豐茂龍 黃家榮 范含林 鐘 奇

（中國空間技術(shù)研究院總體部）

1 引言

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，航天員的出艙活動變得越來越頻繁，如登月探測、火星探測及建立國際空間站等，宇宙空間的深冷背景及環(huán)境的復(fù)雜多變性給航天員的出艙活動（Extravehicular Activity，EVA）帶來了嚴(yán)重的阻礙，必須進(jìn)行隔熱處理，但航天員的新陳代謝熱量需要排散，所以要做好艙外航天服的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證航天員在合適的溫濕度下完成出艙任務(wù)。各國的載人航天研究機(jī)構(gòu)先后開發(fā)了多種艙外航天服的熱控方法，其中最主要的就是以水升華器為散熱部件的熱控系統(tǒng)，水升華器具有體積小、重量輕[1]，在失重和熱負(fù)荷變化的條件下能夠可靠工作等優(yōu)點(diǎn)，因此深受熱控研究者的青睞。圖1為水升華器示意圖。但是水升華器是消耗性熱控部件，其使用在一定程度上受環(huán)境的影響，于是產(chǎn)生了利用輻射器進(jìn)行散熱或者兩者耦合的航天服熱控系統(tǒng)。

圖1 水升華器結(jié)構(gòu)示意圖

目前各航天大國均在進(jìn)行水升華器系統(tǒng)的研究開發(fā)，美國是艙外航天服熱控技術(shù)最先進(jìn)的國家，本文查閱了美國近年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，對其艙外航天服熱控系統(tǒng)的研究做了調(diào)研，給出了美國艙外航天服熱控制技術(shù)研究的最新進(jìn)展。本文對我國的艙外航天服熱控技術(shù)研究及熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用和借鑒意義。

美國從20世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行艙外航天服熱控技術(shù)的研究，早期主要是水升華器熱控系統(tǒng)的研究，并在隨后的“阿波羅”計(jì)劃中得到第一次實(shí)際應(yīng)用[2,3]。美國航天飛機(jī)，“阿波羅”登月艙、“雙子星”探測等都有水升華器的身影，俄羅斯Orlan及歐洲Hermes計(jì)劃的熱控系統(tǒng)采用的也是水升華器系統(tǒng)[4]。

水升華器主要部件為換熱器、多孔板及循環(huán)制冷工質(zhì)（一般為水或水、乙二醇溶液）。水升華器與其他組件，如泵、水分離器等組成完整系統(tǒng)。而在火星探測中，鑒于火星的環(huán)境穩(wěn)定性，美國Rini公司與NASA合作，研發(fā)了輻射器熱控系統(tǒng)，還開發(fā)了最新型的航天服凹槽式薄膜蒸發(fā)器等，各種系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀將在下面進(jìn)行詳述。

2 艙外航天服熱控原理及應(yīng)用

艙外航天服熱控系統(tǒng)的主要組件是水升華器或者輻射器。其中水升華器的主要工作原理是通過蒸發(fā)或升華一種消耗性物質(zhì)進(jìn)入太空，利用這種物質(zhì)的相變潛熱，來調(diào)節(jié)航天服的溫度。目前使用較多的消耗性物質(zhì)是水，也有水和乙二醇溶液或者氨水溶液。

圖2為水升華器熱控系統(tǒng)簡化示意圖，其在“阿波羅”登月及航天飛機(jī)中都有應(yīng)用，給水在氣-液換熱器和多孔板之間以一定的壓力引入，通過換熱器從循環(huán)冷卻回路吸收所要排散的熱量。由于多孔板的外表面暴露在真空之中，當(dāng)不斷滲透進(jìn)多孔板內(nèi)的給水達(dá)到三相點(diǎn)壓力時(shí)，水將凝固成冰，并同時(shí)進(jìn)行升華，因此冷卻了循環(huán)水和循環(huán)氧。

另一種熱控方法是采用輻射器，輻射器熱控系統(tǒng)不需要消耗，只需通過載冷工質(zhì)將熱量導(dǎo)入輻射器，然后輻射到外部空間，其簡化原理圖如圖3所示，在航天服中設(shè)置了流體回路，工質(zhì)流經(jīng)人體表面，帶走人體新陳代謝的熱量，然后流經(jīng)輻射器，通過輻射器將熱量輻射排散。此系統(tǒng)是火星及航天飛機(jī)出艙任務(wù)的一個(gè)備用方案。

