單相流體回路安全性設(shè)計(jì)

于新剛 范宇峰 黃家榮 滿(mǎn)廣龍

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

隨著航天器功能的不斷增強(qiáng)，設(shè)備的功耗也不斷增大，高熱流密度及溫度均勻性的要求，使得采用流體回路技術(shù)進(jìn)行有效熱控成為大型航天器主動(dòng)熱設(shè)計(jì)的必然選擇［1］。對(duì)于載人航天器而言，由于尺度增大引起的熱量收集、傳輸、排散問(wèn)題以及密封艙內(nèi)溫濕度的控制，目前都只能通過(guò)流體回路來(lái)解決。流體回路系統(tǒng)包括單相流體回路和兩相流體回路。兩相流體回路系統(tǒng)具有系統(tǒng)重量輕、功耗小、溫度均勻性高的特點(diǎn)，但是，目前對(duì)在軌微重力情況下的相變換熱機(jī)理以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)（比如汽液分離技術(shù)、運(yùn)行穩(wěn)定性等）的研究還不成熟［2］。而單相流體回路由于熱量排散能力強(qiáng)、機(jī)理簡(jiǎn)單、可靠性高，在聯(lián)盟號(hào)飛船、航天飛機(jī)、“國(guó)際空間站”等載人航天器上都得到了廣泛的應(yīng)用［3-5］。

單相流體回路熱控制技術(shù)最早應(yīng)用于載人飛船，流體回路在使用過(guò)程中更多地考慮在給定功耗和重量資源下的功能實(shí)現(xiàn)。而隨著載人航天器在軌時(shí)間延長(zhǎng)、工作模式增多，對(duì)熱控系統(tǒng)可靠性、安全性方面提出了更高的要求，從而也要求作為主動(dòng)熱控核心的流體回路系統(tǒng)具有更高的安全性。

本文以目前單相流體回路設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些安全性設(shè)計(jì)考慮為基礎(chǔ)，結(jié)合“國(guó)際空間站”等國(guó)外應(yīng)用單相流體回路設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，分析了單相流體回路防凍結(jié)設(shè)計(jì)、防靜電設(shè)計(jì)、工質(zhì)處理、系統(tǒng)壓力控制等方面的基本設(shè)計(jì)方法。

2 單相流體回路設(shè)計(jì)中的主要安全性問(wèn)題

在進(jìn)行單相流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先是設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)該在功能上滿(mǎn)足需求，例如系統(tǒng)散熱量、重量、溫度控制水平等。在此基礎(chǔ)上應(yīng)該考慮系統(tǒng)在各種復(fù)雜內(nèi)外部環(huán)境下的工作狀況，盡可能地提高流體回路的工作可靠性和安全性，避免出現(xiàn)危及整個(gè)系統(tǒng)的情況，為此主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮問(wèn)題。

（1）流體回路靠液體的流動(dòng)來(lái)傳遞熱量，因此流體回路系統(tǒng)應(yīng)時(shí)刻保持工質(zhì)的流動(dòng)，避免凍結(jié)。如果由于工質(zhì)的局部溫度過(guò)低發(fā)生凍結(jié)，流體回路系統(tǒng)即失去功能，此外工質(zhì)凍結(jié)-解凍的過(guò)程會(huì)引起系統(tǒng)壓力的大幅變化，產(chǎn)生危險(xiǎn)。

（2）流體回路系統(tǒng)對(duì)不凝性氣體比較敏感，工質(zhì)中氣體的存在對(duì)系統(tǒng)工作可以產(chǎn)生多種危害，會(huì)降低泵的壓頭、阻礙換熱，甚至有可能阻塞流動(dòng)［6］，故應(yīng)采取措施避免。

（3）流體回路是一個(gè)封閉系統(tǒng)，由于液體的可壓縮性差，當(dāng)溫度變化時(shí)如果沒(méi)有補(bǔ)償或補(bǔ)償不足，系統(tǒng)壓力會(huì)急劇變化。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)壓力降低會(huì)影響泵的工作，而壓力升高超過(guò)設(shè)備的耐壓時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏等安全問(wèn)題。

