宇宙ステーションは「氷と火」をどのように扱うのでしょうか?

今年の初夏以来、我が国の多くの地域で最高気温が歴史記録を更新し、私たちは数十年ぶりの猛暑に見舞われています。地球上の私たちは、気温が高くなるとエアコンをつけて涼しくなります。しかし、宇宙にある中国の宇宙ステーションはどのようにして快適な温度を保っているのでしょうか?今日は、中国の宇宙ステーションの熱制御システムがどのようにして私たちの宇宙の家を「一年中春のような」状態にしているのかを明らかにします。

中国の宇宙ステーションは地上約400kmの宇宙環境に位置している。大気保護がないため、宇宙ステーションの表面温度は直射日光下では150℃以上まで上昇し、太陽に面していない側では-100℃以下まで下がることがあります。この「氷と火」の宇宙環境において、宇宙飛行士が仕事や生活に適した宇宙ステーション環境を確保するために、温度を制御する熱制御システムが必要です。熱制御システムは、宇宙ステーションの機器の正常な動作と宇宙飛行士の宇宙空間での冷暖房の快適さを確保するための重要なシステムです。熱制御システムは地上の空調システムのようなものです。宇宙船の内外の熱交換プロセスを合理的に整理し、宇宙ステーションの各部の温度をミッションに必要な範囲内に保ち、宇宙ステーションの機器の正常な動作と宇宙飛行士の生活に良好な温度環境を提供します。

これまでの有人宇宙ミッションとは異なり、宇宙ステーション時代の宇宙船は長期間にわたって軌道上を飛行する必要があり、宇宙飛行士も通常の軌道上での長期滞在を達成する必要があり、温度管理に対する要求はより高くなります。中国の宇宙ステーションミッションの特徴とニーズに応えて、熱制御チームは多くの技術研究を実施し、快適な「宇宙の家」を作り上げるために多くの技術革新を行った。

宇宙ステーションの熱制御システムにおける「中央空調」 -流体ループは宇宙ステーションの熱制御システムの中核です。天河コアモジュールと文天実験モジュールでは、流体ループが隅々まで広がっています。

流体ループは宇宙ステーションの重要な部分を均一に包むことができます。パイプ内の特殊液体の往復循環により、客室内の機器や宇宙飛行士の生活で発生した熱を集め、ループを通じて対応する機器や構造物に運び、過熱した部分の熱を放散し、過冷却した部分を加熱することで、放熱と熱補給の機能を実現します。同時に、宇宙ステーション内のさまざまな「部屋」の温度を正確に制御し、均一で安定した温度を維持できます。まさにオーダーメイドの「セントラルエアコン」と言えます。

ウェンティアン実験モジュールは、我が国で最大、最重量、そして最も多くの試験積載量を誇る宇宙船です。キャビン内には多くの試験ペイロードが搭載され、キャビン外にはさまざまな高熱消費曝露試験負荷が配置されるため、より高い熱制御が求められます。

研究開発チームは、ウェンティアン実験モジュール用に3つの液体冷却システムを開発しました。これは、さまざまな機器や試験ペイロードによって発生した熱を収集して宇宙空間に放射するもので、数キロワットを超える試験ペイロードの放熱をサポートできます。その1つは、船外試験ペイロードの温度を確保するために特別に設計された放熱回路です。四方弁技術を初めて開発し、船外試験ペイロードの設置状況が回路システムに与える影響を解決しました。重量面では国際宇宙ステーションで使用されているマルチバルブ制御技術よりも優れています。宇宙ステーションの温度を調節するための「中央空調」を作ることに加えて、宇宙船は受動的に断熱することもできる。熱制御コーティングはパッシブ熱制御の一種です。

神舟12号から、神舟シリーズの宇宙船には、低吸収・低放射の熱制御コーティングという魔法の「宇宙日焼け止め」である新しい銀コーティングが施されています。

宇宙ステーションの建設段階では、神舟宇宙船は長期にわたる大きな温度差の中で客室の温度を制御するという困難に直面しました。宇宙ステーション複合施設の飛行中、神舟宇宙船は他のモジュールによって継続的に遮られる可能性があり、その結果、宇宙船は長時間太陽の光が当たらない極低温環境に置かれ、最低気温は-100℃を下回ることもあります。宇宙ステーションのアセンブリが特定の構成を形成すると、宇宙船の局所的な領域が太陽放射にさらされ続け、最高温度が100°Cを超え、宇宙船の機器の正常な動作と宇宙飛行士の生活環境に深刻な問題が生じます。

