（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

1 引言

在絕大多數(shù)載人飛行任務中，不同物質間氣液兩態(tài)的分離是一項基本需求。例如在主動熱控回路中，工質中的氣泡達到一定濃度，會對循環(huán)泵、熱交換器等設備造成損壞，同時，氣泡還會影響傳感器的工作，導致回路儀表讀數(shù)失準。在地面環(huán)境下，氣體在液體中存在浮力，很容易實現(xiàn)分離；在空間微重力環(huán)境下，氣泡失去浮力而處于懸浮態(tài)，氣液將不再自動分離。因此，空間氣液分離技術必不可少。載人航天器的多個分系統(tǒng)中都使用了氣液分離技術，控制液體中的氣體濃度或空氣中的濕度，使密封艙內空氣溫濕度控制在適當?shù)姆秶鷥?，以適宜人居住，并且保證艙內儀表設備正常運行的大氣環(huán)境，達到載人航天器正常運行的目的。

從美、俄的載人飛船最早使用活性炭進行氣液分離以來，氣液分離技術已普遍應用到載人航天器上，并在多個分系統(tǒng)中發(fā)揮作用。以“國際空間站”（ISS）為例，主動熱控分系統(tǒng)、O2再生子系統(tǒng)、CO2移除子系統(tǒng)、廢水處理、密封艙溫濕度控制、生物反應器、有效載荷燃料罐及部分蓄電池等，均使用了氣液分離技術。中國的“神舟”系列飛船對氣液分離技術的需求，主要體現(xiàn)在兩個方面，即環(huán)境控制生命保障分系統(tǒng)的艙內溫濕度控制子系統(tǒng)和主動熱控回路，這與美、俄兩國的早期載人飛船類似。中國空間站及載人深空探測器對氣液分離技術的需求，將比載人飛船更廣泛，對可靠性的要求也會更高。

已應用在載人航天器上的氣液分離技術，在工作原理上分為被動式和主動式。被動式是指利用材料的吸濕性能進行氣液分離。主動式包括離心式氣液分離技術和毛細作用氣液分離技術。其中，毛細作用氣液分離技術主要包括冷凝式和氣泡捕集式氣液分離技術。冷凝式用來將空氣中的少量水分分離出去，氣泡捕集式用來將液體工質中的少量氣體去除。本文結合載人航天器的使用情況，對不同物質間的氣液分離技術進行了分析，并對未來的發(fā)展趨勢作了展望。

2 載人航天器氣液分離技術及其應用

2.1 材料吸濕性和皮托管氣液分離技術

材料吸濕性氣液分離技術屬于被動式氣液分離技術，主要是利用材料的吸濕性實現(xiàn)氣液分離，如活性炭、分子篩吸附劑等干燥劑。這類材料具有發(fā)達的內部孔隙結構，對水具有很強的親和力，當濕氣受迫流動到其表面時，可吸去氣體中的少量水分。美、俄兩國的早期載人飛船（如雙子星座號、阿波羅號、東方號、上升號）以及航天服，均采用活性炭除濕，中國“神舟”系列飛船最早也使用這種除濕方法。

在適當條件下，皮托管也有分離氣液兩態(tài)的作用，當水、氣混合物經牽引流經皮托管時，可發(fā)生分離。皮托管實際上是一支直角彎折的金屬管，通常設計為“S”形，在90°彎折處的內側管壁開有0.5 mm的小孔，混合物中的氣體從這個小孔排出。典型的皮托管氣液分離器見圖1。旋轉盤帶動水、氣混合物旋轉，轉速達到一定值時可產生足夠的水環(huán)壓力；隨著旋轉腔內的水、氣混合物增多，水位線升高，混合物進入吸水皮托管，并在90°彎折處發(fā)生分離；氣體則靠近內壁，由內壁的小孔釋放出去，水靠近彎折處的外壁，繼續(xù)前進，最后從放水皮托管排出。例如航天飛機燃料電池系統(tǒng)，須對水中的氫氣加以分離，要先對混合物進行一級分離，未完全分離出的水在通過釋放閥放出前，還要經過皮托管進行二級分離［1］，最終實現(xiàn)氣液分離。再如“國際空間站”俄羅斯及日本艙內的冷凝干燥器，也采用皮托管對氣液進行一次分離。由于皮托管氣液分離器只能處理少量流體，一般只作為主動分離技術的補充，不單獨使用［2］。