圖2 航天飛機(jī)艙外航天服散熱系統(tǒng)簡化示意圖

圖3 航天服輻射器散熱系統(tǒng)簡化圖

美國艙外航天服熱控系統(tǒng)先后應(yīng)用或即將應(yīng)用于多個(gè)載人深空探測任務(wù)，如航天飛機(jī),“阿波羅”登月任務(wù)，“雙子星”探測任務(wù)，火星探測Altair登月艙等。文獻(xiàn)[7]概括論述了EVA熱控系統(tǒng)在“阿波羅”號飛船、“雙子星”探測、航天飛機(jī)及空間站等任務(wù)中的應(yīng)用的細(xì)節(jié)。

目前美國艙外航天服的熱控研究主要有三個(gè)研究方向：

熱控系統(tǒng)的工質(zhì)研究，尤其是水升華器系統(tǒng)內(nèi)部的消耗工質(zhì)，目的是開發(fā)出一種熱容量較大，升華效果好，能防腐蝕且能適應(yīng)超低溫的工質(zhì)，如美國多數(shù)研究機(jī)構(gòu)將載冷工質(zhì)由水、酒精溶液代替，還有一些研究機(jī)構(gòu)在研究新的載冷工質(zhì)，以提高水升華器系統(tǒng)的性能，其中防腐蝕是水升華器系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

熱控系統(tǒng)的研究，如用輻射器代替水升華器，或者水升華器與輻射器串聯(lián)耦合散熱或者建立雙回路系統(tǒng)（載人艙內(nèi)回路和外回路），水升華器安裝在內(nèi)回路或者外回路上。先后產(chǎn)生了多種結(jié)構(gòu)形式。

新型熱控技術(shù)開發(fā)代表性的是新型薄膜蒸發(fā)器，可代替水升華器進(jìn)行熱控，此技術(shù)由Jacobs技術(shù)公司和NASA的約翰遜航天中心（JSC）合作開發(fā)，在散熱性能及防腐蝕有較好效果。

3 美國艙外航天服熱控技術(shù)研究

3.1 水升華器散熱系統(tǒng)研究

水升華器系統(tǒng)是目前載人航天設(shè)計(jì)中最常用的艙外航天服熱控方案。美國很多研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行水升華器的研究，包括水升華器本身性能的研究和水升華器系統(tǒng)組成的研究。

NASA的JSC一直是世界上航天技術(shù)研究最先進(jìn)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)致力于研發(fā)提高水升華器性能及防腐蝕的技術(shù)[8,9]。JSC開發(fā)的先進(jìn)的兩級給水式水升華器如圖4所示，其多孔板分為兩層，上層為大孔板，用于直接向外空間升華水汽，下層為小孔板層，進(jìn)行水的滲透。水進(jìn)入小孔板，然后在大孔介質(zhì)中升華。此水升華器能夠有效的防止空間污染物對水源的污染，從而減輕了水升華器的腐蝕問題，腐蝕是水升華器損壞的主要方式之一。

圖4 二級給水的水升華器

JSC還同時(shí)開展了防污染水升華器及兩步給水式水升華器的研究，目前正進(jìn)行用于載人航天器外部活動水升華器系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力的研究，使水升華器能夠在冷熱環(huán)境中自我調(diào)節(jié)。

Paragon空間技術(shù)公司與NASA合作，對水升華器的工作過程進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，給出了計(jì)劃用于火星探測的水升華器的熱負(fù)荷狀況[10]。并給出了試驗(yàn)簡化圖，如圖5所示，其中圖5a中，旁路設(shè)在輻射器和水升華器外，而圖5b中，旁路設(shè)在輻射器外，然后和水升華器連接。試驗(yàn)結(jié)果表明，其散熱性能受環(huán)境的影響很大，而兩種系統(tǒng)的散熱性能基本相同，散熱性能良好，但圖5b結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步節(jié)約水升華器中的工質(zhì)，屬于改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，通過與輻射器合理的搭配，能滿足月球或火星探測任務(wù)要求。

圖5 a 水升華器散熱系統(tǒng)試驗(yàn)簡化圖

圖5 b 水升華器散熱系統(tǒng)試驗(yàn)簡化圖

文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了水升華器與輻射器串聯(lián)結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，分別分析了其在火星及月球環(huán)境中的散熱性能，并將火星環(huán)境中的結(jié)果與Campbell結(jié)果[12]進(jìn)行了對比，其所建立的熱控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 串聯(lián)式熱控系統(tǒng)示意圖

文獻(xiàn)[11]通過對上述結(jié)構(gòu)在月球及火星環(huán)境中的運(yùn)行的性能分析，得出了系統(tǒng)在人體休息狀態(tài)（產(chǎn)熱PCM=275W）及在劇烈運(yùn)動狀態(tài)（產(chǎn)熱PCM=400W）時(shí)，輻射器及水升華器的散熱能力。文獻(xiàn)還對水升華器的水耗散速率進(jìn)行了計(jì)算，該模型在8h的出艙活動中，共消耗2.9kg的水，此值與出艙移動單元（Extra Vehicular Mobility Units，EMU）試驗(yàn)結(jié)果（3kg）非常接近。結(jié)果表明此系統(tǒng)可應(yīng)用于航天員的散熱系統(tǒng)，同時(shí)提供了熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種全新的設(shè)計(jì)思路。

