在空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙暴露平臺，空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置（簡稱空間輻射生物學(xué)裝置）處于太空冷黑背景和太陽光斷續(xù)照射的極端低溫和高溫環(huán)境。為了支持植物種子和微小動物等生物實(shí)驗(yàn)樣品的艙外暴露實(shí)驗(yàn)，給生物樣品提供合適的溫度以保證樣品的存活，需要對裝置進(jìn)行熱控設(shè)計。一起來了解吧。

自20世紀(jì)60年代人類首次進(jìn)入太空以來，就在太空開展生物樣品暴露實(shí)驗(yàn)，利用太空宇宙輻射、微重力、太陽全波段譜輻射和微流星體等極端環(huán)境來開展生命起源、生物進(jìn)化、太空生物效應(yīng)、微生物在太空的生存、生命的極限等研究。

2023年5月，中國研制的空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置搭載天舟六號貨運(yùn)飛船升空。該裝置是中國空間站基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施之一，安裝于空間站夢天艙艙外暴露平臺。

空間輻射生物學(xué)裝置簡介

一

作為我國首個艙外輻射生物學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷，空間輻射生物學(xué)裝置支持微小動物、微生物、植物種子和有機(jī)大分子等生物樣品的暴露實(shí)驗(yàn)，可對微小動物進(jìn)行培養(yǎng)控制，具有帶電粒子、中子和太陽紫外線等空間環(huán)境監(jiān)測和對生物樣品成像觀測功能。

按照功能，裝置劃分為4個子系統(tǒng)：中央控制子系統(tǒng)、樣品觀測子系統(tǒng)、樣品生保子系統(tǒng)和輻射測量子系統(tǒng)。

中央控制子系統(tǒng)

中央控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與空間站平臺的通信，并為其他子系統(tǒng)提供電源、控制、數(shù)據(jù)收集和打包等服務(wù)；

樣品觀測子系統(tǒng)

樣品觀測子系統(tǒng)用于微小動物實(shí)驗(yàn)，可進(jìn)行微小動物培養(yǎng)控制，在軌實(shí)時拍照和錄制視頻，并控制子系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境溫度；

樣品生保子系統(tǒng)

樣品生保子系統(tǒng)為植物種子、微生物和有機(jī)大分子等生物樣品提供其所需的溫度、氣體和光照等環(huán)境條件；

輻射測量子系統(tǒng)

輻射測量子系統(tǒng)測量生物樣品所處環(huán)境的帶電粒子輻射、中子輻射和太陽紫外輻射，為實(shí)驗(yàn)提供實(shí)時就位測量的環(huán)境數(shù)據(jù)。

空間輻射生物學(xué)裝置的熱控需求

二

在艙外太空冷黑背景以及太陽光照持續(xù)變化的環(huán)境，如果沒有較好的熱控設(shè)計，暴露裝置的溫度可發(fā)生較大范圍的高低溫變化。

早期的生物暴露實(shí)驗(yàn)裝置對熱控設(shè)計要求不高，科學(xué)家們在總結(jié)前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對生物暴露實(shí)驗(yàn)裝置提出了較多的改進(jìn)建議措施，如在軌觀測、環(huán)境控制和可研究活體生物響應(yīng)的微流控芯片系統(tǒng)等，控制溫度是其中的一個方面。通過控溫，可以模擬特殊溫度環(huán)境，控制生物樣品活性狀態(tài)，支持活體生物的暴露實(shí)驗(yàn)。

為了支持植物種子的長期暴露實(shí)驗(yàn)，中國空間站空間輻射生物學(xué)裝置環(huán)境溫度要求在5℃~20℃范圍內(nèi)。水稻種子和擬南芥種子長期溫度環(huán)境實(shí)驗(yàn)表明，在5℃~20℃溫度環(huán)境保存6個月，種子的存活和發(fā)育未發(fā)生顯著變化。而為了開展線蟲等微小活體動物的在軌培養(yǎng)暴露實(shí)驗(yàn)，空間輻射生物學(xué)裝置微小動物環(huán)境對溫度的要求更高，需提供線蟲常規(guī)培養(yǎng)溫度20±1℃。

空間輻射生物學(xué)裝置熱控設(shè)計

三

空間輻射生物學(xué)裝置安裝在空間站夢天艙暴露平臺Ⅲ象限朝天面，與平臺隔熱安裝。基于空間站軌道特征，在考慮生物樣品環(huán)境溫度需求和裝置特性后開展熱控設(shè)計，確定裝置熱控設(shè)計基本方案：通過輻射制冷將裝置整體溫度拉低到20℃以下，然后采用主動加熱或制冷控溫精確調(diào)整生物樣品環(huán)境的溫度。

