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，讓我們去看看吧！

對抗極端空間環境的神奇材料

空間環境是指由電場、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成的宇宙空間環境。

我們知道，宇宙空間環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手段。而熱控涂層這層“外衣”就是專門用來調整物體表面熱輻射性質，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構相對簡單，熱環境也較為簡單、周期短，任務周期內的空間外熱流（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，空間站尺寸和結構較天宮一號目標飛行器、天宮二號目標飛行器已發生顯著的變化，神舟飛船與空間站組合體的飛行姿態較為復雜，任務軌道增加了多種新的飛行姿態，新的飛行姿態會出現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型時，神舟飛船局部區域會持續受太陽輻照，持續受輻照區域會出現極高溫度，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新需求。于是，從2021年發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計并研制了一款神奇的控溫外衣——低吸收-低發射型熱控涂層。

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；而低發射指的是涂層具有極低的紅外發射率，可有效阻隔飛船內部向深冷環境的輻射漏熱，避免艙內溫度不斷降低。這就保障了空間站階段神舟飛船返回艙在長期的極端高、低溫環境下，依然能夠保持正常“體溫”。

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境因素導致的老化和剝蝕，在極端空間環境下也能保持溫控穩定性。

經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外的溫度數據。數據顯示，在大溫差、長期低溫、強輻射的空間環境里，神舟十三號載人飛船的艙內環境溫度控制在18～26攝氏度，為航天員營造了舒適的溫度環境，新型控溫“外衣”經受住了長期在軌考驗！

?神舟飛船外的低吸收-低發射型熱控涂層（攝影/楊卓）

如今，空間站階段神舟飛船已經開啟了一輪又一輪的護送航天員天地往返的任務。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、廣大科技工作者發揚載人航天精神，創造了一個個奇跡。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。

中國空間站任務周期長、軌道環境復雜，包括原子氧、真空-紫外、高低溫交變及電離輻射等。在這種環境下，常規材料的國旗顏色會退化，甚至會發生國旗脫落的情況。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。

?經高溫噴霧工序在國旗填料表面形成一層致密、透明的交聯膜層，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、透明的交聯膜層。這種透明膜層密閉性好，具有耐極端空間環境的性能，既不影響國旗的鮮艷顏色，還能給涂層“遮風擋雨”，有效阻止太空環境對涂層的損傷，進一步提升國旗在空間環境的穩定性。

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定的藍色填料。就這樣邊調節邊測試，不斷優化涂層配方，經過多次配方調節，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層涂層結構。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”，經過嚴格訓練，操作人員練就了高超的“繡花”技術。

研究人員利用艙外標識涂層技術，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、怎么執行任務、怎么回艙內，都必須有明確的指示標識，保障了中國空間站任務的順利進行。

如今，中國空間站已全面進入應用與發展階段。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? 美術編輯 / 周游）