Hübsch, süß und cool: Es gibt viele Möglichkeiten, Raumschiffe warm zu halten

Raumfahrzeuge werden extremen Temperaturen ausgesetzt. Wie hält man sie warm? Tatsächlich reichen für High-End-Raumfahrzeuge oft die einfachsten Isolierungsmethoden aus, wie etwa „Wärmekissen“, „gelbe Roben“, „warme Strohmatten“ und andere coole und nette Methoden. Vielleicht möchten Sie mehr darüber erfahren.

Der Trick ist nicht einfach

Am Morgen des 5. Mai schickte die Trägerrakete Langer Marsch 2D im Satellitenstartzentrum Taiyuan erfolgreich acht Satelliten ins All. Auffällig war, dass beim Abheben der Rakete etwas herunterfiel. Internetnutzer scherzten, dass damit hervorgehoben werden sollte, wie „unglaublich gutaussehend“ die Rockets seien. Tatsächlich fiel ein „Hot Pack“ herunter, das von Wissenschaftlern speziell für Raketen entwickelt wurde – ein wärmeisolierender Kunststoffschaum.

Wärmedämmender Kunststoffschaum, der beim Raketenstart abgeworfen wurde (Foto: Zheng Taotao)

Es stellte sich heraus, dass spezielle Schaumstoffplatten vorsichtig um die Verkleidung geklebt werden, um sicherzustellen, dass die Temperatur des Raketentreibstoffs vor dem Start weder zu hoch noch zu niedrig ist, um die Antriebseffizienz nicht zu beeinträchtigen oder gar einen Unfall zu verursachen. Da die Schaumstoffplatten nicht fest mit der Verkleidung verbunden sind, fallen sie herunter, sobald die Rakete abhebt. Dabei wird der Treibstoff schnell verbraucht und die herabfallenden Schaumstoffplatten können zusätzlich die Belastung der Rakete verringern.

mein Land startet jedes Jahr eine Reihe von Satelliten und Raumsonden. Ich glaube, jeder hat bemerkt, dass viele Raumfahrzeuge mit einer Schicht aus goldenem oder silbernem „Mantel“ überzogen sind, und die goldene Farbe ist besonders schillernd. Die Internetnutzer gaben ihnen den Spitznamen „Gelbe Roben“. Tatsächlich soll das „gelbe Gewand“ des Raumschiffs keine „Würde“ ausdrücken, sondern eher wie die dicke kugelsichere Panzerung eines Panzers aussehen. Man kann es als „hitzebeständige Panzerung“ verstehen, die der Wärmestrahlung wirksam widersteht. Der wissenschaftliche Name lautet mehrschichtiges Wärmedämmmaterial.

Eine mehrschichtige Isolierung ist wie eine dicke, mehrschichtige Decke, die hauptsächlich aus einem reflektierenden Schirm (Oberflächenschicht) und Abstandshaltern (innere Schicht) besteht. Der reflektierende Schirm auf der Oberfläche kann kosmische Strahlung, hauptsächlich Sonnenstrahlung, effektiv zurückwerfen, genau wie der kugelsichere Umhang eines Superhelden. während der reflektierende Schirm auf der inneren Schicht verhindern kann, dass übermäßige Hitze im Inneren des Raumfahrzeugs zu schnell ins Vakuum entweicht, und so eine Rolle bei der Wärmespeicherung spielt.

Insbesondere ist das üblicherweise für reflektierende Bildschirme verwendete Wärmedämmmaterial Polyesterfolie oder Polyimidfolie, die mit Metallfolie (z. B. Goldfolie, Kupferfolie usw.) beschichtet ist, was üblicherweise die goldene „Beschichtung“ darstellt, und manchmal ist es Silber; und der Abstandshalter besteht im Allgemeinen aus einem lockeren und porösen Material, wie etwa Glasfaser, Quarzfaser usw., das einen übermäßigen Wärmeaustausch zwischen dem Raumfahrzeug und der Vakuumumgebung weiter verhindern kann.

