飞到太空学化学

2023-07-12平托何军丁为

知识就是力量 2023年7期

平托何军丁为

5月30日9时31分，景海鹏、朱杨柱、桂海潮3名航天员搭乘神舟十六号载人飞船，在长征二号F运载火箭的托举下，从东风航天城点火升空，开启为期约5个月的太空之旅。不仅日常生活中处处包含着化学，中国空间站里也离不开化学，让我们去看看吧！

对抗极端空间环境的神奇材料

空间环境是指由电场、磁场、引力场、电磁辐射、空间碎片、流星体以及各种带电粒子和中性粒子所构成的宇宙空间环境。

我们知道，宇宙空间环境存在极高的真空特性，因此热量的传递方式与地面迥异。热传导、热对流与热辐射3种热量传递的途径，在高真空的太空环境里只剩下了热辐射这一种。所以，利用材料表面的热辐射特性，是航天器热控制的一个主要技术手段。而热控涂层这层“外衣”就是专门用来调整物体表面热辐射性质，从而达到温度控制目的的表面材料。

中国早期神舟系列飞船返回舱表面的热控涂层材料，热辐射性能变化范围较大。这是由于早期飞船，或者飞船与天宫空间站对接的组合体结构相对简单，热环境也较为简单、周期短，任务周期内的空间外热流（航天器在轨道运行时，到达其外表面上的各种空间辐射热源）变化较小。

随着中国空间站的建设，空间站尺寸和结构较天宫一号目标飞行器、天宫二号目标飞行器已发生显著的变化，神舟飞船与空间站组合体的飞行姿态较为复杂，任务轨道增加了多种新的飞行姿态，新的飞行姿态会出现神舟飞船舱体被空间站其他舱段遮挡、长期无法被太阳辐照的情况。

神舟飞船受空间站和货运飞船等飞行器的遮挡，低温工况下的空间外热流显著降低，最低温度可低于零下100摄氏度；而当空间站处于某些构型时，神舟飞船局部区域会持续受太阳辐照，持续受辐照区域会出现极高温度，最高可超过100摄氏度。因此，早期使用的热控涂层材料已不能适应新需求。于是，从2021年发射的神舟十二号载人飞船开始，中国航天人为飞船返回舱“穿上”了银色的“新外衣”。

呵护神舟飞船的新“外衣”

航天科技集团五院529厂的航天工程师利用宇宙空间以热辐射为主要热量传导方式的特点，为空间站阶段的神舟飞船家族设计并研制了一款神奇的控温外衣——低吸收-低发射型热控涂层。

低吸收指的是涂层材料自身具有极少太阳光吸收特性，可有效减弱太阳辐照造成的温度升高；而低发射指的是涂层具有极低的红外发射率，可有效阻隔飞船内部向深冷环境的辐射漏热，避免舱内温度不断降低。这就保障了空间站阶段神舟飞船返回舱在长期的极端高、低温环境下，依然能够保持正常“体温”。

同时，这件新“外衣”可以抵抗宇宙空间中的高能紫外辐照、高能带电粒子以及原子氧轰击等环境因素导致的老化和剥蚀，在极端空间环境下也能保持温控稳定性。

经受住了长期在轨考验

这件“新外衣”的穿着效果如何呢？以神舟十三号飞船为例，2022年4月16日9时56分，飞行了整整6个月的神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。在这6个月的时间里，航天工程师不断进行着在轨温度监测，一刻不落地获取了神舟十三号载人飞船飞行期间整个舱内外的温度数据。数据显示，在大温差、长期低温、强辐射的空间环境里，神舟十三号载人飞船的舱内环境温度控制在18～26摄氏度，为航天员营造了舒适的温度环境，新型控温“外衣”经受住了长期在轨考验！

神舟飛船外的低吸收-低发射型热控涂层（摄影/杨卓）

如今，空间站阶段神舟飞船已经开启了一轮又一轮的护送航天员天地往返的任务。在这件“新外衣”的呵护下，神舟飞船家族将会更放心地在太空飞行，助力中国早日实现航天强国新的跨越！

空间站上的“中国红”

在浩瀚无垠的宇宙中，什么是最美的颜色？那一定是五星红旗的“中国红”！“中国红”代表着中华民族奋勇争先的精神，有中国人的地方就有“中国红”！

中国航天人、广大科技工作者发扬载人航天精神，创造了一个个奇迹。从2003年中国首个载人飞船神舟五号的五星红旗首次太空展示，到嫦娥三号月球探测器上的五星红旗首次亮相月球，再到1亿千米外天问一号火星环绕器上的五星红旗熠（yì）熠生辉，五星红旗每一次在太空中展示，都标志着中国航天科技取得了令世界瞩目的成就。

中国空间站项目是国家的重大工程，以什么样的方式来展示空间站太空遨游的风采，记录下这历史性的一刻呢？那一定是国旗。

中国空间站在太空遨游展示国旗的创意酝酿形成后，什么材料的国旗、多大尺寸、怎么展示等问题悬而未决。

航天工程师提出了在空间站舱体表面喷涂国旗的方案——喷涂的国旗重量轻，涂层厚度仅为微米级，不会给空间站增加额外“负担”，可以让空间站“轻装”上阵。此外，喷涂的国旗可靠性高，不会因失重或者航天员出舱活动的碰触而变形。

中国空间站任务周期长、轨道环境复杂，包括原子氧、真空-紫外、高低温交变及电离辐射等。在这种环境下，常规材料的国旗颜色会退化，甚至会发生国旗脱落的情况。为此，中国空间站国旗采用了纯无机材料制备而成，相比于地面织物国旗和以往的太空国旗，它具有更强的耐极端空间辐照及耐氧化性能。

经高温喷雾工序在国旗填料表面形成一层致密、透明的交联膜层，国旗色彩鲜艳（供图/航天科技集团五院529厂）

为保证国旗在空间站全寿命服役周期颜色鲜艳、永葆本色，航天工作者对国旗涂层填料（填充剂）进行了改性——通过高温喷雾的工序，在填料表面形成一层致密、透明的交联膜层。这种透明膜层密闭性好，具有耐极端空间环境的性能，既不影响国旗的鲜艳颜色，还能给涂层“遮风挡雨”，有效阻止太空环境对涂层的损伤，进一步提升国旗在空间环境的稳定性。

喷涂空间站国旗像绣花

国旗颜色由红色和黄色组成，为使国旗色彩符合标准，需要对国旗调色。研究人员基于三原色原理，以红色颜料或黄色颜料为基准，当国旗颜色偏红时，在涂层体系里添加高稳定的绿色填料；当国旗颜色偏黄时，就在涂层体系里添加高稳定的蓝色填料。就这样边调节边测试，不断优化涂层配方，经过多次配方调节，最终使国旗颜色完全符合标准。