ハンサム、キュート、クール、宇宙船を暖かく保つ方法はたくさんある

宇宙船は極度の温度の試練に直面しますが、どうやって暖かく保つのでしょうか?実際、ハイエンドの宇宙船では、「ホットパック」などの最も単純な断熱方法だけでなく、「黄色いローブ」や「暖かいわらマット」などのクールでかわいい方法だけが必要な場合がよくあります。それらについて学んでみるのもよいでしょう。

トリックは簡単ではない

5月5日午前、太原衛星発射センターで長征2Dロケットが8基の衛星を宇宙に打ち上げることに成功した。印象的だったのは、ロケットが打ち上げられたときに何かが落ちてきたことだ。ネットユーザーたちは、これはロケッツがいかに「驚くほどハンサム」であるかを強調するためだと冗談を言った。実際、落下したのは、科学研究者がロケット用に特別に設計した「ホットパック」、つまり断熱プラスチックフォームだった。

ロケット打ち上げ中に落下した断熱プラスチックフォーム（写真：鄭涛涛）

発射前のロケット推進剤の温度が高すぎたり低すぎたりしないようにし、推進効率に影響を与えたり、事故を引き起こしたりしないようにするため、特殊なプラスチックフォームシートがフェアリングの周りに丁寧に接着されていることが判明しました。発泡パネルはフェアリングにしっかりと固定されていないため、ロケットが打ち上げられるとすぐに落ちてしまいます。その時、推進剤の消費が早くなり、落下する発泡パネルによってロケットへの負担も軽減されます。

私の国は毎年多数の衛星と深宇宙探査機を打ち上げています。多くの宇宙船が金色または銀色の「コート」の層で覆われており、金色が特に眩しいことに皆さんも気づいていると思います。ネットユーザーたちは彼らに「黄色いローブ」というニックネームを付けた。実は、宇宙船の「黄色いローブ」は「威厳」を示すものではなく、戦車に装備されている厚い防弾装甲のようなものなのです。熱放射に効果的に耐える「耐熱装甲」として理解できます。学名は多層断熱材。

多層断熱材は、主に反射スクリーン（表面層）とスペーサー（内層）で構成される、厚い多層毛布のような構造です。表面の反射スクリーンは、スーパーヒーローの防弾マントのように、宇宙放射線、主に太陽放射線を効果的に反射します。一方、内層の反射スクリーンは、宇宙船内の過剰な熱が真空中に急速に放散するのを防ぎ、保温の役割を果たします。

具体的には、反射スクリーンによく使用される断熱材は、ポリエステルフィルムまたはポリイミドフィルムに金属箔（金箔、銅箔など）をコーティングしたもので、金色の「コーティング」が一般的ですが、銀色の場合もあります。スペーサーは、一般的にガラス繊維、石英繊維などの緩い多孔質材料であり、宇宙船と真空環境との間の過剰な熱交換をさらに防止することができます。

時々、宇宙船が「わら」で覆われていることに気づくことがあります。実は、表面は柔らかい芝マットのように見えますが、本質的には多層断熱材である特殊な「暖か芝フェルト」です。

少し「地味」な感じがするかもしれませんが、宇宙船を暖かく保つ効果的な方法でもあります。

例えば、一般的に使用されている第2世代のフレキシブル断熱材は、石英繊維綿を織り込んだ石英繊維布で挟み込み、精密に縫製したもので、「フレキシブル断熱フェルト」とも呼ばれています。熱伝導率が低いキルトタイプの断熱装置で、熱伝導の効率を効果的に低減できます。最高動作温度は750℃です。軽量で耐熱性、耐衝撃性に優れ、安価です。当然のことながら、現在の宇宙船の熱防護システムの「お気に入り」となっています。

幅広いアイデアによる精密制御

かっこよくてかわいい宇宙船断熱法3つは、「分厚い秘密の本」のほんの一部に過ぎません。宇宙船の断熱方法を完全に理解したい場合は、それらを慎重に分類する必要があります。一般的に、宇宙船の断熱制御には、パッシブ制御とアクティブ制御の 2 つの方法があります。