上述任何一個(gè)問(wèn)題發(fā)生都可能發(fā)生系統(tǒng)級(jí)失效，是單相流體回路設(shè)計(jì)階段應(yīng)著重考慮的幾個(gè)安全性問(wèn)題。此外，還有一些有可能引起間接危害的因素如靜電等問(wèn)題也應(yīng)引起注意。下面著重介紹如何避免上述幾個(gè)問(wèn)題的設(shè)計(jì)方法和措施。

3 防凍結(jié)設(shè)計(jì)

單相流體回路在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般按照外熱流最大，同時(shí)熱耗最大的極端情況，來(lái)確定其輻射器的面積等參數(shù)；然而實(shí)際在軌運(yùn)行時(shí)，卻可能是低熱耗和低外熱流的情況，此時(shí)整個(gè)流體面臨的一個(gè)問(wèn)題就是防凍結(jié)。

飛船在進(jìn)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)，完成對(duì)接后會(huì)進(jìn)行一段時(shí)間的組合體飛行，此時(shí)飛船處于停靠模式。由于飛船太陽(yáng)電池翼?？匾虼讼到y(tǒng)供電能力下降，大量設(shè)備此時(shí)關(guān)機(jī)，整船的熱耗下降約為正常飛行時(shí)的50%，此時(shí)輻射器的防凍是一個(gè)問(wèn)題。在流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用液路加熱器來(lái)提高進(jìn)入輻射器的工質(zhì)溫度，此液路加熱器布置在輻射器的入口，其開(kāi)關(guān)由輻射器出口處的插入式的溫度傳感器來(lái)控制。此液路加熱器直接作用于工質(zhì)，加熱效率高、并且溫升速度相應(yīng)較快。圖1給出了不同流量下液路加熱器加熱量與溫升試驗(yàn)的關(guān)系。隨著流量增加溫升減小，并且加熱量與溫升為線(xiàn)性關(guān)系。這種模式的最大的缺點(diǎn)是所需功耗較大，而系統(tǒng)質(zhì)量也較大，因此限制了它的應(yīng)用。

圖1 不同流量下加熱功率與溫升關(guān)系Fig．1 Temperature change with power for various flowrate

“國(guó)際空間站”流體回路也面臨著防凍的問(wèn)題，在運(yùn)行過(guò)程中采取了多種措施來(lái)預(yù)防輻射器凍結(jié)。以電池控溫回路為例［7］，該回路是一個(gè)單回路系統(tǒng)，回路的工質(zhì)采用液態(tài)氨，分析表明［6］，在沒(méi)有熱耗同時(shí)外熱流最小的情況下，只要輻射器每根管內(nèi)的流動(dòng)不小于0．66lb／h（0．299 4kg／h），就可以保證輻射器管路不被凍結(jié)。因此在設(shè)計(jì)流體回路系統(tǒng)控制邏輯時(shí)須保證流體回路的溫控閥（Flow Control Valve）的開(kāi)度不小于5%（對(duì)應(yīng)流量為0．79lb／h（0．358 3kg／h）），可采用兩種控制方式：①設(shè)定一個(gè)計(jì)時(shí)器，當(dāng)溫控閥開(kāi)度小于5%時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，假如時(shí)間超過(guò)一個(gè)預(yù)設(shè)的時(shí)間（8min），溫控閥則被設(shè)置到一個(gè)固定的開(kāi)度（70%）并保持一定的時(shí)間（30s），以對(duì)輻射器內(nèi)管路進(jìn)行沖刷；上述時(shí)間和開(kāi)度都是根據(jù)對(duì)輻射器凍結(jié)和沖刷的分析得到的；為了避免溫控閥的不必要操作，這一控制措施當(dāng)輻射器供液溫度超過(guò)一定溫度時(shí)不啟動(dòng)。②根據(jù)輻射器的入口溫度（放置于泵組件內(nèi)）來(lái)進(jìn)行溫控閥控制，當(dāng)輻射器溫度低于一個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)，將溫控閥設(shè)置為部分旁路，從而避免輻射器凍結(jié)；這種防凍措施優(yōu)點(diǎn)是不增加額外的配置，缺點(diǎn)是人為控制溫控閥動(dòng)作，會(huì)引起控溫點(diǎn)的溫度波動(dòng)。

