尚 坤，李 猛，劉東岳

（中國航天員科研訓(xùn)練中心 人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

當(dāng)前航天員出艙活動所經(jīng)歷的空間環(huán)境主要為近地軌道空間環(huán)境，包括高真空、宇宙冷黑背景輻射、太陽輻射、地球反照和紅外輻射等空間熱環(huán)境。其中，在300 km高度的軌道上，大氣壓力低于10-5Pa[1]；宇宙微波背景輻射相當(dāng)于溫度約3 K的黑體；太陽輻射與地球紅外輻射等影響則與航天器的運(yùn)行軌道位置和姿態(tài)密切相關(guān)[2]。

隨著未來的載人空間探索向更遠(yuǎn)的深空發(fā)展，行星、小行星等登陸活動面臨更加復(fù)雜的熱環(huán)境條件。作為最為重要的地外行星探測目的地之一，火星具有稀薄的大氣層，表面平均氣壓約0.7～0.9 kPa，其中二氧化碳為最主要的成分，占95.32%?；鹦潜砻姘滋鞙囟瓤蛇_(dá)28℃，夜晚可低至-132℃，平均溫度約-57℃[1]。由于存在稀薄大氣，火星表面的熱傳遞方式更為多樣化，氣體對流和傳導(dǎo)換熱將會產(chǎn)生顯著效果。盡管與月面環(huán)境相比，火星環(huán)境溫度變化相對溫和，但熱防護(hù)問題仍需引起足夠的重視[3]。

在航天任務(wù)設(shè)計(jì)中，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)除了要求具有良好的隔熱效果，還受到發(fā)射載荷的質(zhì)量和體積約束，尤其是針對艙外航天服、充氣式折疊展開結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)等應(yīng)用，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性特征顯得尤為重要。柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)通常包括多層隔熱材料（multi-layer insulation, MLI）、高性能纖維類材料、橡塑類材料等[4]。本研究選用艙外手套作為柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的典型代表，主要出于以下3個(gè)方面的考慮：從研究需求來看，艙外手套比表面積大，熱防護(hù)問題突出，在以往的出艙活動中曾出現(xiàn)過因?yàn)楹教靻T手冷而提前終止出艙任務(wù)的情形[5]；從研究方法來看，艙外手套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)采用具有通用性和適應(yīng)性強(qiáng)的方法；從研究條件來看，選取幾何尺度較小的手套結(jié)構(gòu)，便于在小型試驗(yàn)設(shè)備中開展模擬試驗(yàn)。

本文將以近地軌道熱環(huán)境作為參照，通過模型分析與試驗(yàn)方法討論火星大氣環(huán)境對艙外手套所代表的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響?？紤]到冷工況下艙外手套的熱防護(hù)問題更為突出，研究主要基于2種任務(wù)背景下的極端冷工況開展。

1 模型分析

對艙外手套在近地軌道空間的高真空冷環(huán)境和火星表面的低真空冷環(huán)境工況下的漏熱情況進(jìn)行仿真分析。構(gòu)建艙外手套的幾何模型，利用熱分析軟件FEMAP/TMG對艙外手套的溫度場進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格劃分采用FEMAP，邊界條件設(shè)定及求解使用TMG的 Advanced模塊和Thermal模塊，如參見圖1。

圖1 艙外手套幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分Fig.1 Geometry and mesh generation of the EVA glove

艙外手套各部位均為多層結(jié)構(gòu)，可用熱阻串并聯(lián)公式計(jì)算手套各部位的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)[6]。不同幾何特征的多層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：λ、h、r分別表示多層結(jié)構(gòu)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)、總厚度和內(nèi)徑；λi、hi、ri(i=1, 2)分別表示各層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和內(nèi)徑，參考文獻(xiàn)[7-8]的測量值。表1為計(jì)算得到的艙外手套各部位的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 艙外手套的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)分布Table 1 Distribution of equivalent thermal conductivity in the EVA glove