TDA研究所與約翰遜空間中心合作，研究開發(fā)了一種新的水升華器系統(tǒng)（Radiator And Freeze Tolerant Heat Exchanger，RAFT-X），用于月球和火星探測[13]，其通過增加一個(gè)輻射器減少水升華器的水消耗量。其實(shí)物及原理見圖7-8。

圖7 RAFT-X系統(tǒng)安裝尺寸示意圖

此系統(tǒng)通過一個(gè)換熱器和熱管輻射器連接起來，RAFT-X換熱器能在低熱負(fù)荷時(shí)選擇性的結(jié)冰來減少翅面積，可適應(yīng)多變熱負(fù)荷，在低熱負(fù)荷下，控制閥減少流入換熱器的水量，冷環(huán)境下，換熱器低于水的冰點(diǎn)，于是被動控制熱量排散率來允許換熱器中最冷的水流管路結(jié)冰。結(jié)冰后，換熱器部件停止工作，防止向熱管散熱，在最低熱負(fù)荷下，除了旁路，所有的管路結(jié)冰，在旁路中，流動水進(jìn)入水升華器從而保持持續(xù)的散熱調(diào)節(jié)。循環(huán)熱管即使在最低的溫度下也不會結(jié)冰。在EVA熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，水升華器重量約為1.58kg，內(nèi)部蓄水容量3.6kg，大部分水將蒸發(fā)到太空中，在TDA公司的設(shè)計(jì)中，通過增加一個(gè)小型換熱器實(shí)現(xiàn)輻射器和水升華器的散熱互補(bǔ)。

圖8 TDA新型RAFT-X系統(tǒng)原理示意圖

2004年，TDA研究所開始RAFT-X的設(shè)計(jì)及初步測試，RAFT-X用于載人登陸器的熱控制，輻射器是特制的，連接防凍壞的換熱器。

測試是在NASA約翰中心熱真艙間進(jìn)行，測試表明在月球及火星環(huán)境中輻射器排散熱量功率260w（900Btu/h）。RAFT-X經(jīng)歷了幾次結(jié)冰/融冰的循環(huán)，換熱器完全結(jié)冰3次而未損壞。水升華器的水耗能通過輻射方式散熱大幅度減少。水升華器功能良好，散熱效率穩(wěn)定，RAFT-X設(shè)計(jì)可很好的適應(yīng)航天員散熱變化大(70w～730w)的要求。

如前所述，這種方案有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，使用兩種獨(dú)立的流體回路，從而有效的利用制冷劑性質(zhì)，流體選擇對其他部件無影響；再者，由于兩套管路互不影響，不會成為致命的安全隱患；還有就是換熱器較小，重量的增加較小，包括水循環(huán)和制冷劑循環(huán)1.48kg。

3.2 艙外航天服輻射器熱控系統(tǒng)研究

在火星車計(jì)劃中，載人探測器中的水必須保證航天員的使用，同時(shí)考慮到水升華器系統(tǒng)中水的消耗及水升華器的腐蝕問題，因此，采用水升華器散熱系統(tǒng)將不再現(xiàn)實(shí)，文獻(xiàn)[6]給出了載人航天器熱控系統(tǒng)及生保分系統(tǒng)的替代方案，但是，火星表面的溫度穩(wěn)定且較低，采用圖3所示結(jié)構(gòu)時(shí)，輻射器表面的輻射溫度較低，散熱效率較小，當(dāng)航天員或者登陸艙系統(tǒng)散熱要求較高時(shí)，不能滿足系統(tǒng)的熱控要求。最近Rini公司與NASA合作研發(fā)了一種雙回路系統(tǒng)，增加微型壓汽機(jī)系統(tǒng)（miniature vapor compression system，MVCC）來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的散熱，如圖9所示。

圖9 航天員雙回路微型壓氣機(jī)散熱系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)分內(nèi)外兩個(gè)回路，內(nèi)回路在載人艙內(nèi)，外回路安裝了輻射器。系統(tǒng)先通過壓縮機(jī)將回路中的氣體的溫度升高，然后散到外部空間。其采用了輕型、高導(dǎo)熱材料以及最新制作工藝，結(jié)構(gòu)緊湊，總重量大約2.0kg，體積2.0L，性能系統(tǒng)達(dá)2.5，熱負(fù)荷約250w。現(xiàn)在由RTI公司生產(chǎn)了改進(jìn)系統(tǒng)的模型，并在地球環(huán)境中進(jìn)行了初步試驗(yàn)，其中壓縮機(jī)能實(shí)現(xiàn)溫度從18℃升到55℃。NASA設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)的輻射器面積為855m2。由于火星特殊的熱環(huán)境，該系統(tǒng)還在進(jìn)一步設(shè)計(jì)中。