上述的防凍措施都在“國(guó)際空間站”流體回路運(yùn)轉(zhuǎn)期間采用，在流體回路由于種種原因停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主要通過(guò)控制姿態(tài)的方式來(lái)防止凍結(jié)，即在此時(shí)將輻射器朝向太陽(yáng)或者地球來(lái)對(duì)輻射器進(jìn)行加熱。

在深空探測(cè)等領(lǐng)域目前出現(xiàn)了一種新的方式來(lái)防止凍結(jié)，它采用一個(gè)回?zé)釗Q熱器來(lái)收集系統(tǒng)熱量，從而保證經(jīng)過(guò)輻射器的流量。Eugene K．Ungar給出了回?zé)釗Q熱器預(yù)防凍結(jié)的一個(gè)方案［8］。圖2為一個(gè)普通的流體回路示意圖，通過(guò)溫控閥的開(kāi)度控制經(jīng)過(guò)輻射器的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定溫度點(diǎn)的溫度控制。圖3為一個(gè)采用回?zé)釗Q熱設(shè)計(jì)的流體回路示意圖，增加回?zé)釗Q熱器后，在回路中通過(guò)溫控閥控制通過(guò)回?zé)釗Q熱器和回?zé)釗Q熱器旁路的流量比例來(lái)控制系統(tǒng)溫度，當(dāng)熱耗最大時(shí)回?zé)釗Q熱器被完全旁路（與傳統(tǒng)的控制模式相似），當(dāng)系統(tǒng)熱耗低時(shí)，全流量流過(guò)回?zé)釗Q熱器。

圖2 典型的流體回路系統(tǒng)示意圖Fig．2 Schematic of a typical fluidloop

采用回?zé)釗Q熱器之后，工質(zhì)始終全流量流過(guò)輻射器，工質(zhì)流速較高，不易凍結(jié)。此外由于回?zé)釗Q熱器的存在降低了輻射器的入口溫度，使得輻射器的平均溫度降低，由于輻射器的散熱量與輻射器溫度的4 次方成正比，降低平均溫度后減少了輻射器的散熱量，從而減小了整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)輻射器損失的熱量；即一部分之前通過(guò)輻射器散失的熱量通過(guò)回?zé)釗Q熱器又進(jìn)入流體回路系統(tǒng)，減小了維持系統(tǒng)運(yùn)行所需的最低熱耗。根據(jù)Eugene K．Ungar的分析結(jié)果，采用這一方案系統(tǒng)運(yùn)行所需最低熱耗可以降低30%。該方式缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)質(zhì)量，優(yōu)點(diǎn)是不增加額外的能量消耗、防凍的效果較好。

圖3 增加回?zé)釗Q熱的回路系統(tǒng)Fig．3 Schematic of a fluidloop with regenerative heat exchanger

4 氣體去除

工質(zhì)中不凝性氣體的來(lái)源主要有兩個(gè)：一是在加注時(shí)工質(zhì)中溶解的氣體隨工質(zhì)進(jìn)入回路；二是密封艙內(nèi)在軌更換設(shè)備時(shí)也會(huì)引入空氣。這些不凝性氣體隨著工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)的溫度或壓力降低時(shí)會(huì)大量析出。基于上述回路中不凝性氣體產(chǎn)生的兩種原因，要去除工質(zhì)中的不凝性氣體一般從兩方面著手。一方面是在加注前對(duì)工質(zhì)進(jìn)行處理，以減少在工質(zhì)中溶解的不凝性氣體含量；另一方面在軌時(shí)還可以通過(guò)捕集的方式來(lái)排除不凝性氣體。

圖4為一種典型加注脫氣的結(jié)構(gòu)示意圖。在裝有工質(zhì)的容器中，通過(guò)一個(gè)抽真空口來(lái)降低工質(zhì)上部的壓力，從而使得工質(zhì)中溶解的氣體析出，達(dá)到去除工質(zhì)中不凝性氣體的目的。試驗(yàn)表明，采用這種方式可以去除工質(zhì)中溶解的超過(guò)95%的溶解空氣；完成脫氣處理的工質(zhì)在進(jìn)行加注后，進(jìn)行降壓試驗(yàn)，泵入口處壓力降至35kPa時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作，泵轉(zhuǎn)速、壓差、電流均正常，直至壓力降至31kPa時(shí)泵出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，系統(tǒng)無(wú)法工作。而脫氣之前的試驗(yàn)泵入口處壓力降至80kPa泵已經(jīng)不能工作，因此脫氣有效。通過(guò)脫氣大大增加了流體回路在低溫、低壓下的工作可靠性。