仿真計(jì)算結(jié)果表明：在近地軌道空間的極端冷環(huán)境中，熱沉溫度取3 K，手套內(nèi)部加熱功率為8.5 W時(shí)，可以維持手套內(nèi)表面平均溫度15.9℃，此時(shí)外表面平均溫度為-37.2℃；在火星表面的極端冷環(huán)境中，熱沉溫度取150 K，當(dāng)手套內(nèi)部加熱功率為18.1 W時(shí)，可以維持手套內(nèi)表面平均溫度16.0℃，此時(shí)外表面平均溫度為-15.3℃?；鹦潜砻姝h(huán)境下艙外手套表面溫度分布的仿真見圖2。與近地軌道高真空環(huán)境工況相比，火星低真空環(huán)境下艙外手套的漏熱量增加超過1倍，熱防護(hù)能力明顯下降。

圖2 火星表面環(huán)境下艙外手套表面溫度分布仿真Fig.2 Temperature distribution on the inner and outer surface of the EVA glove

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

模擬近地軌道出艙任務(wù)和火星登陸任務(wù)所面臨的空間熱環(huán)境，對艙外手套的熱防護(hù)性能進(jìn)行試驗(yàn)評估，主要包括：

1）熱平衡試驗(yàn)：模擬不同任務(wù)的空間熱環(huán)境，借鑒暖體假人的試驗(yàn)評估方法[9]，通過調(diào)節(jié)內(nèi)置于艙外手套的假手的發(fā)熱功率，使手套內(nèi)側(cè)（假手表面）溫度維持在設(shè)定溫度，直至達(dá)到熱平衡。其中，滿足以下條件時(shí)，判定艙外手套已達(dá)到熱平衡狀態(tài)：1 h內(nèi)艙外手套外表面測點(diǎn)平均溫度波動不超過±1℃；1 h內(nèi)假手表面測點(diǎn)平均皮溫的波動不超過±0.5℃。依據(jù)文獻(xiàn)[10]，航天員手部平均皮溫的舒適水平為28.9℃，正常操作工效水平的最低溫度為15.6℃。

2）漏熱評估試驗(yàn)：在熱平衡試驗(yàn)中，對艙內(nèi)除手套部位的管路和工裝采取隔熱措施仍無法避免試驗(yàn)系統(tǒng)境漏熱。因此，結(jié)合1）中各任務(wù)工況設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)，開展系統(tǒng)漏熱的測量，在熱平衡條件下實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)漏熱的評估和對手套真實(shí)漏熱的修正。

3）自然降溫試驗(yàn)：模擬不同任務(wù)的空間熱環(huán)境，通過內(nèi)置于艙外手套的假手將手套內(nèi)側(cè)（假手表面）加熱至平均溫度達(dá)到設(shè)定溫度后停止加熱，觀測手套內(nèi)外各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況，評估手套本身的熱防護(hù)性能。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)由空間環(huán)境模擬模塊、手套內(nèi)環(huán)境模擬模塊、數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊以及艙外手套4部分組成。其中，空間環(huán)境模擬模塊即真空環(huán)境模擬試驗(yàn)艙，用于模擬不同任務(wù)的壓力、溫度等外部環(huán)境；手套內(nèi)環(huán)境模擬模塊由暖體假手、壓力控制組件、溫度控制組件構(gòu)成，用于模擬航天員手部發(fā)熱和維持手套內(nèi)工作壓力環(huán)境；數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊由各類傳感器、巡檢儀、計(jì)算機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度、壓力等數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲。

圖3描述了試驗(yàn)系統(tǒng)的氣液連接情況。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)氣液連接示意Fig.3 The connection of gas and liquid systems

由圖3可見試驗(yàn)系統(tǒng)中包含多種壓力傳感器：電阻規(guī)和電離規(guī)分別用于低真空和高真空環(huán)境下試驗(yàn)艙的真空度測量；2個(gè)壓力變送器分別用于艙外手套內(nèi)外壓力的監(jiān)測，以保證在整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程中艙外手套處于正確的壓力環(huán)境中；U型真空計(jì)用于準(zhǔn)確測量不同氣體在0～1 kPa范圍內(nèi)的壓力值。

