王玉瑩，寧獻(xiàn)文，趙 欣，曹劍峰，戴承浩，孫冠杰

（1.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；2.中國空間技術(shù)研究院：北京100094）

0 引言

目前，航天器的廢熱排散主要通過向空間環(huán)境的輻射散熱與消耗型散熱2種途徑實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)高效的輻射散熱，航天器必須提供足夠面積的具有較高表面發(fā)射率的散熱面，且散熱面與周圍環(huán)境之間應(yīng)有較大的溫差。而消耗型散熱通過蒸發(fā)/升華液體工質(zhì)到航天器所處的真空環(huán)境過程中吸收相變潛熱來實(shí)現(xiàn)廢熱排散，是一種不依賴輻射的散熱方式。適于空間應(yīng)用的消耗型散熱方式主要有升華散熱、蒸發(fā)散熱及閃蒸蒸發(fā)。消耗型散熱方式散熱效率高，適用于空間高真空環(huán)境、低真空環(huán)境及大氣環(huán)境等復(fù)雜空間環(huán)境。目前，對于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無法提供相對固定散熱面或處于空間高溫環(huán)境無法利用輻射散熱的航天器，消耗型散熱是其必不可少的散熱途徑。月面活動(dòng)、地外駐留等載人深空探測任務(wù)中，消耗型散熱不僅可以解決航天器的短時(shí)大功率散熱問題，而且在一定條件下可有效節(jié)約系統(tǒng)資源。但是消耗型散熱在長期應(yīng)用（如未來月面長期活動(dòng)、長期地外駐留等空間任務(wù)）中將消耗大量的水工質(zhì)，使得任務(wù)所必需的資源攜帶量隨地外駐留時(shí)間的延長而增加。據(jù)NASA 評估，當(dāng)駐留時(shí)間達(dá)到575天時(shí)，定期開展月面出艙活動(dòng)需要消耗的水量將達(dá)到約3800 kg。而對于長期空間探測任務(wù)，如果不對消耗工質(zhì)進(jìn)行回收，就需要攜帶大量的消耗工質(zhì)，這一方面將增加運(yùn)載的發(fā)射成本，另一方面將限制航天器有效載荷的攜帶，進(jìn)而影響任務(wù)周期和效益。

本文開展真空環(huán)境下的微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)，獲得該試驗(yàn)系統(tǒng)在不同壓力環(huán)境下的散熱特性，基于此提出無工質(zhì)排放的空間消耗型散熱技術(shù)概念，并設(shè)計(jì)柔性水蒸氣收集裝置開展蒸發(fā)散熱-水蒸氣收集聯(lián)合試驗(yàn)，以驗(yàn)證該技術(shù)概念的可行性，同時(shí)研究消耗工質(zhì)收集對微孔膜蒸發(fā)散熱穩(wěn)定運(yùn)行的影響。這一概念利用消耗型相變高效散熱的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)消耗工質(zhì)零排放，可以為解決消耗型散熱長期空間應(yīng)用的難題提供啟發(fā)。

1 基于微孔膜蒸發(fā)的空間消耗型散熱特性分析

1.1 微孔膜蒸發(fā)消耗型散熱機(jī)理

暴露在低壓或真空環(huán)境下的液體工質(zhì)，其表面將在壓力差的作用下發(fā)生劇烈蒸發(fā)相變，并吸收大量熱量，可表示為

式中：Q 為相變過程吸收的熱量，J； m˙為蒸發(fā)質(zhì)量流量，kg/s；h為蒸發(fā)潛熱，J/kg。

空間微孔膜蒸發(fā)利用這一原理，使流體流經(jīng)壁面有微孔的微管，在此過程中流體工質(zhì)向真空或低壓環(huán)境蒸發(fā)，以此帶走系統(tǒng)廢熱，如圖1所示。這一過程涉及多孔介質(zhì)內(nèi)的毛細(xì)流動(dòng)、對流傳熱以及相變問題與多孔介質(zhì)內(nèi)稀薄氣體流動(dòng)問題的耦合。研究證明水是目前蒸發(fā)/升華潛熱最大的物質(zhì)，因此空間應(yīng)用中以水作為蒸發(fā)/升華散熱的介質(zhì)最為高效、經(jīng)濟(jì)。

圖1 微孔膜蒸發(fā)散熱原理示意Fig.1 Principle of evaporative heat dissipation based on microporousmembrane

