宇宙船を宇宙で「熱くも冷たくもない」状態に保つには、何段階のステップが必要ですか?

宇宙を想像するとき

広大な星々を思い浮かべるかもしれません。

魅惑的な星雲と神秘的なブラックホール

でも、ご存知ですか？

宇宙は実は非常に寒い環境である

平均気温は約-270℃

しかし、宇宙のすべての場所がそのような低温になるわけではありません。宇宙の温度は、物体が星からの放射線にさらされているかどうかによって大きく異なります。たとえば、宇宙ステーションの太陽に面した側は非常に高温になり、表面温度は 150°C まで上昇しますが、太陽に面していない側は非常に低温になり、温度は -100°C まで下がります。このような大きな違いが生じる主な理由は、宇宙での熱の伝達方法が地球上とは非常に異なるためです。

中国の宇宙ステーション

熱伝達には、熱伝導、熱対流、熱放射という 3 つの基本的な方法があることは知られています。

熱伝導とは、接触を通じて物体間で熱が伝達されることを指します。熱対流とは、流体（液体または気体）の動きによる熱の伝達を指します。熱放射とは、物体が電磁波を放出または吸収することによって熱を伝達することを指します。

地上環境では、これら 3 つの方法すべてを効果的に実行できます。しかし、宇宙では空気やその他の媒体が存在しないため、伝導や対流はほとんど存在せず、放射が唯一の熱伝達方法となります。つまり、宇宙では、物体は電磁波を放出したり吸収したりすることによってのみ温度を調節できるのです。

これは宇宙船にとって大きな課題です。宇宙船は動作中に大量の熱を発生し、太陽からの放射線にもさらされるからです。熱が時間内に放散されない場合、宇宙船は過熱したり、損傷したりすることもあります。

同時に、宇宙船は過剰な熱を放射しないようにする必要があります。特に太陽の日陰にいるときは、気温が低くなりすぎないように注意してください。したがって、宇宙船は、宇宙船上の機器や装置の正常な動作に必要な適切な温度を維持するために、効果的な温度制御システムを設計する必要があります。

宇宙船の開発中には、宇宙環境をシミュレートし、宇宙船とそのシステムに対して包括的なテストを実施する熱真空テストという重要なテストもあります。このプロセスの目的は、宇宙船が実際の宇宙環境で正常に動作し、意図したミッションを完了できることを確認することです。

地上での熱真空試験は、宇宙船の宇宙での性能を検証する主な手段です。宇宙船の安全性とミッションの成功に関係するため、その重要性は自明です。熱真空試験は、宇宙船上の製品の性能と機能を検査し、製品設計の合理性を検証し、部品、材料、プロセス、品質の潜在的な欠陥を明らかにするためにも使用できます。熱真空試験後、軌道上の宇宙船の信頼性が大幅に向上することが実証されています。

航法衛星がKM7で熱真空試験を受ける

宇宙船の熱真空試験は、専用の宇宙環境シミュレーション装置で実行する必要があります。宇宙環境シミュレーション装置は、宇宙船環境シミュレーション工学における重要な地上試験装置です。主に真空容器、真空システム、液体窒素システム、計測・制御システムなどで構成されています。

真空システム

真空システムの主な役割は、宇宙船に真空背景を提供することです。真空容器内の空気分子は、真空ポンプと極低温ポンプの組み合わせによって抽出され、宇宙船の熱真空試験に必要な高真空環境を実現し、維持します。

現在、我が国の宇宙船の熱真空試験では、一般的に容器内の真空度が6.5×10-3Pa以下であることが求められており、最低でも1.3×10-3Paまで下がる可能性があり、これは我が国の地上の通常の大気圧の10億分の1に相当します。

液体窒素システム

液体窒素システムの主な機能は、液体窒素を使用して真空容器内のヒートシンクを冷却し、ヒートシンクの温度を-173°C未満に下げ、ヒートシンクを使用して宇宙の冷たい黒い背景をシミュレートすることです。

計測制御システム

計測制御システムの主な機能は、テスト中に宇宙船の温度を正確に制御することです。

宇宙では、宇宙船は直射日光による高温から日陰による低温まで、極端な温度変化を経験します。宇宙船は地球を周回するたびにこの温度変化を経験します。

低温は主に、宇宙船の熱放射を吸収するための冷たい背景を構築するために液体窒素システムを使用することによって達成されます。加熱方法として赤外線ケージまたは赤外線ランプを使用し、電気加熱を行うことで高温を実現します。最終的には、両者のバランスをとることで宇宙船の温度が正確に制御され、宇宙空間における宇宙船の温度変化をシミュレートします。

宇宙船の試験で一般的に使用される加熱方法（赤外線ランプアレイ、赤外線ケージ、薄膜電気ヒーター）

我が国は、航空宇宙モデルを原動力として、さまざまなタイプの宇宙環境シミュレーション機器を次々と開発し、我が国の宇宙船の発展に大きく貢献してきました。我が国最大の熱真空試験装置はKM8で、直径17メートル、高さ35メートル、10階建てのビルに相当します。これは世界で3番目に大きい宇宙環境シミュレーターであり、アジアでは最大の規模を誇ります。

KM8宇宙環境シミュレーション装置

宇宙空間の熱真空環境をシミュレートすることで、起こり得る問題を事前に発見し、修復することができます。こうすることで、宇宙船が実際に宇宙に突入したときに、私たちはこの神秘的で美しい宇宙を、より自信を持って探査できるようになります。

著者：

李涛北京冷凍学会会員、中国宇宙科学院技術者・エンジニア

劉元氏は北京冷凍学会の会員であり、中国宇宙科学院の支部長兼研究者です。

周月歌、北京冷凍学会会員、中国宇宙科学院副院長兼上級エンジニア

編集者: 董暁賢