使用Pt100熱電阻進(jìn)行溫度測量，在假手和艙外手套外表面對應(yīng)位置布置溫度測點(diǎn)，共28個(gè)，假手和手套表面各14個(gè)，分布情況如圖4所示。測點(diǎn)布置完畢后，將假手戴入艙外手套，連接好假手與內(nèi)環(huán)境模擬模塊的數(shù)據(jù)和電源線后，將手套腕部與接口工裝連接，密封面近似線接觸。

圖4 假手和艙外手套表面的溫度測點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of temperature sensors

2.3 主要環(huán)節(jié)的試驗(yàn)方案

1）空間熱環(huán)境的模擬

近地軌道環(huán)境需要模擬高真空和冷黑背景。依據(jù)航天器熱真空試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[11]，試驗(yàn)中要求真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa；以不高于100 K的熱沉溫度模擬空間3 K的冷黑環(huán)境效應(yīng)[1]，使用液氮進(jìn)行制冷。

火星大氣環(huán)境模擬需構(gòu)建低真空環(huán)境，在高真空環(huán)境基礎(chǔ)上，向試驗(yàn)艙內(nèi)通入少量氬氣，建立700～900 Pa的壓力環(huán)境；同樣通過液氮對熱沉制冷，使熱沉溫度維持在150 K左右，模擬火星大氣環(huán)境的冷工況。使用氬氣作為模擬火星大氣的主要成分主要考慮到2方面因素：一方面二氧化碳?xì)怏w會在液氮管路等深冷表面凝結(jié)固化，影響試驗(yàn)艙的壓力控制，且容易造成設(shè)備和產(chǎn)品損傷[12-13]，而氬氣具有較低的凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)，可以避免此類現(xiàn)象；另一方面氬氣與二氧化碳的相對分子質(zhì)量（Ar和CO2分別為40和44）和熱導(dǎo)率（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，Ar和 CO2的熱導(dǎo)率分別為 1.767×10-2W·m-1·K-1和 1.655×10-2W·m-1·K-1）接近[6]，且與常見氣體相比，氬氣的傳熱特性更為接近火星大氣。

2）艙外手套內(nèi)外環(huán)境的模擬

為真實(shí)模擬艙外手套的實(shí)際工作狀態(tài)，通過內(nèi)環(huán)境模擬模塊實(shí)現(xiàn)手套工作壓力和手部發(fā)熱的模擬。其中，手套內(nèi)部壓力需要與外部環(huán)境壓力相匹配，試驗(yàn)艙壓發(fā)生變化時(shí)，動態(tài)調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力使手套內(nèi)外壓差維持在合理的范圍內(nèi)。手部發(fā)熱通過假手手指和手掌部位的2組電加熱片實(shí)現(xiàn)。

3）系統(tǒng)漏熱評估

用隔熱材料在艙外手套外部進(jìn)行包覆，以盡量減少測試過程中手套內(nèi)部熱量的外散，采用2.1節(jié)所述熱平衡試驗(yàn)方法，以不同外部環(huán)境下假手的加熱功率來評估試驗(yàn)系統(tǒng)漏熱情況。在近地軌道環(huán)境試驗(yàn)中，使用平均單元層數(shù)超過50層的多層屏蔽隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了包覆，結(jié)果顯示包覆隔熱效果較好。在火星大氣環(huán)境試驗(yàn)中，在多層屏蔽隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部增加了平均厚度不小于1.5 cm的聚酰亞胺隔熱層，以進(jìn)一步增強(qiáng)包覆結(jié)構(gòu)的絕熱效果（參見圖5）。

圖5 用于系統(tǒng)漏熱評估試驗(yàn)的絕熱包覆Fig.5 Thermal insulation for system leakage heat evaluation