根據(jù)微孔膜蒸發(fā)的機(jī)理，其熱量的最終排散通過工質(zhì)排出至外部環(huán)境時(shí)的相變過程來實(shí)現(xiàn)，不需要輻射散熱通道，因此膜蒸發(fā)技術(shù)是解決未來艙外航天服、艙外機(jī)動(dòng)單元等航天器散熱需求的有效途徑。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)的“月球”計(jì)劃中曾采用水蒸發(fā)散熱技術(shù)。近年，NASA 通過4代原理樣機(jī)的研制和試驗(yàn)，推動(dòng)了膜蒸發(fā)散熱技術(shù)的研究，其試驗(yàn)結(jié)果表明，膜蒸發(fā)技術(shù)具有良好的散熱和耐腐蝕性能，是未來月球及火星復(fù)雜環(huán)境下的有效散熱方式之一。

1.2 微孔膜蒸發(fā)消耗型散熱特性驗(yàn)證

1.2.1試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)真空環(huán)境下的微孔膜蒸發(fā)散熱機(jī)理，設(shè)計(jì)微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)件，開展真空環(huán)境下消耗型散熱特性測試。試驗(yàn)用組件微孔膜管內(nèi)徑200μm、壁厚100μm，微孔膜數(shù)量480支。利用試驗(yàn)件開展不同壓力環(huán)境下的蒸發(fā)散熱試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，主要由真空系統(tǒng)和微孔膜蒸發(fā)散熱流體循環(huán)系統(tǒng)組成。真空系統(tǒng)包含真空室和真空控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)中，真空室內(nèi)有連續(xù)蒸汽源，但可通過特定的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)將真空室內(nèi)部環(huán)境壓力維持穩(wěn)定在設(shè)定值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于測量和處理溫度及壓力數(shù)據(jù)，將壓力參數(shù)反饋給真空控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真空室內(nèi)壓力的控制。微孔膜蒸發(fā)散熱流體循環(huán)系統(tǒng)包含流體循環(huán)驅(qū)動(dòng)泵、回路工質(zhì)儲(chǔ)液器及微孔膜蒸發(fā)試驗(yàn)件等。該系統(tǒng)用于為微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)件提供循環(huán)工質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)件置于真空室內(nèi)，流體循環(huán)回路置于真空室外，并與微孔膜蒸發(fā)試驗(yàn)件流體進(jìn)、出口相連構(gòu)成回路。

圖2 微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental setup of microporous membrane evaporative heat dissipation

1.2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)中對回路流體的質(zhì)量流量、進(jìn)口溫度以及真空環(huán)境壓力進(jìn)行控制，以獲得微孔膜蒸發(fā)在不同條件下的運(yùn)行特性。試驗(yàn)條件如表1所示，流體質(zhì)量流量為(28±1)L/h，根據(jù)不同的流體進(jìn)口溫度設(shè)定低于其飽和蒸氣壓的真空室壓力，使真空室壓力在試驗(yàn)中維持在不同的值。

表1 微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)條件Table 1 Experimental parameters of microporous membrane evaporative heat dissipation

試驗(yàn)過程中，微孔膜蒸發(fā)散熱裝置蒸發(fā)出的水蒸氣直接排放在真空室內(nèi)。試驗(yàn)采用的真空調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真空室內(nèi)部有氣源條件下的真空度調(diào)控，調(diào)控精度為±0.1 kPa。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

微孔膜蒸發(fā)通過相變過程吸收的潛熱帶走熱量，該熱量值Q 可以通過流經(jīng)微孔膜蒸發(fā)試驗(yàn)件的流體顯熱變化宏觀表征為

式中：c為試驗(yàn)流體比熱容，J/(kg·K)； m˙為流體質(zhì)量流量，kg/s；T、T分別為微孔膜蒸發(fā)試驗(yàn)件進(jìn)、出口流體溫度，K。

根據(jù)式(2)，為計(jì)算微孔膜蒸發(fā)散熱量，須在試驗(yàn)件流體進(jìn)、出口分別布置溫度傳感器（見圖2中1#、2#標(biāo)注位置）進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和記錄。根據(jù)不同試驗(yàn)條件下的測量結(jié)果，計(jì)算得到相應(yīng)條件下的微孔膜蒸發(fā)散熱量（見圖3）。

圖3 微孔膜蒸發(fā)在不同試驗(yàn)條件下的散熱量Fig.3 Capability of microporous membrane evaporative heat dissipation under different environmental parameters

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同真空環(huán)境壓力下，所用試驗(yàn)件在(15±0.5)～(36±0.5)℃的回路流體進(jìn)口溫度下，蒸發(fā)散熱量在62～515 W 之間；同一進(jìn)口溫度條件下，散熱量隨著真空環(huán)境壓力升高而減??；相同真空環(huán)境壓力下，流體進(jìn)口溫度越高散熱量越大。在本文所研究的溫度范圍內(nèi)，蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽通過孔徑為r 的微孔膜壁面過程中，由于氣體分子平均自由程λ的不同，流動(dòng)模式在Knudsen 擴(kuò)散（λ>>r）和Poiseuille流動(dòng)（λ<

