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北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

水升華器利用水作為消耗性介質(zhì)，是一種消耗型相變散熱裝置，是航天器空間短期散熱較為經(jīng)濟(jì)的熱控措施。由于水具有較高的相變潛熱,曾在航天器熱控及生保系統(tǒng)中得到了多次成功應(yīng)用[1-2]。Apollo登月艙、Saturn火箭、美/俄及中國(guó)的艙外航天服均采用了水升華器散熱裝置[3-5]。20世紀(jì)90年代，吳志強(qiáng)等針對(duì)艙外航天服用水升華器開展了多方面研究工作[6-8]。李森等對(duì)升華器微孔內(nèi)冰層升華過程進(jìn)行了仿真分析[9]。近年來中國(guó)空間技術(shù)研究院王玉瑩等針對(duì)深空探測(cè)用水升華器開展了一系列的研究工作[10-14]，進(jìn)行了基于水升華器的多孔介質(zhì)內(nèi)具有移動(dòng)相變界面的傳熱傳質(zhì)建模和分析，開展了水升華器的重力無關(guān)設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。并對(duì)初始溫度、給水壓力、熱負(fù)荷等單因素對(duì)具有恒熱流邊界的水升華器啟動(dòng)過程瞬態(tài)特性的影響進(jìn)行了分析與試驗(yàn)研究，獲得了一定的規(guī)律。表明水升華器技術(shù)在深空探測(cè)等具有短時(shí)大功率散熱領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

目前“擊穿”抑制及是水升華器研究的關(guān)鍵，也是國(guó)內(nèi)外研究中的難點(diǎn)。文獻(xiàn)中曾有通過對(duì)水升華器多孔板進(jìn)行疏水處理來增加壓力適應(yīng)范圍的研究[3,8]，但該方法不能從根本上抑制水升華器啟動(dòng)過程中“擊穿”的發(fā)生。本文通過試驗(yàn)研究了水升華器在高熱負(fù)荷高給水壓力、低熱負(fù)荷低給水壓力下的啟動(dòng)特性，以及水升華器在低熱負(fù)荷低給水壓力下啟動(dòng)運(yùn)行至穩(wěn)定后同時(shí)增加熱負(fù)荷和給水壓力的響應(yīng)和換熱特性。在此基礎(chǔ)上首次提出了一種通過使用策略保障水升華器在高熱負(fù)荷高給水壓力下啟動(dòng)和運(yùn)行可靠性、減小“擊穿”風(fēng)險(xiǎn)的思路，可為空間水升華器技術(shù)的研究和應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。

1 水升華器工作機(jī)理

1.1 水升華器正常啟動(dòng)機(jī)理

水的三相點(diǎn)壓力約為610 Pa，在空間高真空環(huán)境下，固態(tài)的冰吸收熱量后將不經(jīng)過融化直接升華為氣體，并在升華過程中吸收大量的熱量。水升華器根據(jù)這一特點(diǎn)，通過嚴(yán)格設(shè)計(jì)多孔板和給水腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)使工質(zhì)水按照水→冰→氣態(tài)水的過程發(fā)生相變，以此來有效排散航天器設(shè)備廢熱[13]。

根據(jù)水升華器的工作特點(diǎn)，文獻(xiàn)[13]將水升華器的正常啟動(dòng)過程(見圖1)分為3個(gè)典型階段進(jìn)行研究，即給水腔內(nèi)的蒸發(fā)段、多孔板內(nèi)的蒸發(fā)段、多孔板內(nèi)的蒸發(fā)-升華交替工作段。文獻(xiàn)[13]在研究中推導(dǎo)了水升華器啟動(dòng)過程3個(gè)典型階段的相變界面移動(dòng)方程。

圖1 水升華器啟動(dòng)工作過程Fig.1 Sublimator start-up processes

給水腔內(nèi)的蒸發(fā)階段，給水腔內(nèi)蒸發(fā)界面位置為：

(1)

多孔板內(nèi)的蒸發(fā)階段，多孔板內(nèi)的蒸發(fā)界面位置：

(2)