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)概況

模擬火星大氣環(huán)境熱試驗(yàn)中，假手和手套上各測點(diǎn)的平均溫度變化曲線如圖6所示。平衡1表示假手平均溫度在舒適溫度附近的熱平衡，此時(shí)假手測點(diǎn)平均溫度為29.0℃，手套測點(diǎn)平均溫度為-31.5℃；平衡2表示假手平均溫度在工效允許最低溫度附近的熱平衡，此時(shí)假手測點(diǎn)平均溫度為16.4℃，手套測點(diǎn)平均溫度為-36.7℃。兩個(gè)平衡狀態(tài)之間有一個(gè)假手表面平均溫度由舒適溫度附近自然冷卻至工效允許最低溫度附近的無熱源測試過程，用時(shí)約12 min。

圖6 模擬火星大氣環(huán)境試驗(yàn)中測點(diǎn)平均溫度變化情況Fig.6 Mean temperatures at measuring points under simulated Martian thermal environment

3.2 平衡溫度分布

圖7為模擬火星大氣環(huán)境試驗(yàn)中假手和手套平均溫度達(dá)到熱平衡情況下各測點(diǎn)的溫度分布。

圖7 模擬火星大氣環(huán)境試驗(yàn)中各測點(diǎn)溫度Fig.7 Temperatures at various measuring points in simulated Martian environment test

由圖7可見，假手掌部溫度相對均勻，手指部分差別較大，指根處溫度較高，指尖處溫度較低，拇指指根與指尖的溫差最大，超過40℃。手套手掌部溫度分布不均勻，指尖處溫度也明顯低于指根處。2種平衡狀態(tài)對比，假手和手套上對應(yīng)位置的溫度差值中，中指指尖溫差最大，超過65℃；拇指指尖溫差最小，不到35℃。

導(dǎo)致上述溫度分布現(xiàn)象的原因包括2方面：一方面，艙外手套不同部位的隔熱設(shè)計(jì)存在差異，手套的多層隔熱結(jié)構(gòu)主要布置在掌腕部，手指部分的熱防護(hù)相對單?。涣硪环矫?，依據(jù)手的幾何特征，可將手掌手背簡化成平面，手指簡化成圓柱面、指尖簡化成半球面，由傳熱分析可知，隔熱效率最高的為平面，其次為圓柱面，最低為球面[6]。此外，本次試驗(yàn)中假手除拇指外，其余手指均未能與手套指尖直接接觸，存在一定的脫指量，假手指尖與手套指尖之間的空氣層起到了一定的隔熱作用，因此，拇指指尖相對其他手指表現(xiàn)出明顯的熱防護(hù)不足。

為進(jìn)一步對比火星大氣和近地軌道2類熱試驗(yàn)環(huán)境下假手手部和艙外手套平衡溫度分布的均勻性，將2種環(huán)境工況下手部和手套各溫度測點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差整理至表2。

表2 手部和手套測點(diǎn)平衡溫度標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Standard deviation of balance temperatures at hand and glove measurement points

可以發(fā)現(xiàn)：2種環(huán)境工況試驗(yàn)中手部標(biāo)準(zhǔn)差接近，說明通過假手熱源控制使得溫度分布均勻性受外部環(huán)境影響小；其中模擬火星大氣環(huán)境熱試驗(yàn)的手套標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明在該試驗(yàn)環(huán)境中手套表面各測點(diǎn)溫度偏差小，溫度分布均勻性好。這在一定程度上說明，低真空環(huán)境下對流換熱的存在使艙外手套各測點(diǎn)的溫度趨于均勻化。

3.3 漏熱功率分析

將模擬近地軌道環(huán)境和模擬火星大氣環(huán)境下熱平衡試驗(yàn)測試結(jié)果匯總于表3。其中，ΔT1為未采取包覆措施的情況下，熱平衡狀態(tài)手套測點(diǎn)和假手測點(diǎn)的平均溫度的差值，相對應(yīng)的假手加熱功率為總加熱功率Q；ΔT2為采取包覆措施的情況下，熱平衡狀態(tài)手套測點(diǎn)和假手測點(diǎn)的平均溫度的差值，相對應(yīng)的假手加熱功率為系統(tǒng)名義漏熱功率q。將差值(Q-q)定義為手套漏熱下限值。

