飛到太空學化學

平托 何軍 丁為

5月30日9時31分，景海鵬、朱楊柱、桂海潮3名航天員搭乘神舟十六號載人飛船，在長征二號F運載火箭的托舉下，從東風航天城點火升空，開啟為期約5個月的太空之旅。不僅日常生活中處處包含著化學，中國空間站里也離不開化學，讓我們?nèi)タ纯窗桑?p>

對抗極端空間環(huán)境的神奇材料

空間環(huán)境是指由電場、磁場、引力場、電磁輻射、空間碎片、流星體以及各種帶電粒子和中性粒子所構(gòu)成的宇宙空間環(huán)境。

我們知道，宇宙空間環(huán)境存在極高的真空特性，因此熱量的傳遞方式與地面迥異。熱傳導、熱對流與熱輻射3種熱量傳遞的途徑，在高真空的太空環(huán)境里只剩下了熱輻射這一種。所以，利用材料表面的熱輻射特性，是航天器熱控制的一個主要技術(shù)手段。而熱控涂層這層“外衣”就是專門用來調(diào)整物體表面熱輻射性質(zhì)，從而達到溫度控制目的的表面材料。

中國早期神舟系列飛船返回艙表面的熱控涂層材料，熱輻射性能變化范圍較大。這是由于早期飛船，或者飛船與天宮空間站對接的組合體結(jié)構(gòu)相對簡單，熱環(huán)境也較為簡單、周期短，任務(wù)周期內(nèi)的空間外熱流（航天器在軌道運行時，到達其外表面上的各種空間輻射熱源）變化較小。

隨著中國空間站的建設(shè)，空間站尺寸和結(jié)構(gòu)較天宮一號目標飛行器、天宮二號目標飛行器已發(fā)生顯著的變化，神舟飛船與空間站組合體的飛行姿態(tài)較為復雜，任務(wù)軌道增加了多種新的飛行姿態(tài)，新的飛行姿態(tài)會出現(xiàn)神舟飛船艙體被空間站其他艙段遮擋、長期無法被太陽輻照的情況。

神舟飛船受空間站和貨運飛船等飛行器的遮擋，低溫工況下的空間外熱流顯著降低，最低溫度可低于零下100攝氏度；而當空間站處于某些構(gòu)型時，神舟飛船局部區(qū)域會持續(xù)受太陽輻照，持續(xù)受輻照區(qū)域會出現(xiàn)極高溫度，最高可超過100攝氏度。因此，早期使用的熱控涂層材料已不能適應(yīng)新需求。于是，從2021年發(fā)射的神舟十二號載人飛船開始，中國航天人為飛船返回艙“穿上”了銀色的“新外衣”。

呵護神舟飛船的新“外衣”

航天科技集團五院529廠的航天工程師利用宇宙空間以熱輻射為主要熱量傳導方式的特點，為空間站階段的神舟飛船家族設(shè)計并研制了一款神奇的控溫外衣——低吸收-低發(fā)射型熱控涂層。

低吸收指的是涂層材料自身具有極少太陽光吸收特性，可有效減弱太陽輻照造成的溫度升高；而低發(fā)射指的是涂層具有極低的紅外發(fā)射率，可有效阻隔飛船內(nèi)部向深冷環(huán)境的輻射漏熱，避免艙內(nèi)溫度不斷降低。這就保障了空間站階段神舟飛船返回艙在長期的極端高、低溫環(huán)境下，依然能夠保持正?！绑w溫”。

同時，這件新“外衣”可以抵抗宇宙空間中的高能紫外輻照、高能帶電粒子以及原子氧轟擊等環(huán)境因素導致的老化和剝蝕，在極端空間環(huán)境下也能保持溫控穩(wěn)定性。

經(jīng)受住了長期在軌考驗

這件“新外衣”的穿著效果如何呢？以神舟十三號飛船為例，2022年4月16日9時56分，飛行了整整6個月的神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸。在這6個月的時間里，航天工程師不斷進行著在軌溫度監(jiān)測，一刻不落地獲取了神舟十三號載人飛船飛行期間整個艙內(nèi)外的溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，在大溫差、長期低溫、強輻射的空間環(huán)境里，神舟十三號載人飛船的艙內(nèi)環(huán)境溫度控制在18～26攝氏度，為航天員營造了舒適的溫度環(huán)境，新型控溫“外衣”經(jīng)受住了長期在軌考驗！

?神舟飛船外的低吸收-低發(fā)射型熱控涂層（攝影/楊卓）

如今，空間站階段神舟飛船已經(jīng)開啟了一輪又一輪的護送航天員天地往返的任務(wù)。在這件“新外衣”的呵護下，神舟飛船家族將會更放心地在太空飛行，助力中國早日實現(xiàn)航天強國新的跨越！