多孔板內(nèi)的蒸發(fā)-升華交替工作階段，多孔板內(nèi)的冰-水界面和冰-氣升華界面位置：

·

1.2 水升華器啟動(dòng)過程“擊穿”及其影響因素分析

對(duì)水升華器啟動(dòng)特性研究表明，水升華器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、啟動(dòng)溫度、給水壓力、熱負(fù)荷等非結(jié)構(gòu)因素對(duì)水升華器啟動(dòng)過程中的瞬態(tài)特性有重要影響。由水升華器啟動(dòng)過程不同階段相變界面位置移動(dòng)方程可知：?jiǎn)?dòng)過程中水升華器內(nèi)是否有冰層形成以及冰層在水升華器中的形成位置是影響水升華器工作特性的主要因素，并影響其所能達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫度水平。如果給水不經(jīng)過相變而直接穿過水升華器多孔板排放至外太空，將導(dǎo)致水升華器“擊穿”。啟動(dòng)過程中，水升華器溫度水平較高、熱負(fù)荷較大，且其內(nèi)部尚未建立穩(wěn)定的相變界面，因此最容易發(fā)生“擊穿”，導(dǎo)致水升華器無法正常運(yùn)行。

除水升華器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)外，如果水升華器使用時(shí)的給水壓力、熱負(fù)荷等不匹配將導(dǎo)致水升華器啟動(dòng)或運(yùn)行過程中發(fā)生“擊穿”。但由于水升華器工作過程中存在相變界面在不同多孔介質(zhì)中的遷移、流體流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換、相變界面的交替變換、水升華器工作模式的不確定性等物理問題，使得水升華器的工作機(jī)理尤為復(fù)雜，給理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證帶來了一定困難。

2 水升華器試驗(yàn)件及性能試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 水升華器試驗(yàn)件

為了研究熱負(fù)荷和給水壓力兩個(gè)因素對(duì)水升華器啟動(dòng)運(yùn)行特性及可靠運(yùn)行策略的影響，本試驗(yàn)采用如圖2所示的水升華器試驗(yàn)件開展了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)件由給水腔和多孔板構(gòu)成，試驗(yàn)過程中，采用加熱片模擬水升華器的熱負(fù)荷，采用熱電偶對(duì)水升華器加熱面和多孔板表面的溫度進(jìn)行測(cè)量，熱電偶布置見圖2。本次試驗(yàn)中采用水升華器加熱面在下、氣體通道在上的水平布局方式，布局如圖3所示。

圖2 水升華器模型及試驗(yàn)件Fig.2 Physical model and test moduleof sublimator

圖3 試驗(yàn)中水升華器布局方式Fig.3 Location of sublimator in the experiment

2.2 水升華器性能試驗(yàn)系統(tǒng)

航天器在軌運(yùn)行環(huán)境面臨復(fù)雜的空間環(huán)境[15]，對(duì)于水升華器，影響其功能和運(yùn)行性能的主要因素是真空環(huán)境。本文所開展的試驗(yàn)研究工作在圖4所示的水升華器試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)中完成。

圖4 水升華器性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 Sublimator work performance test system

圖4所示的測(cè)試系統(tǒng)有4個(gè)主要組成部分，文獻(xiàn)[12]對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)也進(jìn)行過系統(tǒng)的介紹：

1)小型真空室及真空機(jī)組。真空室內(nèi)設(shè)計(jì)有電加熱、溫度測(cè)量和供水管路連接裝置，真空室內(nèi)設(shè)有可旋轉(zhuǎn)的設(shè)備安裝支架，以利于被測(cè)試驗(yàn)件的安裝與觀測(cè)。

2)溫度、壓力、流量測(cè)量系統(tǒng)。溫度采用銅-康銅熱電偶進(jìn)行測(cè)量，熱電偶經(jīng)過精確標(biāo)定，測(cè)溫誤差在±0.5℃內(nèi)。真空室壓力測(cè)量采用ZJ-1P型壓阻真空規(guī)管，測(cè)量精度為±1.0%。流量測(cè)量采用DMF-1-1-A型質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量精度為±0.5%。

3)功率加載系統(tǒng)。功率加載系統(tǒng)為一組程控電源，具有電流連續(xù)可調(diào)的功能，可以對(duì)模擬熱源的電加熱片的功率參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和控制。

4)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)中的溫度利用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，壓力、質(zhì)量流量均由專門的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