圖4 工質(zhì)脫氣示意圖Fig．4 Schematic of a gas removal system

“國(guó)際空間站”上由于大量采用在軌可更換設(shè)備（Orbital Replacement Units，ORU），因此在回路中布置了專(zhuān)門(mén)的氣體捕集裝置（Gas Trap）。Joseph T．Humphrey 等人［8］介紹了“國(guó)際空間站”上美國(guó)艙采用的一種雙膜氣體分離裝置。圖5為這種氣體分離裝置的原理圖。該裝置由置于一個(gè)鈦管殼中的雙膜結(jié)構(gòu)組成，外層是一種親水膜可以使工質(zhì)透過(guò)，內(nèi)層是一種疏水膜可以透過(guò)氣體不透過(guò)工質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。這種氣液分離裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但其缺點(diǎn)也是比較明顯的，首先由于阻塞等原因會(huì)造成膜的效率下降，此外工質(zhì)也有可能透過(guò)疏水膜而產(chǎn)生損失。目前NASA 正在對(duì)這一設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)［9］。

圖5 氣體捕集裝置示意圖Fig．5 Schematic of gas trap

在“國(guó)際空間站”上的俄羅斯艙段還采用了另外一種形式的氣液分離裝置［10］。這種分離裝置的原理為離心分離的方式。裝置的形狀為一個(gè)錐形，液體沿著椎體的底部（直徑較小一端）的切向進(jìn)入，工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，由于氣液的離心力不同形成氣液的分離。而隨著工質(zhì)的流動(dòng)，椎體的直徑逐漸增大，工質(zhì)的速度減慢，最終分離的氣體都聚集在椎體的頂端，直至氣體排出，完成對(duì)工質(zhì)中氣體的分離。這種設(shè)計(jì)方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可靠性較高，但是存在阻力損失較大的問(wèn)題。

5 系統(tǒng)壓力控制

5．1 系統(tǒng)壓力控制

單向流體回路系統(tǒng)的壓力控制目前主要是通過(guò)補(bǔ)償器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。補(bǔ)償器是一種波紋管隔離的兩腔結(jié)構(gòu)，一側(cè)充有氣體，另一側(cè)與回路連接。高溫時(shí)工質(zhì)體積膨脹氣體壓縮，工質(zhì)進(jìn)入補(bǔ)償器，低溫時(shí)氣側(cè)體積膨脹，工質(zhì)進(jìn)入主回路，從而起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的作用。“國(guó)際空間站”的外回路就在不同的部位共布置了10臺(tái)補(bǔ)償器［11］，補(bǔ)償器對(duì)高壓的補(bǔ)償一般是對(duì)流體回路系統(tǒng)（包括轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射、在軌運(yùn)行的全周期的高溫情況）進(jìn)行分析，根據(jù)溫度的變化結(jié)合工質(zhì)的膨脹特性，計(jì)算出最大膨脹量，然后在工質(zhì)加注過(guò)程中對(duì)補(bǔ)償器預(yù)留出這一膨脹量。

在流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，有一種情況可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生局部壓力增大，值得注意。當(dāng)流體回路系統(tǒng)要通過(guò)多個(gè)艙段時(shí)整個(gè)流體回路系統(tǒng)的高度有可能很高，在進(jìn)行發(fā)射時(shí)，由于火箭的加速以及工質(zhì)本身自重，有可能在底部產(chǎn)生較大的靜壓，其壓力表達(dá)為

式中：P為回路系統(tǒng)壓力（靜壓，Pa），ρ為工質(zhì)密度（kg／m3），gn為重力加速度（m／s2），a為運(yùn)載火箭的加速度（m／s2），h為流體回路系統(tǒng)高度（m）。這種情況可以通過(guò)兩種方式來(lái)解決：一方面通過(guò)閥門(mén)將流體回路隔斷，使得整個(gè)系統(tǒng)形成一種分段的形式，減小高度；另一方面可以增大補(bǔ)償器的高溫端的補(bǔ)償余量，使得在運(yùn)載火箭加速過(guò)程中回路上端的部分工質(zhì)進(jìn)入補(bǔ)償器內(nèi)，緩解系統(tǒng)壓力變化。

