如果同學們對航空航天領域感興趣，就會發現這麼一件有趣的事：無論是哪個國家發射的航天器,如人造衛星、探測器或空間站等，都包裹有一層金燦燦的覆蓋物，就像是黃金製成的外套一樣。
為何這些航天器要穿一身“黃袍”呢？難道，大家是想要通過“黃袍加身”的方式，來展現出航天器尊貴的身份嗎？
在月背工作的嫦娥四號探測器（圖源：視覺中國）
天問一號火星探測器（圖源：知乎）
小知識
後周時期，宋太祖趙匡胤發起陳橋兵變，並被部下們披上了一件黃袍，從此開始自稱天子，爭奪天下。這就是“黃袍加身”的典故。
由於發射成本高昂，航天器上所安裝每一件設備的重量都是經過科學家們精心計算的。所以，這一身黃袍當然不是裝飾品啦！它們主要用於控制溫度，防止由於溫度過高或過低而出現航天器儀器失靈的現象，是保證航天器得以正常工作的重要防護設備之一。那麼，這些黃金外衣控制溫度的工作原理是什麼呢？我們繼續看下去吧！
為什麼需要調控航天器的體溫？
要搞清楚這個問題，我們需要先了解一下熱傳遞的三種主要途徑：熱傳導、熱對流以及熱輻射。
當兩個溫度不同的固體相互接觸時，它們彼此之間就可以通過內部分子、原子或電子的運動來交換熱量，即熱傳導；而對於具有不同溫度的液體或氣體，當它們相互接觸時，可以通過流體的移動來實現熱量的傳遞，即熱對流；除此之外，任何溫度高於絕對零度的物體都在無時不刻地向周圍發射著攜帶有一定熱量的電磁波，即熱輻射。
熱量傳遞的三種方式（圖源：新浪）
要搞清楚這個問題，我們需要先了解一下熱傳遞的三種主要途徑：熱傳導、熱對流以及熱輻射。
當兩個溫度不同的固體相互接觸時，它們彼此之間就可以通過內部分子、原子或電子的運動來交換熱量，即熱傳導；而對於具有不同溫度的液體或氣體，當它們相互接觸時，可以通過流體的移動來實現熱量的傳遞，即熱對流；除此之外，任何溫度高於絕對零度的物體都在無時不刻地向周圍發射著攜帶有一定熱量的電磁波，即熱輻射。
航天器體溫控制方法之一：被動控制
被動溫度控制，顧名思義，是一種帶有防禦性質的溫度控制方法。就像是坦克配備有厚厚的防彈裝甲一樣，航天器同樣需要安裝一層可以有效抵抗熱輻射的“防熱裝甲”。而航天器所穿的那一身黃袍，就是一類熱防護裝甲，學名叫做“多層隔熱材料”。
多層隔熱材料就像是一層厚厚的毯子，主要由兩部分組成：反射屏（表層）以及間隔物（內層）組成。
多層隔熱材料（圖源：騰訊）
表層的反射屏可以有效地將以太陽輻射為主的宇宙輻射反射回去，就像是反彈披風一樣；而內層的反射屏則可以阻止航天器內部的熱量散逸到真空中，從而起到保溫的作用。
反射屏常用的一種隔熱材料為鍍有金屬箔（如金箔、銅箔等）的聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜，這也就是我們所看到的金黃色的外套啦（有時也會是銀色）！而間隔物一般為疏鬆多孔的材料，如玻璃纖維、石英纖維等，可以進一步地阻礙航天器與真空環境發生過多的熱交換。
除了多層隔熱材料外，安裝在航天器內部的熱管也是一種很常用的被動溫度控制方法。熱管內部儲存的工質（如氨水）可以迅速地將一端熱源散發的熱量吸收，然後通過熱傳導的方式在另一端進行散熱，從而實現航天器內部的溫度控制，整個過程沒有消耗能量。
由於在吸熱與散熱的過程中，熱管內部的工質會發生物理狀態的改變：首先從液體蒸發為氣體，然後再由氣體冷凝成液體，所以又被稱為“相變介質”。
熱管的工作原理（圖源：參考文獻[1]）
其實，熱管是一種用途非常廣泛的設備，不僅可以用於航天器的溫度控制，在其他工程領域也是不可或缺的“神器”呢！
例如，青藏高原上的凍土層每年都經歷著冬天凍結、夏天融化的循環過程，這一季節性凍結—融化的現象帶來了嚴重的地基下沉，是我國青藏鐵路建設中的面臨的一大難題。工程師們正是在鐵路的沿線安裝了大量的熱管，將土壤內部的熱量及時高效地散發到外部，才保證了凍土層的經年不化。
青藏鐵路上安裝的熱管（圖源：kknews.com）
除了多層隔熱材料以及熱管以外，航天器上還會採用隔熱器、隔熱塗層、被動式熱輻射器等許多種不同的被動溫度控制裝置。
航天器體溫控制方法之二：主動控制
被動溫度控制的優點是簡單方便，不消耗能量；但它也有較為明顯的缺點，那就是精度較差。為了實現航天器內部各區域溫度的精準控制，一般還需要安裝主動溫度控制系統。
這種主動溫度控制系統的工作原理與我們家用空調非常類似。以常用的一種名為“工質循環迴路熱控系統”的溫度控制系統為例，它利用循環泵作為動力源來驅動工質進行循環流動，在指定的冷卻端收集熱量，並在另一個釋放端釋放熱量。這種系統看似只是高級版的熱管，但可以實現精準的溫度控制，是航天器中必不可少的一部分！
國際空間站內部的主動熱控系統（圖源：參考文獻[1]）
同學們，從探究航天器身上所穿的“黃袍”開始，我們在這裡學習到了航天器溫度控制相關的知識。下一次，如果在電視上看到了相關的新聞，一定要給家長科普一下哦！
知識點總結
本文的涉及到的知識與人教版高中物理課本選修第三冊有關，我們最後總結一下：
1. 熱量傳遞的方式主要有三種：熱傳導、熱對流以及熱輻射。
2. 由於真空中沒有傳遞介質的存在，航天器主要通過熱輻射來吸收熱量。
3. 航天器溫度控制的方法主要有被動控制和主動控制兩種，其中多層隔熱材料（也就是金黃色的外套）是被動控制技術的一種。
參考資料：
[1]卜珺珺,曹軍,楊曉林.國外載人航天器熱控技術發展分析[J].航天器環境工程,2012,(5):499-503. DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2012.05.007.
[2] 江經善.多層隔熱材料及其在航天器上的應用[J].宇航材料工藝,2000,30(4):17-25. DOI:10.3969/j.issn.1007-2330.2000.04.004.
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責編/小西途說
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