本文開展了兩組試驗(yàn)研究，兩組試驗(yàn)所用水升華器試驗(yàn)件主體結(jié)構(gòu)為不銹鋼，多孔板采用不銹鋼粉末燒結(jié)多孔板。試驗(yàn)過程中，水升華器多孔板和加熱面均布置有均勻分布的溫度測(cè)點(diǎn)，其中多孔板布置7個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)7)，加熱面布置6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6)，由于本文重點(diǎn)關(guān)注測(cè)點(diǎn)溫度水平和一致性，而不量化分析多孔板及加熱面不同區(qū)域的溫度分布均勻性，因此，暫不給出各測(cè)點(diǎn)的精確位置圖。

第一組試驗(yàn)分2個(gè)步驟進(jìn)行：第一步，水升華器在低熱負(fù)荷(0.4 W/cm2)、低給水壓力(6.1 kPa)工況下啟動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定；第二步，增加熱負(fù)荷、給水壓力為0.6 W/cm2、11.2 kPa工況運(yùn)行。

第二組試驗(yàn)中，水升華器在相對(duì)較高的熱負(fù)荷(0.6 W/cm2)和較高的給水壓力(11.2 kPa)工況下啟動(dòng)。

試驗(yàn)過程中水升華器熱負(fù)荷及給水壓力變化情況如圖5所示，試驗(yàn)中的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

3.2 低熱負(fù)荷低給水壓力啟動(dòng)轉(zhuǎn)高熱負(fù)荷高給水壓力運(yùn)行特性分析

本組試驗(yàn)中，恒熱流加熱情況下，水升華器在較低的熱負(fù)荷和給水壓力工況下啟動(dòng)，水升華器加熱熱負(fù)荷為0.4 W/cm2，給水壓力6.1 kPa，啟動(dòng)過程中水升華器加熱面及多孔板的溫度變化如圖6、圖7所示。

圖5 水升華器熱負(fù)荷加載示意Fig.5 Heat load variations of sublimatorin the experiment

參數(shù)低熱負(fù)荷低壓高熱負(fù)荷高壓給水溫度/℃2222加熱熱流密度/(W·cm-2)0.40.6給水壓力/kPa6.111.2水升華器布局方式水平水平水升華器初始溫度/℃2222

從圖6、圖7可以看出：

圖6 加熱面溫度變化(第一組試驗(yàn)第一步)Fig.6 Temperature variation of heating surface(test 1,step 1)

圖7 多孔板溫度變化(第一組試驗(yàn)第一步)Fig.7 Temperature variation of porous plate(test 1,step 1)

1)該工況下，開始給水后，水升華器加熱面溫度和多孔板溫度均經(jīng)過約300 s達(dá)到了穩(wěn)定。其中，加熱面溫度在開始給水后約150 s內(nèi)升至了最大值，多孔板溫度在開始加熱后約160 s內(nèi)達(dá)到了最大值。而后，在升華作用下，水升華器溫度開始下降，并在約150 s內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定。

2)由于給水分布的影響或多孔板孔徑不均勻性的影響，導(dǎo)致水升華器加熱面溫度的不均勻性，最大溫差約20℃。

3)盡管穩(wěn)定后加熱面溫度有較大不均勻性，但多孔板溫度仍有較好的均勻性，溫度都約為5℃，最大溫差約6℃。

水升華器在低熱負(fù)荷-低給水壓力下啟動(dòng)運(yùn)行至穩(wěn)定后，增加水升華器給水壓力至11.2 kPa，同時(shí)增加加熱熱負(fù)荷至0.6 W/cm2，水升華器加熱面和多孔板溫度變化如圖8、圖9所示。

圖8 加熱面溫度變化(第一組試驗(yàn)第二步)Fig.8 Temperature variation of heating surface(test 1,step 2)

圖9 多孔板溫度變化(第一組試驗(yàn)第二步)Fig.9 Temperature variation of heating surface(test 1,step 2)

由圖8、圖9可看出，水升華器穩(wěn)定工作后，加熱熱流密度的變化對(duì)水升華器溫度波動(dòng)影響較小，加熱面溫度最高約增加了10℃，多孔板溫度最高約增加了5℃，但二者均在100 s內(nèi)達(dá)到了新的穩(wěn)定，表明水升華器對(duì)熱負(fù)荷及給水壓力的變化具有較好的適應(yīng)性。水升華器在低給水壓力低熱負(fù)荷工況下啟動(dòng)運(yùn)行至穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為高給水壓力高熱負(fù)荷運(yùn)行可以快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 高熱負(fù)荷高給水壓力直接啟動(dòng)特性分析

