问题

真空不导热,宇航员是如何散热的?

回答
太空那么冷,按理说宇航员应该很快被冻死,对吧?然而,事实并非如此。在太空中,宇航员的身体其实是在悄悄地“发热”,而且比我们在地球上经历的散热方式要复杂得多。

首先,我们要明白一个概念:真空不导热。导热需要介质,比如空气或者固体,而真空里什么都没有,所以通过接触传导热量在这里基本失效。就像你把手伸到火焰边上,如果中间隔着真空,你的手就不会感受到热度。

那么,宇航员靠什么来降温呢?他们身上的热量主要通过以下几种方式散发出去:

1. 辐射:这是最主要也是最关键的散热方式

我们身体时时刻刻都在向外辐射热量,就像一个微小的发热体。这些热量以红外线的形式发出。在地球上,我们身体散发的热量一部分通过辐射散失,但更多的是通过空气对流和蒸发(汗水)。

在太空中,虽然没有空气可以对流,但辐射依然存在。宇航员的身体会不断地向周围寒冷的宇宙空间辐射热量。你可以想象一下,宇航员就像一个暖炉,而太空就是一个巨大的、没有障碍的房间,热量就这么源源不断地“逃逸”出去。

当然,太空中也有辐射源,比如太阳。但宇航员穿着的宇航服有一个非常重要的功能,就是隔离和反射。宇航服外层通常有特殊的反光涂层,能够将大部分来自太阳的辐射反射回去,防止宇航员过热。同时,这些涂层也能最大限度地将宇航员自身散发的热量辐射出去。

2. 蒸发:汗水的作用不容小觑

虽然没有空气流动带走汗水,但宇航员的身体仍然会通过蒸发来散热。当汗水从皮肤表面蒸发时,需要吸收大量的热量,从而带走身体的温度。

在太空中,宇航员活动时也会产生热量,就像我们在地球上运动会出汗一样。为了有效带走这些蒸发产生的湿气,宇航服设计得非常巧妙。宇航服内部有一个生命维持系统(Environmental Control and Life Support System, ECLSS),它会通过循环空气来吸收宇航员身体产生的湿气。这些湿气会被冷凝成水,然后经过处理,有时候甚至可以回收利用。

所以,虽然你想象不到太空中有“风”吹走汗水,但宇航服内的空气循环系统完成了这个任务,通过蒸发来帮助宇航员降温。

3. “冷却背心”:主动降温的秘密武器

前面说了辐射和蒸发,但这还不够。尤其是在进行剧烈活动或者宇航服内部设备运行产生大量热量时,仅靠身体本身的辐射和蒸发是无法有效降温的。这时,一个非常重要的设备就派上用场了——宇航服内的冷却背心。

这件背心就像一件贴身的“水管衣”,上面布满了细小的水管。这些水管里流淌着水,水会从宇航员身体吸收热量,然后被输送到宇航服外部的一个设备,叫做升华器(Sublimator)。

升华器是太空中最常见的散热装置之一。它利用水的升华原理。在真空环境下,水可以直接从固态(冰)变成气态(水蒸气),而不需要经过液态。这个过程会吸收大量的热量。升华器会将冷却背心带回的热水直接变成水蒸气,然后释放到太空中。想象一下,就像一个被加热的水壶盖子,水蒸气“呼”地一下就散掉了,而这个过程带走了水的温度,也就是宇航员身体的热量。

4. 舱内温度的调控

宇航员在太空舱内时,情况又有所不同。太空舱是一个相对封闭的环境,内部有空气,也有各种设备。太空舱同样需要散热。

辐射散热: 太空舱的墙壁会向外辐射热量,但这受到宇航服的阻隔。
对流和传导: 太空舱内部有空气,所以也存在一些对流和传导。但更重要的是,太空舱内部的生命维持系统会主动进行热量管理。
外部散热器: 太空舱外部通常会安装巨大的散热器,看起来像白色的翅膀。这些散热器通过向外辐射热量来降温。它就像汽车的散热器,只不过在太空中,它主要是通过辐射来工作。

总结一下,宇航员散热的主要方式有:

辐射: 身体和宇航服不断地向宇宙空间辐射热量,这是最主要的散热方式。
蒸发: 汗水通过宇航服内部的空气循环系统蒸发,带走身体热量。
主动冷却系统: 冷却背心通过循环水带走热量,然后由升华器将水蒸发到太空,实现高效降温。

所以,虽然真空不导热,但宇航员依靠巧妙的宇航服设计和先进的生命维持系统,能够有效地管理身体产生的热量,在极端的太空环境中生存和工作。这可不是一件容易的事!

网友意见

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我看到暂时没人答,我也蛮好奇的我就去看了看。


在空间站与载具上一般使用的是散热板。以ISS国际空间站举例,空间站使用的是内循环液态氨输送热能到散热板,然后转换为IR辐射散进太空。像这样。

之所以用液态氨在于液态氨的冻结温度在-77摄氏度而水在0摄氏度,使用氨可以减少不希望的随机结冰。


而单人太空服因为没有载具可以提供的表面面积所以采用了不同的方式。以NASA现役EMU(extravehicular mobility unit)举例,emu采用了一个很有趣的水蒸发系统(注此处蒸发为sublimation非evaporation,答主没找到合适的翻译。)。emu内部采用了一套水冷散热服,水冷管子吸附在宇航员皮肤上,用来吸收汗液保持身体干燥以及吸收热量保持宇航员身体温度低于人体核心温度。宇航服中像这样的衣服。

被循环系统吸收的热量会被输出到热交换器中,而这里就有趣了。宇航服中单独存储了水(单独于循环系统),这些水会被输出到一块有微型小孔的镍板上(*sintered nickel plate with microscopic pores)。水在这块镍板上会快速结成一层薄冰,并因为太空中的低压,冰层会在受热后迅速转换成水蒸气并离开太空服(水蒸气并不会很热,大概在0度左右)(可惜没图)。大概需要多少水呢?在阿波罗12号指挥官的一次3小时44分钟的舱外行走中,用了大概2.15kg的水来散热。


在废热能再循环这方面我仔细找了找,貌似现在最起码在载人航天方面没有采用,废热能都是直接被舍弃的。不过在这方面在未来可能会被再采用。在2014年的一篇文章里,Rice University的一个小组用Seebeck effect做出了一个转化率大概在15%的装置用来转换太空废热能到电能。

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