表3 熱平衡試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 Summary of the heat balance test results

表3數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)漏熱評估試驗(yàn)中，盡管對艙外手套外部進(jìn)行了隔熱包覆，手套內(nèi)外仍有大約15℃（對應(yīng)近地軌道）或23℃（對應(yīng)火星表面）的溫差，說明測得的名義漏熱功率q既包含了真實(shí)系統(tǒng)漏熱q系統(tǒng)，也包含了少量通過手套和隔熱包覆材料散出的熱量。因此，手套真實(shí)漏熱量介于手套漏熱下限值與總加熱功率之間。

為進(jìn)一步估計(jì)艙外手套漏熱量，假定手套在包覆隔熱材料前后的總熱阻R和真實(shí)系統(tǒng)漏熱q系統(tǒng)保持不變，可以通過聯(lián)立方程組

進(jìn)行求解，得到手套漏熱q手套=ΔT1/R。

表4給出了2種環(huán)境工況下手套漏熱的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)平衡溫度為15.6℃時(shí)，計(jì)算結(jié)果偏大，尤其是火星表面工況的結(jié)果差距較大。計(jì)算誤差可能來源于：手套接口熱邊界的簡化、材料導(dǎo)熱系數(shù)的取值偏大，以及計(jì)算中忽略了手套外表面稀薄氣體的自然對流效應(yīng)。

表4 不同環(huán)境工況下手套漏熱對比Table 4 Comparison of glove heat leakage under different conditions

3.4 自然降溫特性

表5給出了模擬火星大氣和近地軌道2種環(huán)境工況下假手和手套各部位的平均溫度變化速率。

表5 2 種試驗(yàn)工況平均溫度變化速率對比Table 5 Comparison of average temperature variation rates under two test conditions(℃·h-1)

可以看出，在火星低真空熱環(huán)境中，假手和艙外手套的溫度變化非常快，即使在熱沉溫度（150 K左右）高于近地軌道環(huán)境熱試驗(yàn)熱沉溫度（100 K以下）的情況下，降溫速率依然相對更大，這也說明了火星大氣環(huán)境下對熱防護(hù)的要求更為嚴(yán)苛。

4 結(jié)論與展望

本文針對典型柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)——艙外航天服手套，構(gòu)建了其在近地空間和火星表面大氣環(huán)境冷工況下的漏熱分析模型，進(jìn)行了手套漏熱功率的分析，并探索性地開展了模擬火星大氣環(huán)境下艙外手套的熱防護(hù)試驗(yàn)研究。分析和試驗(yàn)結(jié)果顯示，在模擬火星大氣環(huán)境下，艙外手套熱防護(hù)能力明顯降低，漏熱量超過10 W，指尖等局部熱防護(hù)不足現(xiàn)象顯著。

為適應(yīng)火星大氣環(huán)境下的出艙探測任務(wù)，需要重新開展柔性結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)。當(dāng)前的MLI在火星大氣環(huán)境中熱防護(hù)性能下降明顯，需研制新型隔熱材料和探索不同材料的復(fù)合運(yùn)用方法；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)主動熱防護(hù)措施，在能源和空間有限的條件下，實(shí)現(xiàn)熱功率自適應(yīng)和溫度均勻性調(diào)節(jié)。

本文的研究：在模型方面，對稀薄氣體傳熱進(jìn)行了簡化處理，利用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)描述柔性多層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性，忽略了外部環(huán)境中低重力條件下的自然對流特征；在試驗(yàn)方面，為簡化操作對外部復(fù)雜空間環(huán)境因素的模擬中只選取了與熱防護(hù)研究相關(guān)性最強(qiáng)的部分。后期可針對火星風(fēng)暴、星塵、低重力等實(shí)際環(huán)境特征開展模擬和試驗(yàn)。