式(3)和試驗(yàn)結(jié)果說明：蒸發(fā)表面的流體飽和蒸氣壓與環(huán)境之間的壓差是微孔膜蒸發(fā)散熱的主要驅(qū)動(dòng)力——流體進(jìn)口溫度越高，蒸發(fā)表面內(nèi)外壓差越大，蒸發(fā)質(zhì)量流量和散熱量就越大。因此，可以通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)環(huán)境壓力來調(diào)節(jié)散熱量。

2 基于微孔膜蒸發(fā)的空間無排放消耗型散熱概念及驗(yàn)證

2.1 空間無排放消耗型散熱概念設(shè)計(jì)

微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)結(jié)果表明，微孔膜蒸發(fā)散熱系統(tǒng)可以在有背壓的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，并可通過環(huán)境壓力的控制對其散熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)?；诖嗽O(shè)計(jì)柔性收集組件對微孔膜蒸發(fā)散熱的排放工質(zhì)進(jìn)行收集，并驗(yàn)證蒸汽收集過程對微孔膜蒸發(fā)散熱特性的影響。柔性收集組件和微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)件布局見圖4，試驗(yàn)中將圖4所示聯(lián)合系統(tǒng)置入圖2所示真空系統(tǒng)。微孔膜蒸發(fā)散熱組件流體進(jìn)、出口分別與真空系統(tǒng)外的工質(zhì)循環(huán)流體系統(tǒng)相連形成回路，閥1、閥2所示自鎖閥及壓力傳感器可通過外部控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控操作。

圖4 蒸發(fā)-柔性收集無排放消耗散熱試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Emission-free evaporative heat dissipation experiment setup of evaporator-collector combination

試驗(yàn)所用柔性收集裝置試驗(yàn)件充氣后可展開為直徑約400 mm 的球體，通過進(jìn)、出口的自鎖閥可以控制微孔膜蒸發(fā)散熱裝置產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入柔性收集裝置和排放至真空環(huán)境。同時(shí)利用氣體壓力傳感器對柔性收集裝置內(nèi)的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測，其量程和精度為(0～500 kPa)±20 Pa。

2.2 基于微孔膜蒸發(fā)的無排放消耗散熱原理驗(yàn)證

微孔膜蒸發(fā)-水蒸氣收集聯(lián)合試驗(yàn)中，收集裝置的存在將使微孔膜蒸發(fā)散熱過程的環(huán)境壓力不再維持恒定。為研究水蒸氣收集過程中收集裝置內(nèi)壓力變化及其對微孔膜蒸發(fā)散熱的影響，開展不同流體進(jìn)口溫度、柔性收集裝置初始內(nèi)壓條件下的微孔膜蒸發(fā)-水蒸氣收集聯(lián)合試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。

表2 微孔膜蒸發(fā)-水蒸氣收集聯(lián)合試驗(yàn)條件Table 2 Parameters of compound experiment of microporous membrane evaporator with water vapor collector

試驗(yàn)中對微孔膜蒸發(fā)散熱裝置流體進(jìn)、出口溫度及柔性收集裝置內(nèi)部壓力變化進(jìn)行記錄和分析。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段先打開閥2對系統(tǒng)進(jìn)行真空排氣處理。測試時(shí)，首先打開自鎖閥2、關(guān)閉自鎖閥1對柔性收集裝置抽真空，使柔性收集裝置的初始內(nèi)壓分別為0.62 kPa、1.0 kPa；然后關(guān)閉閥2、閥1，并為微孔膜蒸發(fā)散熱裝置供水，使其形成內(nèi)部循環(huán)，但蒸發(fā)表面背壓是工質(zhì)的飽和蒸氣壓，故此時(shí)并不散熱。開始試驗(yàn)時(shí)，打開自鎖閥1，微孔膜蒸發(fā)散熱裝置蒸發(fā)表面暴露在柔性收集裝置的真空壓力下，開始運(yùn)行并散熱，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣被柔性收集裝置收集。柔性收集裝置抽真空和收集水蒸氣后的狀態(tài)如圖5所示。

圖5 柔性蒸汽收集裝置試驗(yàn)狀態(tài)Fig.5 Flexible collector in pumping state and with water vapor collected

對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的壓力、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，得到不同試驗(yàn)條件下柔性收集裝置內(nèi)的壓力變化（圖6）及微孔膜蒸發(fā)裝置的散熱量變化（圖7）。