圖1 皮托管氣液分離器Fig.1 Pitot gas-liquid separator

2.2 離心式氣液分離技術

2.2.1 技術描述

離心式氣液分離技術是利用液體與氣體因密度差異在同樣的回旋加速時所產生的離心力不同，進而發(fā)生分離的原理。國內自主研制的主動熱控回路氣液分離器結構原理見圖2。其流體回路工質為全氟三乙胺，管道內的少量氣體主要是因管壁滲透、化學反應攝取和在軌更換回路部件時通過快速斷接器引入。為保證回路循環(huán)泵正常運行，使用氣液分離器對引入的空氣進行收集并去除；因此，這類氣液分離器為氣泡捕集器。其氣體分離過程如下：液體工質從錐形下端入口切向流入，后螺旋向上流動，內部氣體因離心力小而匯聚在錐形上端中央，少量氣體在液體工質中表現(xiàn)為氣泡。當混合物到達分離腔另一側時，氣體經由上端蓋板上的開口放出，液體工質則由錐形上端切向流出。

圖2 國內載人航天器氣液分離器原理Fig.2 Gas-liquid separator principle of Chinese manned spacecraft

當液體中的氣體所受的摩擦力與離心力平衡時，氣泡的運動學微分方程見式（1）［3］。

式中：RB為氣泡回轉半徑；t為運動時間；ρB為氣泡密度；ρw為液體密度；ηw為動態(tài)黏度；ω為氣泡回轉角速度。

結合初始時刻氣泡的回轉半徑R0，B，可求得式（1）的解為

式中：Ⅰ為混合物入口到回轉腔中心軸線的長度；Rin為回旋腔半徑；ωin為腔壁處氣泡回轉角速度。

式（2）描述了不同大小氣泡的運動方式，是設計離心式氣液分離器回轉腔有效結構的理論依據(jù)。在使用這類分離器時，要注意入口流速的控制：流速過小，不能獲得所需的離心作用；流速過大，會使混合物進入分離腔后湍濺，流體的連續(xù)性下降，直接導致分離不徹底。

2.2.2 應用

離心式氣液分離技術也廣泛應用在“國際空間站”不同艙內的多個分系統(tǒng)中，且不同工況下，分離器的設計有所不同，以下分別介紹。

在“國際空間站”美國命運號實驗艙水處理在軌可更換單元中，使用了離心式氣液分離器，即一種工質絕大部分為液體的氣液分離器（Mostly Liquid Separator，MLS）。水處理單元提供飲用水，用廢水做原料，廢水在處理前要進行一次除泡處理。廢水來自回收的尿液蒸餾水，以及洗澡、洗滌水等，這些水與其他分系統(tǒng)中的水（如主動熱控分系統(tǒng)中的工質）有很大區(qū)別，是肥皂水，受到攪動易起泡。針對該廢水的特點，NASA 專門設計了可分離肥皂水的分離器（見圖3），可在不攪動肥皂水的情況下完成氣液分離。其活動部件為一部電機和一組分離片，電機帶動分離片轉動，水即被離心至兩側出水口排出，氣體則從中心軸孔排出。經過多年工程研究，該分離器已發(fā)展了3代，不但在水位控制故障時可實現(xiàn)分離功能，且當進入分離腔內的混合物處于兩相極限時，即全部為水或全部為氣體時，也可以正常工作［4］。