Manchmal stellen die Leute fest, dass das Raumschiff mit „Stroh“ bedeckt ist. Tatsächlich handelt es sich um einen speziellen „warmen Grasfilz“, der oberflächlich wie eine weiche Grasmatte aussieht, im Wesentlichen jedoch ein mehrschichtiger Dämmstoff ist.

Obwohl es sich vielleicht etwas „erdig“ anfühlt, ist es auch eine effektive Möglichkeit, Raumfahrzeuge warm zu halten.

Beispielsweise besteht das häufig verwendete flexible Isoliermaterial der zweiten Generation aus Quarzfaserbaumwolle, die zwischen gewebtem Quarzfasertuch eingeschlossen und präzise vernäht ist, und wird auch als „flexibler Isolierfilz“ bezeichnet. Es handelt sich um eine Steppdecken-Isoliervorrichtung mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die die Effizienz der Wärmeleitung wirksam reduzieren kann. Die maximale Betriebstemperatur beträgt 750 Grad Celsius. Es ist leicht, hitze- und stoßfest und günstig. Es ist natürlich zum „Liebling“ des aktuellen Wärmeschutzsystems für Raumfahrzeuge geworden.

Präzise Steuerung mit umfassenden Ideen

Die drei coolen und niedlichen Methoden zur Isolierung von Raumfahrzeugen sind nur ein kleiner Teil des „Thick Secret Book“. Wenn Sie die Isolierungsmethoden von Raumfahrzeugen vollständig verstehen möchten, müssen Sie sie sorgfältig klassifizieren. Generell gibt es zwei Methoden zur Kontrolle der Wärmedämmung von Raumfahrzeugen: passive Kontrolle und aktive Kontrolle.

Passive Kontrolle ist, wie der Name schon sagt, eine Temperaturkontrollmethode mit „defensivem“ Charakter. Zu diesem Typ gehören die bereits erwähnten „Wärmepackungen“, „Gelbgewänder“ und „warmen Strohdecken“. Bildlich gesprochen erfordert die passive Temperaturkontrolle eine wirksame „Hitzeschutzpanzerung“ des Raumfahrzeugs, weshalb mehrschichtige Wärmedämmstoffe die Kernkomponenten darstellen und das breiteste Anwendungsspektrum bieten.

Auch im Inneren von Raumfahrzeugen installierte Wärmerohre sind eine sehr verbreitete Methode zur passiven Temperaturregelung. Das im Wärmerohr gespeicherte Arbeitsfluid (z. B. Ammoniakwasser) kann die von der Wärmequelle abgegebene Wärme an einem Ende schnell absorbieren und die Wärme dann am anderen Ende durch Wärmeleitung abführen, wodurch die Innentemperatur des Raumfahrzeugs geregelt wird. Der gesamte Vorgang verbraucht nahezu keine Energie.

Während des Prozesses der Aufnahme und Abgabe von Wärme ändert das Arbeitsfluid im Wärmerohr seinen physikalischen Zustand: Zuerst verdampft es von flüssig zu gasförmig und kondensiert dann von gasförmig zu flüssig. Daher wird dieses Arbeitsfluid auch „Phasenwechselmedium“ genannt. Zu den Anwendungen von Phasenwechselmaterialien in der Luft- und Raumfahrt zählen auch Raumanzüge, Rückkehrkapselhüllen usw.

Der Chang'e 5-Rückkehrer ist mit „Wärmepaketen“ bedeckt (Foto von Li Shuheng, einem Reporter von China Aerospace News)

Neben mehrschichtigen Isoliermaterialien und Wärmerohren werden in Raumfahrzeugen auch verschiedene passive Temperaturkontrollgeräte wie Isolatoren, Wärmedämmbeschichtungen und passive Wärmestrahler verwendet.