この温度制御の問題に対処するために、研究チームは低吸収・低放射の熱制御コーティングを設計・開発しました。低吸収とは、その名の通り、コーティング材自体の太陽光吸収特性が低いことを意味し、太陽光による温度上昇を効果的に抑えることができます。低放射率とは、コーティングの赤外線放射率が低いことを意味し、宇宙船の内部から外部の極寒環境への放射熱の漏れを効果的に遮断し、キャビン内の温度が下がり続けるのを防ぎます。

熱制御コーティングは「日焼け止め」の層のようなもので、長期間にわたる極端な高温および低温環境でも宇宙船の運行を効果的に保証し、キャビンを適切な温度範囲に保ちます。

受動的な熱制御の別の形態は、宇宙船に断熱「コート」を施すことです。天州4号を例に挙げましょう。天舟4号は地上約400キロメートルの軌道を周回し、約90分かけて地球を一周する。時には地球の影になり、時には直射日光にさらされます。このような「氷と火」を1日に14回経験する必要があります。そのため、開発者は過酷な環境に耐え、快適な内部温度を維持するために、特別に作られた断熱材で覆いました。

宇宙船の「外殻」に使用する生地の選択は非常に特殊です。それらはすべて科学的原理に基づいて慎重に設計されており、さまざまな特性を持つ生地が宇宙船のさまざまなニーズに合わせて調整されています。

天舟4号の貨物モジュールと推進モジュールの「外殻」は、灰色と白の2つの異なる色で設計されている。貨物室は宇宙飛行士が生活するのに適した比較的高い温度を保つ必要があるため、より多くの日光と熱を吸収するために灰色の「コート」で覆われています。推進キャビンには主に機器が収納されており、周囲の温度を低く抑える必要があるため、太陽光と熱をより多く反射するために白い「コート」で覆われています。さらに、天州4号機の「外被」内部には多層断熱部材設計が採用されており、非常に強力な保温効果を発揮します。高反射フィルムとそれを支えるポリエステルメッシュで構成されており、繰り返し積み重ねて多重構造を形成することができます。内部の熱は反射フィルムによって層ごとに反射され、表面から漏れ出しにくくなるため、非常に高い熱抵抗を形成し、熱損失を防ぎます。研究開発チームは「エアコン」「日焼け止め」「断熱服」の連携作業を通じて、中国の宇宙ステーションを「一年中春」を保つ快適な「宇宙の家」に変えました。熱制御システムは、宇宙ステーションの温度を制御する「スチュワード」のような存在で、過酷な宇宙環境における宇宙ステーションの快適さを確保し、宇宙ステーションが安全に空を移動できるように保護します。

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我が国の「天宮」宇宙ステーションに加え、国際宇宙ステーションも軌道高度400キロメートルで運用されています。ここにはたくさんの衛星がありますが、宇宙ステーションと衛星の軌道高度がなぜ 400 キロメートル程度に選ばれたのでしょうか。衝突の心配はありませんか？

一方、高度400キロメートルは、真空に近い環境、雲に邪魔されない望遠鏡観測の利点、無重力に近い実験条件など、一般的な宇宙実験の要件を満たすのに十分です。一方で、宇宙飛行士や宇宙ステーション自体の安全性も考慮する必要があります。地球の周りには「ヴァン・アレン放射線帯」と呼ばれる宇宙領域があり、高度1500～5000キロメートルと13000～20000キロメートルの範囲に大まかに分けられます。宇宙天気が乱れると上下に膨張します。ここには、非常に高いエネルギーと高密度の荷電粒子が存在し、そこを飛行する航空機に大きな損害を与える可能性があります。

特に、地磁気自体が対称ではないため、南大西洋上（いわゆる「バミューダ」付近）の地磁気の形状により、ここの放射線帯は比較的低い高度になります。擾乱が発生すると、高度はわずか1,000キロメートル程度になることもあります。宇宙ステーションが高く飛ぶと、放射線帯に入りやすくなります。

宇宙ステーションが何万キロもの高さを飛んだらどうなるでしょうか?太陽活動が活発なとき、太陽の前面にある地球の磁気圏は約 3 万キロメートルに圧縮される可能性があります。このとき、宇宙ステーションも太陽風の高エネルギー粒子に浸される可能性があります。これら 2 つの状況が発生すると、宇宙ステーションが高エネルギー粒子領域に入ると、宇宙飛行士の生命と健康に大きな脅威をもたらすだけでなく、機器や装置も損傷することになります。したがって、宇宙ステーションは高度約 400 キロメートルで飛行する方が安全で適切です。

ソース |中国宇宙科学院総合設計部