圖6 柔性收集裝置內(nèi)壓變化Fig.6 Inner pressure of the flexible collector

圖7 蒸發(fā)-柔性收集無排放消耗散熱系統(tǒng)散熱量Fig.7 Heat dissipation in the evaporator-collector emissionfree experiment

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在連接直徑為400 mm的柔性氣囊和試驗(yàn)設(shè)定初始背壓情況下，微孔膜蒸發(fā)散熱裝置可以啟動(dòng)運(yùn)行并維持一定散熱能力。微孔膜蒸發(fā)散熱啟動(dòng)后，蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣的積聚使柔性收集裝置內(nèi)壓逐漸升高。蒸發(fā)速率受蒸發(fā)界面處飽和蒸氣壓與環(huán)境壓力間的壓差及工質(zhì)溫度的影響，因此工質(zhì)溫度較低時(shí)，蒸發(fā)速率較小，柔性收集裝置內(nèi)部壓力達(dá)到基本穩(wěn)定的時(shí)間較長；工質(zhì)溫度較高時(shí)，內(nèi)部壓力在更短的時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。其后由于收集裝置內(nèi)壓升高導(dǎo)致微孔膜蒸發(fā)散熱量減小、蒸發(fā)質(zhì)量流量減小，收集裝置內(nèi)部壓力的升高趨緩，壓力變化趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)工況下，收集裝置的體積是限制其內(nèi)部壓力最終所能達(dá)到的最大值的主要影響因素。試驗(yàn)中柔性收集裝置所采用材料的內(nèi)外最大安全壓差約為2 kPa，為了避免壓力持續(xù)升高損壞收集裝置，在壓力基本趨于穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。如圖6所示，柔性收集裝置在試驗(yàn)開始約90～150 s后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，最終裝置內(nèi)部壓力穩(wěn)定在約3 kPa。

同時(shí)，由散熱量變化可以看出，散熱量Q 在試驗(yàn)開始約20 s左右達(dá)到最大值，此后由于收集裝置內(nèi)壓增加，Q 逐漸減小，直至失去散熱效果。在與柔性收集裝置連接的情況下，相同柔性收集裝置初始內(nèi)壓條件下，散熱量隨微孔膜蒸發(fā)流體進(jìn)口溫度的升高而增加。

綜上，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)柔性收集裝置內(nèi)壓增至接近微孔膜蒸發(fā)散熱工質(zhì)對應(yīng)的飽和蒸氣壓時(shí)，由于沒有壓差的驅(qū)動(dòng)，微孔膜蒸發(fā)散熱逐漸失去散熱效果。在連接小體積柔性收集裝置的情況下，微孔膜蒸發(fā)散熱可在短時(shí)間內(nèi)維持有效的散熱能力和效率，維持的時(shí)間取決于柔性收集裝置內(nèi)壓的升高速率。即，若要實(shí)現(xiàn)空間無排放消耗型散熱系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，則排放工質(zhì)收集裝置應(yīng)滿足排放速率為 m˙=Q/h的蒸發(fā)工質(zhì)吸收處理能力，才能保證系統(tǒng)蒸發(fā)散熱的效率。

3 結(jié)束語

本研究開展不同真空環(huán)境壓力和流體進(jìn)口溫度條件下的微孔膜蒸發(fā)散熱試驗(yàn)，結(jié)果表明：微孔膜蒸發(fā)散熱可以在不同壓力條件下穩(wěn)定運(yùn)行，其散熱量隨真空環(huán)境壓力的增加而線性減小，故可通過控制環(huán)境壓力對散熱量進(jìn)行調(diào)控?；诖颂岢鰺o工質(zhì)排放的空間消耗型散熱概念，并設(shè)計(jì)柔性水蒸氣收集裝置，與微孔膜蒸發(fā)散熱系統(tǒng)開展蒸發(fā)散熱-水蒸氣收集聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，微孔膜蒸發(fā)可以在無工質(zhì)排放情況下實(shí)現(xiàn)有效散熱，其運(yùn)行規(guī)律與有工質(zhì)排放的微孔膜蒸發(fā)散熱一致，驗(yàn)證了無排放空間消耗型散熱的可行性。由于水蒸氣收集裝置對蒸汽的吸收和處理速率決定微孔膜蒸發(fā)散熱環(huán)境壓力，從而影響系統(tǒng)散熱量，所以后續(xù)研究除了著眼于進(jìn)一步提高消耗型散熱的散熱效率外，要重點(diǎn)關(guān)注水蒸氣的高效吸收和處理技術(shù)。