1 如何將裝置整體溫度降低到20℃以下？

裝置表面設(shè)置輻射制冷面和多層包覆

輻射制冷面用于把裝置內(nèi)部的熱量散出去。輻射制冷面選取的位置與大小，考慮了裝置安裝位置周邊情況，兼顧地影期與光照期，既要保證在光照期裝置自身發(fā)熱量可以順利散熱，又要保證在地影期裝置自身發(fā)熱量可以起到加熱保溫作用。

裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)并優(yōu)化布局

裝置劃分為電子學(xué)模塊區(qū)和生物樣品區(qū)，電子學(xué)模塊靠近或接觸輻射制冷面，便于散熱，減少裝置運(yùn)行過程中電子學(xué)發(fā)熱對生物樣品的影響。

裝置電子學(xué)主要集中在中央控制子系統(tǒng)、輻射測量子系統(tǒng)和樣品觀測子系統(tǒng)。中央控制子系統(tǒng)和輻射測量子系統(tǒng)分別在?X散熱面和+Z散熱面，并且把大功率發(fā)熱器件如裝置的電源模塊、濾波器和通信模塊等靠近機(jī)殼及輻射制冷面布置，同時設(shè)置器件與機(jī)殼直接連接的金屬散熱片，將它們的熱量直接傳遞至機(jī)殼輻射制冷面。樣品觀測子系統(tǒng)通過導(dǎo)熱塊與?X輻射制冷面連接。

2 如何精確調(diào)整生物樣品環(huán)境的溫度？

裝載生物樣品的樣品生保子系統(tǒng)和樣品觀測子系統(tǒng)，采用主動控溫以滿足實(shí)驗(yàn)需求。

樣品生保子系統(tǒng)由3個相同的抽屜及其上的12個樣品盒組成。生物樣品安裝在樣品盒內(nèi)。由于樣品盒本身發(fā)熱少，設(shè)計時首先減少裝置其他部分熱傳導(dǎo)至樣品盒，使樣品盒溫度低于20℃，并降低裝置溫度變化的生物樣品環(huán)境的影響。

采取的設(shè)計措施有：抽屜與裝置接觸的導(dǎo)軌采用鏤空設(shè)計以減少接觸面積，樣品盒與抽屜隔熱安裝，樣品盒表面拋光處理。然后，為了避免樣品盒溫度過低，樣品盒內(nèi)部設(shè)置加熱片，加熱片的開關(guān)由中央控制子系統(tǒng)自動控制，當(dāng)樣品盒溫度低于設(shè)定的低溫閾值時，啟動加熱；當(dāng)溫度高于設(shè)定的高溫閾值時，加熱片停止加熱，從而把樣品盒的溫度控制在5℃~20℃范圍。

樣品觀測子系統(tǒng)為1個大抽屜，設(shè)置內(nèi)膽和外膽，內(nèi)膽和外膽之間用多層隔熱薄膜和聚酰亞胺條進(jìn)行隔熱。外膽上導(dǎo)軌與裝置接觸；內(nèi)膽包裹多層包覆，通過導(dǎo)熱塊散熱至裝置的?X向輻射制冷面。子系統(tǒng)各模塊都在內(nèi)膽內(nèi)，包含裝載微小動物的微流控芯片、顯微相機(jī)、通信電路等以實(shí)現(xiàn)微小動物的培養(yǎng)控制、拍照和錄視頻。內(nèi)膽設(shè)置加熱片和半導(dǎo)體制冷器，控制微小動物樣品環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度高于20℃時，半導(dǎo)體制冷器工作，加熱片不工作，內(nèi)膽中產(chǎn)生的熱量通過半導(dǎo)體制冷器的輸運(yùn)傳遞到后面板導(dǎo)熱塊上；當(dāng)環(huán)境溫度低于19℃時，半導(dǎo)體制冷器不工作，加熱片工作，加熱片產(chǎn)生的熱量維持子系統(tǒng)環(huán)境溫度。

看完以上介紹，你是否對空間輻射生物學(xué)裝置的熱控設(shè)計有了更加深入的了解？期待空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)取得更多新成果。

參考文獻(xiàn)

[1]張斌全,林強(qiáng),童廣輝,等.空間輻射生物學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)裝置熱控設(shè)計及結(jié)果[J].宇航學(xué)報,2024,45(11):1849-1856.

編輯/吳馥桐

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號：中國載人航天

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