空間站上的“中國紅”

在浩瀚無垠的宇宙中，什么是最美的顏色？那一定是五星紅旗的“中國紅”！“中國紅”代表著中華民族奮勇爭先的精神，有中國人的地方就有“中國紅”！

中國航天人、廣大科技工作者發(fā)揚載人航天精神，創(chuàng)造了一個個奇跡。從2003年中國首個載人飛船神舟五號的五星紅旗首次太空展示，到嫦娥三號月球探測器上的五星紅旗首次亮相月球，再到1億千米外天問一號火星環(huán)繞器上的五星紅旗熠（yì）熠生輝，五星紅旗每一次在太空中展示，都標志著中國航天科技取得了令世界矚目的成就。

中國空間站項目是國家的重大工程，以什么樣的方式來展示空間站太空遨游的風采，記錄下這歷史性的一刻呢？那一定是國旗。

中國空間站在太空遨游展示國旗的創(chuàng)意醞釀形成后，什么材料的國旗、多大尺寸、怎么展示等問題懸而未決。

航天工程師提出了在空間站艙體表面噴涂國旗的方案——噴涂的國旗重量輕，涂層厚度僅為微米級，不會給空間站增加額外“負擔”，可以讓空間站“輕裝”上陣。此外，噴涂的國旗可靠性高，不會因失重或者航天員出艙活動的碰觸而變形。

中國空間站任務(wù)周期長、軌道環(huán)境復雜，包括原子氧、真空-紫外、高低溫交變及電離輻射等。在這種環(huán)境下，常規(guī)材料的國旗顏色會退化，甚至會發(fā)生國旗脫落的情況。為此，中國空間站國旗采用了純無機材料制備而成，相比于地面織物國旗和以往的太空國旗，它具有更強的耐極端空間輻照及耐氧化性能。

?經(jīng)高溫噴霧工序在國旗填料表面形成一層致密、透明的交聯(lián)膜層，國旗色彩鮮艷（供圖/航天科技集團五院529廠）

為保證國旗在空間站全壽命服役周期顏色鮮艷、永葆本色，航天工作者對國旗涂層填料（填充劑）進行了改性——通過高溫噴霧的工序，在填料表面形成一層致密、透明的交聯(lián)膜層。這種透明膜層密閉性好，具有耐極端空間環(huán)境的性能，既不影響國旗的鮮艷顏色，還能給涂層“遮風擋雨”，有效阻止太空環(huán)境對涂層的損傷，進一步提升國旗在空間環(huán)境的穩(wěn)定性。

噴涂空間站國旗像繡花

國旗顏色由紅色和黃色組成，為使國旗色彩符合標準，需要對國旗調(diào)色。研究人員基于三原色原理，以紅色顏料或黃色顏料為基準，當國旗顏色偏紅時，在涂層體系里添加高穩(wěn)定的綠色填料；當國旗顏色偏黃時，就在涂層體系里添加高穩(wěn)定的藍色填料。就這樣邊調(diào)節(jié)邊測試，不斷優(yōu)化涂層配方，經(jīng)過多次配方調(diào)節(jié)，最終使國旗顏色完全符合標準。

?2022年7月11日，中國空間站運行到祖國上空，五星紅旗與蔚藍色的地球交相輝映

由于中國空間站艙體表面噴涂了熱控白漆，再加上紅色及黃色涂層，國旗形成了“白-紅-黃”3層涂層結(jié)構(gòu)。國旗噴涂總共有100多道加工工序，整個過程如同繡花，加工工序是“繡法”，操作人員是“繡女”，經(jīng)過嚴格訓練，操作人員練就了高超的“繡花”技術(shù)。

研究人員利用艙外標識涂層技術(shù)，還研制出了載人航天工程標識、航天員出艙活動路徑等標識。航天員出艙活動，走什么路線、怎么出艙、怎么執(zhí)行任務(wù)、怎么回艙內(nèi)，都必須有明確的指示標識，保障了中國空間站任務(wù)的順利進行。

如今，中國空間站已全面進入應(yīng)用與發(fā)展階段。5月30日，神舟十六號載人飛船也來到了中國空間站。讓我們一起期待中國航天人書寫更壯麗的篇章！

?采用中國空間站國旗標識涂層技術(shù)研制的航天員出艙活動路徑標識，為航天員出艙操作提供了有力輔助

（責任編輯 / 高琳? 美術(shù)編輯 / 周游）