5．2 局部壓力控制

除了對(duì)流體回路系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償外，對(duì)于某些在軌可更換設(shè)備，由于其存放和更換后是充滿(mǎn)工質(zhì)的，也需要考慮其壓力控制問(wèn)題。圖6 給出了“國(guó)際空間站”的哥倫布艙內(nèi)的流體試驗(yàn)?zāi)K的局部圖，在其上的回路安裝有小的膨脹節(jié)（Fluid Expander），這種膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)原理和補(bǔ)償器相似，也是一種由不銹鋼波紋管隔開(kāi)的一種兩腔結(jié)構(gòu)，其中一側(cè)充有氮?dú)猓?0］。此外在某些快速拔插設(shè)備的兩端安裝有軟管（hose），如圖7 所示，這種軟管主要是方便快速拔插操作，也能對(duì)工質(zhì)進(jìn)行少量的補(bǔ)償［10］。

圖6 包含膨脹節(jié)的回路Fig．6 Fluidloop with fluid expander

圖7 包含軟管的ORUFig．7 ORU with hose

6 防靜電設(shè)計(jì)

航天器一般對(duì)電子設(shè)備有防靜電的要求，主要是要求電子設(shè)備的電連接器與安裝面之間的阻值小于一給定值，從而達(dá)到接地的目的。這一點(diǎn)對(duì)具有電性能的流體回路設(shè)備也有類(lèi)似的要求，只不過(guò)部分流體回路設(shè)備由于其安裝的特殊性很多設(shè)備沒(méi)有規(guī)則的安裝面，而是通過(guò)卡箍安裝，安裝時(shí)為了調(diào)節(jié)卡箍和設(shè)備之間的安裝狀態(tài)，中間有毛氈等材料，導(dǎo)致設(shè)備不能通過(guò)安裝面接地，因此一般是通過(guò)設(shè)備的接頭與管路的連接處接地。

單向流體回路設(shè)備的防靜電除了對(duì)上述電子設(shè)備有接地要求外，對(duì)于長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的回路，對(duì)非電子設(shè)備也應(yīng)考慮進(jìn)行防靜電設(shè)計(jì)。這是由于在流體回路中工質(zhì)在不斷地循環(huán)流動(dòng)，由于工質(zhì)和設(shè)備之間的摩擦可能產(chǎn)生靜電電荷，隨著電荷的不斷積累有可能產(chǎn)生靜電放電［2］，這種不斷發(fā)生的微小放電會(huì)造成兩方面的問(wèn)題：一是可能對(duì)管壁造成損傷，即在管壁上形成微小的放電凹坑；二在放電的同時(shí)可能在管路中形成多余物，阻塞過(guò)濾器等設(shè)備，造成系統(tǒng)阻力上升。這也是有些長(zhǎng)期運(yùn)行的流體回路雖然在裝配階段經(jīng)過(guò)很仔細(xì)的清潔和多余物控制，運(yùn)行一段時(shí)間后仍有可能產(chǎn)生多余物的原因。荷蘭Bradford Engineering 公司為美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研制的用于深空探測(cè)的流體回路系統(tǒng)在進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)即發(fā)生了過(guò)濾器的阻塞，后來(lái)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)他們通過(guò)對(duì)泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化，取消了過(guò)濾器，從而消除了這種過(guò)濾器阻塞的隱患。

7 結(jié)束語(yǔ)

航天器在軌時(shí)間延長(zhǎng)、工作模式增多，對(duì)作為主動(dòng)熱控核心的流體回路系統(tǒng)有了更高的安全性要求。在航天器流體回路設(shè)計(jì)時(shí)，除功能設(shè)計(jì)外，另一個(gè)重要的方面就是提高系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，提高系統(tǒng)在復(fù)雜情況下的工作能力。通過(guò)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對(duì)任務(wù)需求的分析，對(duì)流體回路系統(tǒng)在工質(zhì)防凍結(jié)、氣體去除、壓力控制、防靜電等方面進(jìn)行細(xì)致的分析和設(shè)計(jì)，可以有效地提高單相流體回路的安全性和在復(fù)雜工況情況下的工作能力。

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