パッシブ制御は、その名の通り、「防御的」な性質を持つ温度制御方法です。前述の「ホットパック」「黄色いローブ」「暖かいわら毛布」はすべてこのタイプに属します。比喩的に言えば、受動的な温度制御には、宇宙船を効果的な「耐熱装甲」で覆う必要があるため、多層断熱材がその中核部品となり、最も幅広い用途に使用されています。

宇宙船内に設置されたヒートパイプも、受動的な温度制御の非常に一般的な方法です。ヒートパイプ内に貯蔵された作動流体（アンモニア水など）は、一端の熱源から放出された熱を素早く吸収し、熱伝導によって他端で熱を放散することで、宇宙船の内部温度を制御し、プロセス全体でほとんどエネルギーを消費しません。

熱を吸収して放散する過程で、ヒートパイプ内の作動流体は物理的状態が変化します。まず液体から気体に蒸発し、次に気体から液体に凝縮します。そのため、この作動流体は「相変化媒体」とも呼ばれます。航空宇宙分野における相変化材料の用途には、宇宙服や帰還カプセルの殻なども含まれます。

嫦娥5号の帰還機は「保温パック」で覆われている（中国航天新聞の記者、李樹恒撮影）

宇宙船では、多層断熱材やヒートパイプに加えて、絶縁体、断熱コーティング、パッシブ熱ラジエーターなどのさまざまなパッシブ温度制御装置も使用されます。

パッシブ温度制御の利点は、シンプルで便利であり、エネルギー消費が非常に少ないことですが、温度制御の精度が低いという明らかな欠点もあります。宇宙船内の各エリアの温度を正確に制御するためには、通常、アクティブ温度制御システムを設置する必要があります。

簡単に言えば、アクティブ温度制御システムは家庭用エアコンと同様に機能します。一般的に使用されている作動流体循環ループ熱制御システムを例にとると、循環ポンプを動力として作動流体を循環させ、指定された冷却端で熱を集め、もう一方の端で熱を放出します。このシステムは、単なる「ヒートパイプの改良版」のように見えるかもしれないが、精密な温度制御が可能であり、宇宙船にとって不可欠な部分である。

未来はよりスマートに

現在の宇宙船の断熱方法は成熟しており信頼性が高いですが、科学の進歩と需要の発展により、航空宇宙従事者は現在の技術に満足しなくなるでしょう。宇宙船の種類がますます多様化し、技術的要件がますます高くなるにつれて、インテリジェントな熱制御コーティング断熱方法が誕生しました。

熱制御コーティングは、一般的に宇宙船の表面の太陽光の吸収と反射率を調整することで温度を安定させますが、インテリジェント熱制御コーティングは、宇宙環境の温度をより敏感に感知し、宇宙船の太陽光の反射率を変更し、宇宙船の温度システムの自律制御を実現します。宇宙船の周囲温度が宇宙船の正常な動作を保証するために必要な温度と大幅に異なる場合、インテリジェント熱制御コーティングは太陽光の反射率を高め、宇宙船内の余分な熱の放散を早めることができます。逆に、インテリジェントな熱制御コーティングは、宇宙船からの熱損失を効果的に低減し、宇宙船内のさまざまな機器や宇宙飛行士が適切な温度を維持するのに役立ちます。

従来の熱制御コーティングと比較して、インテリジェント熱制御コーティングには、小型、軽量、敏感で正確な制御効果など、多くの利点があります。宇宙船が遭遇する極端な周囲環境と作業条件に応じて、自動的にリアルタイムで自身の温度を調整し、受動的な熱制御手段が直面するリモート制御コマンド介入の潜在的な危険を可能な限り回避できます。

インテリジェント熱制御コーティングは、近年広く注目を集めている新興技術です。我が国は近い将来、インテリジェントな熱制御コーティングを施した宇宙船を打ち上げると信じています。乞うご期待。