3.3 薄膜蒸發(fā)器熱控系統(tǒng)研究

JSC與其他研究部門合作開發(fā)了一種全新的航天服散熱系統(tǒng)，稱為航天服水膜蒸發(fā)器（spacesuit water membrane evaporator，SWME）[14,15]。并制作了光纖水膜蒸發(fā)器模型，在JSC進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。SWME實(shí)物如圖10所示。

其內(nèi)部是由多條管路組成，管路材料是一種隔水透氣薄膜組成，將水流管路和蒸汽管路分割開來，當(dāng)水流經(jīng)SWME時(shí)，蒸發(fā)進(jìn)入蒸汽流道然后通過氣體出口進(jìn)入外部太空。

SWME相對于水升華器系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：可在火星低重力環(huán)境和月球真空環(huán)境中在水的三相點(diǎn)以上工作；能將水通過流體管路直接蒸發(fā)散熱，不需要給水室；對水質(zhì)要求不高，包括便攜的水質(zhì)要求；可使水汽從水流管路中直接蒸發(fā)掉，而不需要專門的蒸汽閥。

在JSC的真空試驗(yàn)室中進(jìn)行的真空試驗(yàn)的系統(tǒng)圖如圖11所示。試驗(yàn)驗(yàn)證的內(nèi)容包括：水出口10℃，流量為0.025kg/s時(shí)，系統(tǒng)散熱能力為810W以上；在真空環(huán)境中持續(xù)工作8h活動時(shí)的工作狀態(tài)；進(jìn)口水壓為68kPa～145kPa時(shí)的工作性能；采用不同進(jìn)口溫度的水流（1.7℃～38℃）時(shí)的工作性能；在月球真空環(huán)境及火星低重力環(huán)境的工作性能；除氣水循環(huán)的工作性能；采用含有或不含油凈化劑的水作為工質(zhì)的工作性能等。

圖10 SWME結(jié)構(gòu)示意圖

圖11 SWME試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，SWME在散熱性能，耐腐蝕性能上都有很好的效果，能適應(yīng)月球及火星的復(fù)雜環(huán)境，是一種很好的熱控方案。

3.4 總結(jié)

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，必然對航天員的出艙活動（EVA）提出更高的要求，從而對艙外航天服生保系統(tǒng)及熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，以適應(yīng)各種艙外空間環(huán)境。本文通過對美國艙外航天服熱控技術(shù)的調(diào)研，論述了其艙外航天服熱控技術(shù)的最新成果，尤其是水升華器設(shè)計(jì)及水升華器、輻射器耦合設(shè)計(jì)，已成功用于月球探測及其他深空探測。

水升華器與輻射器耦合散熱的系統(tǒng)將是艙外航天服熱控系統(tǒng)發(fā)展的主流，通過兩者的耦合作用，可很好的起到散熱控溫效果。因此，我國艙外航天服的設(shè)計(jì)可以借鑒這種耦合設(shè)計(jì)方案，既能實(shí)現(xiàn)熱控需求，又能滿足長壽命的需求。此外，水膜蒸發(fā)器是一種最新的航天服熱控方案，在防污、散熱效果方面效果良好，盡管技術(shù)上不成熟，未實(shí)際應(yīng)用，但設(shè)計(jì)思路對我國艙外航天服的熱控設(shè)計(jì)都有很好的借鑒意義。

4 結(jié)束語

我國航天事業(yè)發(fā)展迅猛，目前正在積極開展空間站及月球探測的研究工作，航天員必將進(jìn)行出艙探測活動，因而必須加強(qiáng)艙外航天服熱控技術(shù)的研究和系統(tǒng)開發(fā)，但我國的載人航天技術(shù)起步較晚，與美國等西方發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，航天服熱控技術(shù)的研究差距更大。因此，要充分借鑒西方在航天服熱控方面的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，如水升華器、輻射器耦合熱控技術(shù)，水膜蒸發(fā)器熱控技術(shù)等，并不斷的進(jìn)行自主創(chuàng)新。一方面，加強(qiáng)針對空間環(huán)境的專項(xiàng)研究工作獲得不同層次的空間環(huán)境的不同特點(diǎn)。做到有的放矢；另一方面，采用試驗(yàn)與理論研究相結(jié)合的方法，加強(qiáng)新型航天服熱控技術(shù)的研究，如此才能實(shí)現(xiàn)我國航天服技術(shù)的快速發(fā)展。 ◇

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