Die Vorteile der passiven Temperaturregelung liegen darin, dass sie einfach und bequem ist und sehr wenig Energie verbraucht. Allerdings hat sie auch einen offensichtlichen Nachteil: Die Genauigkeit der Temperaturregelung ist mangelhaft. Um eine präzise Kontrolle der Temperatur jedes Bereichs im Inneren des Raumfahrzeugs zu erreichen, ist es im Allgemeinen notwendig, ein aktives Temperaturkontrollsystem zu installieren.

Einfach ausgedrückt funktionieren aktive Temperaturkontrollsysteme ähnlich wie Haushaltsklimaanlagen. Nehmen wir als Beispiel das häufig verwendete Wärmekontrollsystem für den Arbeitsflüssigkeitskreislauf: Es nutzt eine Umwälzpumpe als Antrieb, um die Arbeitsflüssigkeit zirkulieren zu lassen, Wärme am dafür vorgesehenen Kühlende zu sammeln und Wärme am anderen Ende abzugeben. Dieses System sieht vielleicht nur wie eine „fortgeschrittene Version eines Wärmerohrs“ aus, ermöglicht jedoch eine präzise Temperaturregelung und ist ein wesentlicher Bestandteil eines Raumfahrzeugs.

Die Zukunft ist smarter

Die aktuellen Isolierungsmethoden für Raumfahrzeuge sind ausgereift und zuverlässig, doch angesichts des wissenschaftlichen Fortschritts und der steigenden Nachfrage werden die Mitarbeiter in der Luft- und Raumfahrt mit der aktuellen Technologie nicht zufrieden sein. Da die Arten von Raumfahrzeugen immer vielfältiger werden und die technischen Anforderungen immer höher werden, sind intelligente Isolierungsmethoden mit wärmeregulierenden Beschichtungen entstanden.

Wärmeregulierende Beschichtungen stabilisieren die Temperatur im Allgemeinen durch Anpassung der Sonnenlichtabsorption und -reflexion der Oberfläche des Raumfahrzeugs, während intelligente wärmeregulierende Beschichtungen die Temperatur der Weltraumumgebung feinfühliger erfassen, die Sonnenlichtreflexion des Raumfahrzeugs ändern und eine autonome Steuerung des Temperatursystems des Raumfahrzeugs erreichen können. Wenn die Umgebungstemperatur eines Raumfahrzeugs erheblich von der Temperatur abweicht, die für den normalen Betrieb des Raumfahrzeugs erforderlich ist, kann die intelligente Wärmekontrollbeschichtung die Reflektivität des Sonnenlichts erhöhen und die Ableitung überschüssiger Wärme im Raumfahrzeug beschleunigen. Umgekehrt können intelligente Wärmekontrollbeschichtungen auch den Wärmeverlust von Raumfahrzeugen wirksam reduzieren und so verschiedenen Instrumenten und Astronauten im Raumfahrzeug dabei helfen, eine geeignete Temperatur aufrechtzuerhalten.

Im Vergleich zu herkömmlichen Wärmekontrollbeschichtungen haben intelligente Wärmekontrollbeschichtungen viele Vorteile, wie beispielsweise geringe Größe, geringes Gewicht, sensible und präzise Steuereffekte usw. Je nach den extremen Umgebungs- und Arbeitsbedingungen, denen das Raumfahrzeug ausgesetzt ist, kann es seine eigene Temperatur automatisch und in Echtzeit anpassen, um die versteckten Gefahren von Fernsteuerungsbefehlsinterventionen, denen passive Wärmekontrollmittel ausgesetzt sind, so weit wie möglich zu vermeiden.

Bei der intelligenten Wärmekontrollbeschichtung handelt es sich um eine neue Technologie, die in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt hat. Ich glaube, dass mein Land in naher Zukunft ein Raumschiff mit intelligenter Wärmekontrollbeschichtung starten wird. Bleiben Sie dran.