Эта задача сбивает с толку почти каждого, кто понимает основы физики. Вы знаете, что вакуум является плохим проводником тепла. Он действует как самый большой термос в мире. Следовательно, логично предположить, что если запереть тепло внутри космического аппарата, оно будет оставаться там вечно. Но космические аппараты не остаются горячими. Они постоянно избавляются от избыточной тепловой энергии. Как они это делают?
Ответ кроется в понимании того, как передается тепло, когда нет воздуха, чтобы унести его.
Радиационное охлаждение против конвективного охлаждения
На Земле охлаждение происходит легко. У нас есть конвекция. Движется воздух. Вращаются вентиляторы. Кипит вода. Эти процессы зависят от среды — газа или жидкости — для отвода тепла от источника. В вакууме космоса нет воздуха. Нет конвекции. Нет ветра.
Поэтому космические аппараты полностью полагаются на тепловое излучение. В частности, на инфракрасное излучение. Каждый объект излучает тепловую энергию в виде электромагнитных волн. Чем горячее объект, тем больше излучения он испускает. В космосе это единственный способ сбросить тепло.
Это фундаментальное различие меняет подход к инженерному проектированию.
Рассмотрите станцию «Скайлэб». Ей нужно было выдержать интенсивное солнечное излучение на ее орбитальной высоте. Инженеры покрыли некоторые ее части золотом. Золото отлично отражает инфракрасное излучение. Оно не пропускает тепло солнца внутрь. Но станции также необходимо избавляться от тепла, генерируемого собственной электроникой, топливными элементами и ракетными двигателями. Для этого она использовала большие радиаторы.
Эти радиаторы должны были быть массивными. Почему? Потому что без помощи конвекции им приходится работать гораздо усерднее, чтобы сбросить то же количество энергии. Радиатор на Земле может использовать вентилятор, чтобы прогонять воздух через горячие ребра. В космосе у вас просто есть металлические пластины, находящиеся в пустоте. Вам нужна большая площадь поверхности, чтобы компенсировать отсутствие помощи со стороны конвекции.
Секретное оружие «Шаттла»
Космический шаттл перенес эту проблему в низкую околоземную орбиту. Его конструкция включала cleverную пассивную систему охлаждения, встроенную в створки грузового отсека.
Эти створки были облицованы радиаторами. Как только шаттл выходил на орбиту, экипаж должен был открыть эти створки. Это делалось не просто для красоты. Это был первый шаг в процессе теплового управления. Выставляя радиаторы на холод космоса, шаттл мог сбрасывать избыточное тепло, накопленное во время восхождения и во время стыковки.
Если бы вы посмотрели на шаттл на орбите, вы бы видели систему, которая должна была отводить тепло исключительно посредством электромагнитных волн. Никакого воздуха. Никакого потока жидкости. Только излучение.
Почему астронавты все равно мерзнут
Кажется нелогичным. Если космос — идеальный изолятор, почему астронавты беспокоятся о замерзании? Или, скорее, почему они беспокоятся о том, что определенные части их тела могут слишком сильно охладиться, в то время как остальная часть скафандра остается теплой?
Проблема «холодного пальца» является реальной проблемой во время выходов в открытый космос. Сам скафандр разработан для поддержания стабильной внутренней температуры. Но тепло все еще передается посредством теплопроводности через материалы скафандра. Если инструмент нагревается или если определенная часть скафандра теряет тепло быстрее, чем другие, астронавт может испытывать локальное охлаждение.
Вакуум изолирует все тело от внешней среды. Он предотвращает выход тепла наружу в космос. Но он не препятствует перемещению тепла внутри скафандра или между соединенными компонентами. Вот почему системы теплового контроля в скафандрах такие сложные. Они должны управлять внутренними