圖4為“國際空間站”命運號實驗艙水處理在軌可更換單元分離器的性能曲線，試驗流體為肥皂水，允許流量為0～960kg／h。試驗時，在流量區(qū)間取多個分立值進行測試，后經擬合得出性能曲線。為評價分離器對重力的依賴程度，分別進行水平及豎直方向2 組試驗?？梢钥闯?，在允許背壓范圍內，第3代氣液分離器的出水口氣體攜帶量僅為0.02%，滿足空間站0.4%的需求。第3代氣液分離器將轉速從第1代的1900r／min減小到1600r／min，工作效率及穩(wěn)定性有了大幅提高，水平及豎直方向的性能一致，且對方向的依賴性優(yōu)于第1代。其設計壽命為10年，入口全部為水或全部為氣體時也可以正常工作，典型氣體體積百分數(shù)為14%。

圖3 命運號實驗艙廢水處理子系統(tǒng)氣液分離器Fig.3 Gas-liquid separator of Destiny Lab waste water processor subsystem

圖4 命運號實驗艙水處理在軌可更換單元離心氣液分離器性能Fig.4 Centrifugal gas-liquid separator of performance of Destiny Lab’s water treatment orbit replaceable unit

圖5為“國際空間站”命運號實驗艙環(huán)控生保分系統(tǒng)水再生子系統(tǒng)［5］中的旋轉鼓氣液分離器，用來將反應生成物——水中的甲烷去除（CO2＋4H2→2H2O＋CH4）。其設計思想來源于MLS，不同之處在于分離腔的活動部件為旋轉鼓，鼓上安裝有2片葉輪盤，中間夾一層葉片，葉片將水甩至出口。

圖5 命運號實驗艙CO2移除子系統(tǒng)氣液分離器Fig.5 CO2reduction subsystem of gas-liquid separator of Destiny Lab

美國曾設計出一種空間原子能動力裝置氣液分離器，擬用在原子能電火箭及月球、火星探測等任務中［6］。這個動力裝置可提供100kW 的能量，由反應裝置、能量轉換裝置和可展開的散熱板3個部分組成。反應裝置工作時產生大量熱量，須用液態(tài)鋰回路進行冷卻。冷卻完畢后的液態(tài)鋰攜帶有反應堆產生的氦氣，氦氣會損壞能量轉換裝置中的插針電極，因此必須進行分離。分離器的結構見圖6。

圖6 美國原子能反應堆旋轉氣液分離器結構Fig.6 Configuration of US atomic energy reactor gas-liquid separator

另外，在“國際空間站”有效載荷生物反應器的蜂房培養(yǎng)皿、燃料罐電池、氣體再生子系統(tǒng)和水處理單元中，均采用離心式氣液分離器［7］。

2.3 毛細作用氣液分離技術

2.3.1 技術描述

隨著薄膜工藝的發(fā)展，人們已能很容易地獲取所需結構的空心纖維管束，且可對微管的表面狀態(tài)進行改性，進而研制出具有一定微觀組織結構的功能器件?；诖耍霈F(xiàn)了毛細作用氣液分離器。毛細作用氣液分離器包括氣泡捕集氣液分離器和冷凝式氣液分離器?！皣H空間站”大量采用親水疏水膜毛細作用氣液分離器。

毛細作用氣液分離器的內部動力學機理為：當工質通過時，一方面，親水材料吸引水分子，并與水分子強烈作用，使得親水材料對水分子中氫離子的束縛力增大，提高水通過時的黏滯性，水分子受迫減速；氫離子束縛力的增大，使得水中形成的氣泡或分解物脫離水，最終水通過材料壁上的微孔到達出水口；另一方面，疏水材料對水分子具有斥力作用，這使得水與疏水材料的表面張力增大，導致水分子不浸潤材料，水中分離出的氣泡與周圍環(huán)境形成壓差，該壓差與增大的表面張力共同驅使氣泡向疏水材料表面靠近，最終自由通過疏水材料壁上的微孔，到達出氣口［8］，見圖7。

圖7 毛細作用氣液分離器內部原理Fig.7 Internal principal of capillary action gas-liquid separator