本組試驗(yàn)中，恒熱流加熱情況下，水升華器在較高的熱負(fù)荷和給水壓力工況下啟動(dòng)，水升華器加熱熱負(fù)荷為0.6 W/cm2，給水壓力11.2 kPa，啟動(dòng)過程中水升華器加熱面及多孔板的溫度變化如圖10、圖11所示。

圖10 加熱面溫度變化(第二組試驗(yàn))Fig.10 Temperature variation of porous plate(test 2)

圖11 多孔板溫度變化(第二組試驗(yàn))Fig.11 Temperature variation of porous plate(test 2)

從圖10、圖11可以看出：

1)該工況下，開始給水后，水升華器加熱面溫度和多孔板溫度均經(jīng)過約150 s達(dá)到了穩(wěn)定。其中，加熱面溫度和多孔板溫度均在開始給水后75 s內(nèi)升至了最大值。在升華作用下，水升華器溫度開始快速下降，并在75 s內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定。

2)由于給水分布的影響或多孔板不均勻性的影響，導(dǎo)致水升華器加熱面溫度的不均勻性，最大溫差約14℃。

3)盡管穩(wěn)定后加熱面溫度有較大不均勻性，但多孔板溫度仍有較好的均勻性，溫度在3℃和-1℃之間，最大溫差約4℃。

上述結(jié)果表明，在增加水升華器熱負(fù)荷的情況下，增大給水壓力，水升華器的響應(yīng)時(shí)間更短、更迅速地達(dá)到了穩(wěn)定工作狀態(tài)。

對(duì)比兩組試驗(yàn)在高熱負(fù)荷、高給水壓力工況下運(yùn)行穩(wěn)定后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：水升華器在低熱負(fù)荷、低給水壓力下啟動(dòng)并轉(zhuǎn)為高熱負(fù)荷、高給水壓力運(yùn)行后，其加熱面和多孔板溫度水平與水升華器在高熱負(fù)荷、高給水壓力工況下的溫度水平基本一致。這表明水升華器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，熱負(fù)荷和給水壓力變化后，在不超出其散熱能力的情況下，水升華器可以快速調(diào)整其內(nèi)部氣-液界面位置適應(yīng)給水壓力和熱負(fù)荷的變化。這樣使得水升華器運(yùn)行所能達(dá)到的穩(wěn)定水平受其啟動(dòng)初始條件的影響不大。這也為水升華器的使用提供了一種新的思路：即水升華器在高熱負(fù)荷、高給水壓力下運(yùn)行時(shí)，為了減小啟動(dòng)過程的“擊穿”風(fēng)險(xiǎn)，可以采用在低熱負(fù)荷或低給水壓力下啟動(dòng)，然后在高熱負(fù)荷和高給水壓力下運(yùn)行的方式。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了水升華器在低熱負(fù)荷低給水壓力、高熱負(fù)荷高給水壓力下的啟動(dòng)試驗(yàn)，及其在低熱負(fù)荷低給水壓力啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后轉(zhuǎn)為高熱負(fù)荷高給水壓力運(yùn)行的試驗(yàn)?？傻萌缦陆Y(jié)論：

1)試驗(yàn)中，采用電加熱方式模擬水升華器熱負(fù)荷，由于加熱片熱容量較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，因此，開始給水后，水升華器加熱面溫度變化呈現(xiàn)出在小于120 s時(shí)間內(nèi)先迅速升高，然后在蒸發(fā)/升華作用下快速降低的趨勢(shì)。但水升華器在高熱負(fù)荷、高給水壓力下可以在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)啟動(dòng)并運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定后，熱負(fù)荷和給水壓力變化時(shí)，在不超出其散熱能力的情況下，水升華器可以快速調(diào)整其內(nèi)部氣-液界面位置適應(yīng)給水壓力和熱負(fù)荷的變化，表明水升華器具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。從而使得水升華器運(yùn)行所能達(dá)到的穩(wěn)定水平受其啟動(dòng)初始條件的影響不明顯。這也為水升華器的使用提供了一種新的思路：即水升華器需要在高熱負(fù)荷、高給水壓力下運(yùn)行時(shí)，為了減小啟動(dòng)過程的“擊穿”風(fēng)險(xiǎn)，可以采用在低熱負(fù)荷或低給水壓力下啟動(dòng)，然后在高熱負(fù)荷和高給水壓力下運(yùn)行的策略。

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