine Vierwegeventiltechnologie entwickelt, die das Problem der Auswirkungen des Installationsstatus von Nutzlasten für Außenbordtests auf das Kreislaufsystem löste. Sie ist der in der Internationalen Raumstation eingesetzten Mehrventil-Steuerungstechnik gewichtsmäßig überlegen. Neben der Schaffung einer „zentralen Klimaanlage“ zur Regulierung der Temperatur der Raumstation können Raumfahrzeuge auch passiv isoliert werden. Eine Wärmekontrollbeschichtung ist eine Art der passiven Wärmekontrolle.

Ab Shenzhou XII wurden die Raumfahrzeuge der Shenzhou-Serie mit einer neuen Silberbeschichtung versehen, einem magischen „Weltraum-Sonnenschutz“ – einer Wärmekontrollbeschichtung mit geringer Absorption und geringer Emission.

Während der Bauphase der Raumstation hatte das Raumschiff Shenzhou mit der Schwierigkeit zu kämpfen, die Kabinentemperatur bei langfristigen und großen Temperaturunterschieden zu regeln. Während des Flugs des Raumstationskomplexes kann es vorkommen, dass das Raumschiff Shenzhou ständig durch andere Module blockiert wird, wodurch sich das Raumschiff in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen befindet, in der die Sonne über längere Zeit nicht scheinen kann. Die Tiefsttemperatur liegt sogar unter -100 °C. Wenn die Raumstation bestimmte Konfigurationen bildet, sind bestimmte Bereiche des Raumfahrzeugs weiterhin der Sonneneinstrahlung ausgesetzt, wobei die Höchsttemperatur 100 °C übersteigt, was eine ernsthafte Herausforderung für den normalen Betrieb der Raumfahrzeugausrüstung und die Lebensumgebung der Astronauten darstellt.

Um dieses Problem der Temperaturregelung zu lösen, hat das Forschungsteam eine Wärmekontrollbeschichtung mit geringer Absorption und geringen Emissionen entworfen und entwickelt. Geringe Absorption bedeutet, wie der Name schon sagt, dass das Beschichtungsmaterial selbst eine geringe Sonnenabsorptionseigenschaft aufweist, wodurch der durch Sonneneinstrahlung verursachte Temperaturanstieg wirksam reduziert werden kann. Geringe Emissivität bedeutet, dass die Beschichtung eine geringe Infrarot-Emissivität aufweist, die den Strahlungswärmeverlust aus dem Inneren des Raumfahrzeugs in die äußere, sehr kalte Umgebung wirksam blockieren kann und so einen weiteren Temperaturabfall in der Kabine verhindert.

Die Wärmekontrollbeschichtung wirkt wie eine Schicht „Sonnenschutz“, die den Betrieb des Raumfahrzeugs in Umgebungen mit langfristig extrem hohen und niedrigen Temperaturen wirksam sicherstellt und die Kabine in einem geeigneten Temperaturbereich hält.

Eine andere Form der passiven Wärmekontrolle besteht darin , das Raumfahrzeug mit einer Wärmedämmschicht zu versehen . Nehmen wir Tianzhou-4 als Beispiel. Tianzhou-4 operiert in einer Umlaufbahn etwa 400 Kilometer über dem Boden und benötigt für eine Umrundung der Erde etwa 90 Minuten. Es liegt manchmal im Schatten der Erde und manchmal ist es direktem Sonnenlicht ausgesetzt. Es muss 14 Mal am Tag solche „Eis- und Feuererlebnisse“ erleben. Daher haben die Entwickler es mit speziell angefertigten Wärmedämmmaterialien ummantelt, um der rauen Umgebung standzuhalten und eine angenehme Innentemperatur aufrechtzuerhalten .

Die Auswahl der Stoffe für die „Außenhülle“ des Raumfahrzeugs ist sehr speziell. Sie alle werden sorgfältig nach wissenschaftlichen Prinzipien entworfen und Stoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften werden an die verschiedenen Anforderungen des Raumfahrzeugs angepasst.

