5年前,嫦娥四号实现了人类首次在月球背面的着陆巡视,3年前,嫦娥五号带回了第一捧中国人自己的月壤。如果把他们结合到一起,又会是什么呢?这就是我们即将发射的嫦娥六号——人类历史上第一个去月球背面采土的航天器。
大家猜一猜,“嫦娥”落月之后,月表的温度有多高?100多度!这时还要在烈日下挖土,会不会越来越热呀?当然会。那小小的“嫦娥”有足够的散热面积吗?不太够。这时就轮到我们自主研发的散热神器——“水升华器”登场了。
那么水升华器为什么能散热呢?大家想一想,我们在炎炎夏日吹风扇,身上的汗水蒸发了,您是不是也就觉得凉快了呀。虽然月球表面没有空气,形成不了风,但是水在真空下蒸发、结冰后升华都会带走大量的热。
为了方便理解,我们可以把水升华器简化为四个部分,分别是多孔板、储水箱、水管和控制阀门。当嫦娥的温度过高时,水升华器就收到开始工作的信号了。控制阀门自主打开,存储在储水箱中的水就会通过水管流入多孔板。多孔板的一侧暴露在月球真空环境,那么靠近这一侧的水分子会马上蒸发。蒸发需要大量吸热,就把板中靠近嫦娥的水冻成了冰。真空环境压力非常小,冰中固态的水分子一旦失去束缚,就很容易跑出来变为活跃的气态,这就是升华。而升华会吸收更多的热量,嫦娥的温度也就降下来了。您可不要小看这普普通通的水呀,5公斤的水带走的热量就能让嫦娥在炎炎烈日下多工作20个小时。
听起来,升华散热的原理并不复杂是吧,但是要保证供水量和水消耗量之间的平衡,可不是一件容易的事。一次给水太多,来不及结冰的水就会喷出多孔板;给水太少,凝结不出足够的冰,热量又散不出去。说起来这好像这是一个阀门就能解决的问题,可这是我一种简化的描述方法,详细来说他包括了测温、贮存、自动控制等一系列系统,套用一句我们军工集体的神秘用语,那就是“过于先进、不便展示”。
设计师作为质量的第一责任人,需要考虑一切可能性。嫦娥五号的总设计师杨孟飞院士最常问的就是“为什么”,如果谁能经得住他的“七个为什么”,就证明对技术、产品和过程完全吃透了。“中国航天人绝不带问题上天”,一次次否决与争论打磨出安全高质量的方案,在挑战中创新,在重压下跨越,无数心血浇灌出探空揽月的阶梯。未来我们将继续坚定探索脚步,用青春写下逐梦星辰的时代答卷!
(作者系北京空间飞行器总体设计部航天器热控设计师,第十届全国科普讲解大赛一等奖获得者、全国十佳科普使者)