在水靠近材料表面處，以表面張力描述水與材料的相互作用。表面張力在單位橫截面及單位長度上具有能量的量綱，分離過程的完成需要能量支出，能量是表面張力的函數(shù)。水、氣混合物與固體表面的相互作用，存在3個作用力，見式（3）。

式中：σGS為氣體與固體間界面張力；σSL為固體與水間界面張力；σGL為氣體與水間界面張力；θ為接觸角。

圖8為作用力圖示。當接觸角θ＜π／2時，空氣中的水分容易浸潤固體表面，隨著θ的減小，浸潤現(xiàn)象越來越明顯，對于大部分疏水材料來說，θ＜π／2。

圖8 表面張力作用力Fig.8 Effect of surface tension

除了以表面張力描述滲水膜與氣液的作用外，一般還可用流體動力學方程對其中的氣液混合物運動狀態(tài)進行描述。所涉及的3個方程分別為：伯努利方程，見式（4）；連續(xù)性方程，見式（5）；哈根-泊肅葉定律，見式（6）。

式中：Δptotal為所考察截面間的壓強差；ζH為H 截面處液體黏滯系數(shù)；ωH為H 截面處氣液混合物的回轉速度；ζC 為C截面處黏滯系數(shù)；ωC為C截面處氣液混合物的回轉速度。

式中：Φin為分離器內部通過某一截面的流量；ΦH為該截面處液體的流量；ΦC為該截面處氣體的流量。

式中：ΦHC為截面處氣液混合物的流量；Φ0，HC為單位面積、單位壓降下的流通率；AHC為所考察截面處的橫截面面積。

方程的求解須通過數(shù)值迭代法，求出方程的解，即可得分離器的設計輸入。

2.3.2 應用

1）氣泡捕集氣液分離器

以美國命運號實驗艙主動熱控回路氣泡捕集氣液分離器為例（見圖9）。該分離器的分離芯包含2種材料的薄膜：親水材料，為多微孔滲水材料尼龍-11；疏水材料，為多微孔聚丙烯。疏水材料在內部，親水材料在外部，按一定的規(guī)則做成同心管捆綁在一起，共84根，用鈦合金圓柱筒封裝。氣液混合物從左側進入，另一側為氣體出口，液體則從側壁滲出［9］。

在哥倫布號實驗艙主動熱控回路中，氣泡捕集氣液分離器由回旋加速器、柱狀親水膜和空心纖維單元組成，見圖10。其中，空心纖維單元為核心部分，又由疏水毛細管和親水膜氣泡隔屏組成。工作時，水、氣混合物先經過回旋加速器，在離心力作用下水被甩至分離器四周，氣泡則位于中心軸線附近；經初級分離的混合物進入分離器腔，在柱狀親水膜腔壁作用下，氣泡進一步遠離腔壁；混合物到達空心纖維單元，在此完成最終分離。為防止分離的氣泡被水帶到出水口，在空心纖維單元的出水側設計了親水膜氣泡隔屏，隔屏纖維管橫豎交叉布置，使氣泡完全在出氣口排出［3］。纖維束管的密度不宜過大或過?。好芏冗^大，導致壓降過大；密度過小，則導致分離效率下降。通過對功能膜的工藝控制，可獲得一定的纖維束管密度。

圖9 命運號實驗艙主動熱控回路氣泡捕集氣液分離器Fig.9 Gas trap separator active thermal control loop of Destiny Lab

圖10 哥倫布號實驗艙氣泡捕集氣液分離器Fig.10 Gas trap gas-liquid separator of Columbus Lab

圖11為“國際空間站”哥倫布號實驗艙氣泡捕集氣液分離器性能曲線?？梢钥吹?，隨入口水壓的變化，分離效率略有不同，這是由于增大的水壓溶解了更多的氣體，而該部分氣體不會被分離。另外，分離效率低于1（飽和值約為0.82）的原因為：親水膜制備工藝造成毛細管內部的缺陷，從而導致對混合物流動阻力有所增大，在流速為400kg／h時，混合物壓力減小約9kPa，此壓力接近親水膜的氣泡點壓力，使一小部分氣泡突破毛細管壁進入出水口。該分離器可處理最大流量為1000kg／h、溫度17～50 ℃的混合物；工作壓力范圍為0.8×105～7.8×105Pa、流量為560kg／h時，壓降為10kPa。

圖11 毛細作用氣液分離器性能Fig.11 Performance of capillary action gas-liquid separator

哥倫布號實驗艙氣泡捕集氣液分離器回旋加速器的結構尺寸經試驗得出，經驗證只對直徑大于100μm 的氣泡起作用，小于此值的氣泡不能被離心至軸線周圍。水流速在900kg／h時，豎直方向的測試結果優(yōu)于水平方向，此時，直徑大于1mm 的氣泡全部被離心至軸線周圍半徑為20 mm 的圓柱內。分離器的總壓降及回旋加速器的效率為水溫T的函數(shù)，這是由于動態(tài)黏度ηw 依賴于水溫T而變化。

另外，“國際空間站”有效載荷生物反應器也使用氣泡捕集氣液分離器［10-11］，采用毛細作用進行氣液分離。該分離器將混合物通道做成回旋狀，使用了離心作用進行初級分離，內部疏水膜空心管進行二級分離。

在氣泡捕集氣液分離器設計中，決定性能的參數(shù)有：①最優(yōu)流量區(qū)間，即分離器能處理的混合物最大、最小流量區(qū)間，在此流量范圍內，分離器可對混合物正常分離，否則達不到預期分離效果；②飽和氣量，即在一定流量下分離器所能分離的最大氣體體積；③壓降，指混合物入口及水出口的壓力差，是評判分離器對回路流阻大小的參數(shù)，過大的壓降將對循環(huán)泵造成負擔；④分離效率，即分離出的氣體量與加入的氣體量之比；⑤出氣、出水比，即一定流速、一定氣體量下，出氣口的氣體體積與水的體積之比。

2）冷凝式氣液分離器

除上述氣泡捕集氣液分離器外，在“國際空間站”命運號實驗艙空氣溫濕度控制子系統(tǒng)中，還采用了冷凝式氣液分離器。該分離器能收集密封艙內空氣中的水分，但水分通過毛細管的作用被干燥器吸收時，也會引入少量氣體，因此要進行分離。冷凝式氣液分離器利用水蒸氣在進氣端與出氣端的壓差而產生氣體滲透的動力，材料為聚丙烯毛細管，具有疏水性，但對氣體無作用力，將其按一定尺寸及結構做成多微孔疏水空心纖維，從而達到氣液分離的目的，見圖12?？招拿毠転槔淠ǖ?，其特征尺寸通過理論分析結合試驗方法得到。通過毛細管壁的熱量，基于努塞爾數(shù)Nu計算，從而得到與試驗結果一致的導熱系數(shù)。壓降則通過Blasius方程的數(shù)值解描述。該分離器纖維束的有效長度為150mm，微管徑為（1.8±0.4）mm，有效總展開面積為6.36m2，壓降為585Pa。可處理的濕氣溫度范圍為15～27 ℃，氣壓為1×105Pa，最大氣體流量為0.21kg／s，最大除熱功率為2240 W。

哥倫布號實驗艙的冷凝式氣液分離器與命運號實驗艙的內部結構類似，不同的是，前者的溫濕度控制子系統(tǒng)采用2臺分離器并聯(lián)的方式進行水、氣分離。并聯(lián)使用的優(yōu)點在于：除了備份及擴大調節(jié)量外，2臺可輪流工作，這樣，暫停工作的分離器就有足夠的時間恢復干燥，從而抑制微生物的生長。

2.4 其他氣液分離技術

除上述氣液分離技術外，目前NASA 正在研究一種新型氣液分離技術——溶解式氣液分離技術。該技術與上述幾種技術有本質的區(qū)別，能將氣體暫時溶解在液體中而達到分離效果。由于工質中存在氣泡的物理原因是液體對這種氣體的溶解度達到了飽和態(tài)，若改變液體的物理特性，如加壓、添加一定的化學試劑，使液體的溶解性發(fā)生改變，則氣體可以繼續(xù)溶解在工質中。例如：主動熱控回路液體工質為乙二醇水溶液［12］，一部分氣體溶解在乙二醇水溶液中，另一部分則以氣態(tài)存在，通過添加劑改變乙二醇水溶液對空氣的溶解性，可使氣體全部溶解而達到保護回路的目的。新型氣液分離技術實際上并未對工質中的氣體進行分離，卻能解決氣體對回路的危害，實現(xiàn)氣液分離功能。目前，尚無采用該技術進行氣液分離的載人航天器，但在國外已有相關研究。

3 幾種氣液分離技術比較

被動式氣液分離器：在早期的載人飛船上使用較多，但由于作用有限，當分離的液體達到一定量時，分離器效率大大降低，雖可靠性較高，但目前不單獨使用，一般作為主動式的補充。

離心式氣液分離器：在運轉時產生較大的振動及噪聲，體積、質量較大，而且需要額外的電能，連續(xù)工作時間有限，可靠性與被動式分離器相比較低。

毛細作用氣液分離器：沒有活動部件以及不消耗任何能量，不產生振動及噪聲，對小型化、可靠性及長壽命非常有利，是當前研究最多的分離器。其一大缺點是液體中的微生物生長到一定濃度時，對材料上的微孔有堵塞作用，從而使壓降增大，影響分離性能，維修較昂貴。

溶解式氣液分離器：以全新的思路重新定義氣液分離概念，通過加壓或添加劑改變液體的溶解性，將多余氣體溶解而達到保護回路的目的，是一種新型氣液分離技術。

幾種分離技術的比較見表1。

4 氣液分離技術發(fā)展前景

從早期載人飛船采用被動式氣液分離技術以來，氣液分離技術已廣泛應用在載人航天器上，并已發(fā)展為多種技術的綜合應用。幾種技術均有其優(yōu)缺點，應根據(jù)不同的使用工況，有針對性地進行需求分析，設計最適合的氣液分離器。例如：“國際空間站”不同的分系統(tǒng)中，設計需求的不同決定了分離器形式多樣。親水疏水膜的單獨或結合使用，或與離心作用結合發(fā)揮作用；為了降低微生物生長對分離器性能及壽命的影響，向工質中添加特定的試劑，或對材料表面進行改性，以抑制微生物生長，從而達到最佳效果，是氣液分離技術的發(fā)展方向［13］。概括起來，包括以下幾個方面。

（1）繼續(xù)完善離心式分離技術分離腔內流場的渦動力學模型及數(shù)值計算方法，建立較精確的動力學分析模型。

（2）從系統(tǒng)角度多方位考慮氣液分離技術，設計緊湊、無功耗、無振動及噪音，以及高可靠性、長壽命的氣液分離器。

（3）提前開展先進技術研究，如多微孔、親水疏水膜分離技術，以及其他新型分離技術，為未來的載人航天任務作好技術儲備工作。

（4）對于多微孔、親水疏水膜氣液分離技術，在進一步開發(fā)薄膜工藝的基礎上，開展表面改性添加劑及抑制微生物生長的研究工作。

（5）開展氣液分離器對重力依賴性的評價方法研究，改善目前僅考慮分離器不同方向性能的不完全歸納方法。

在未來的載人飛行任務中，空間站、載人月球著陸器、載人火星及其他深空探測等任務，相比地球軌道載人飛船來說，任務時間更長、更艱巨，對氣液分離技術的要求更高。毛細作用氣液分離是目前最先進的氣液分離技術，國內應積極開展這方面的研究，此外，也應關注基于全新概念的氣液分離技術。針對更高要求的空間站、載人登月等任務，設計能滿足需求的新型、高效氣液分離器。

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