Die „Außenhüllen“ des Frachtmoduls und des Antriebsmoduls von Tianzhou-4 sind in zwei verschiedenen Farben gestaltet: Grau und Weiß. Die Frachtkabine muss eine relativ hohe Temperatur bieten, die für Astronauten zum Leben geeignet ist. Daher ist sie mit einer grauen „Schicht“ bedeckt, um mehr Sonnenlicht und Wärme zu absorbieren. Die Antriebskabine enthält hauptsächlich Geräte, die eine niedrigere Umgebungstemperatur benötigen. Daher ist sie mit einem weißen „Mantel“ bedeckt, um mehr Sonnenlicht und Wärme zu reflektieren. Darüber hinaus verfügt die Innenseite der „Außenhülle“ von Tianzhou-4 über ein mehrschichtiges Isolierkomponentendesign, das eine sehr starke Wärmewirkung hat. Es besteht aus einer hochreflektierenden Folie und einem die Folie stützenden Polyesternetz, das wiederholt gestapelt werden kann, um eine Mehrfachstruktur zu bilden. Die Wärme im Inneren wird von der reflektierenden Folie Schicht für Schicht reflektiert und kann nur schwer aus der Oberfläche entweichen. Dadurch entsteht ein sehr hoher Wärmewiderstand, der Wärmeverlust verhindert. Durch die koordinierte Arbeit von „Klimaanlage“, „Sonnenschutz“ und „Wärmedämmkleidung“ hat das Forschungs- und Entwicklungsteam die chinesische Raumstation in ein komfortables „Weltraumheim“ verwandelt, in dem das ganze Jahr über „Frühling“ herrscht. Das Wärmekontrollsystem ist wie ein „Verwalter“, der die Temperatur der Raumstation kontrolliert, den Komfort der Raumstation in der rauen Weltraumumgebung gewährleistet und dafür sorgt, dass die Raumstation sicher durch den Himmel reist.

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Neben unserer Raumstation „Tiangong“ operiert auch die Internationale Raumstation in einer Umlaufbahn von 400 Kilometern Höhe. Da es sich hier um viele Satelliten handelt, stellt sich die Frage, warum die Umlaufbahnhöhen der Raumstation und der Satelliten auf etwa 400 Kilometer festgelegt sind. Haben Sie keine Angst vor einer Kollision?

Einerseits ist eine Höhe von 400 Kilometern ausreichend, um die Anforderungen allgemeiner Weltraumexperimente zu erfüllen, wie etwa eine nahezu luftleere Umgebung, den Vorteil einer Teleskopbeobachtung ohne Wolkenbehinderung und nahezu schwerelose Versuchsbedingungen. Andererseits muss die Sicherheit der Astronauten und der Raumstation selbst berücksichtigt werden. Um die Erde herum gibt es eine Weltraumregion namens „Van-Allen-Strahlungsgürtel“, die grob in Höhenbereiche von 1.500 bis 5.000 Kilometern und 13.000 bis 20.000 Kilometern unterteilt ist. Es dehnt sich nach oben und unten aus, wenn das Weltraumwetter gestört ist. Hier gibt es geladene Teilchen mit sehr hoher Energie und sehr hoher Dichte, die großen Schaden an darin fliegenden Flugzeugen anrichten können.

Insbesondere weil das Erdmagnetfeld selbst nicht symmetrisch ist, führt die Form des Erdmagnetfelds über dem Südatlantik (also in der Nähe der sogenannten „Bermudainseln“) dazu, dass der Strahlungsgürtel hier relativ niedrig liegt. Bei einer Störung kann es sich dabei nur um eine Höhe von etwa 1.000 Kilometern handeln. Wenn die Raumstation hoch fliegt, kann sie leicht in den Strahlungsgürtel geraten.

Was wäre, wenn die Raumstation Zehntausende Kilometer hoch fliegen würde? Bei starker Sonnenaktivität kann die Magnetosphäre der Erde auf der Vorderseite der Sonne auf etwa 30.000 Kilometer komprimiert werden. Zu diesem Zeitpunkt könnte die Raumstation auch von hochenergetischen Partikeln des Sonnenwindes umhüllt sein. Wenn diese beiden Situationen eintreten, stellt das Eindringen der Raumstation in den Bereich hochenergetischer Partikel nicht nur eine enorme Bedrohung für das Leben und die Gesundheit der Astronauten dar, sondern kann auch zu Schäden an Instrumenten und Ausrüstung führen. Daher ist es sicherer und sinnvoller, wenn die Raumstation in einer Höhe von etwa 400 Kilometern fliegt.

Quelle | Abteilung für allgemeines Design der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie