載人航天器氣液分離技術(shù)綜述

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

1 引言

在絕大多數(shù)載人飛行任務(wù)中，不同物質(zhì)間氣液兩態(tài)的分離是一項(xiàng)基本需求。例如在主動(dòng)熱控回路中，工質(zhì)中的氣泡達(dá)到一定濃度，會(huì)對(duì)循環(huán)泵、熱交換器等設(shè)備造成損壞，同時(shí)，氣泡還會(huì)影響傳感器的工作，導(dǎo)致回路儀表讀數(shù)失準(zhǔn)。在地面環(huán)境下，氣體在液體中存在浮力，很容易實(shí)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(dòng)分離。因此，空間氣液分離技術(shù)必不可少。載人航天器的多個(gè)分系統(tǒng)中都使用了氣液分離技術(shù)，控制液體中的氣體濃度或空氣中的濕度，使密封艙內(nèi)空氣溫濕度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以適宜人居住，并且保證艙內(nèi)儀表設(shè)備正常運(yùn)行的大氣環(huán)境，達(dá)到載人航天器正常運(yùn)行的目的。

從美、俄的載人飛船最早使用活性炭進(jìn)行氣液分離以來，氣液分離技術(shù)已普遍應(yīng)用到載人航天器上，并在多個(gè)分系統(tǒng)中發(fā)揮作用。以“國(guó)際空間站”（ISS）為例，主動(dòng)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(yīng)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(shù)。中國(guó)的“神舟”系列飛船對(duì)氣液分離技術(shù)的需求，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即環(huán)境控制生命保障分系統(tǒng)的艙內(nèi)溫濕度控制子系統(tǒng)和主動(dòng)熱控回路，這與美、俄兩國(guó)的早期載人飛船類似。中國(guó)空間站及載人深空探測(cè)器對(duì)氣液分離技術(shù)的需求，將比載人飛船更廣泛，對(duì)可靠性的要求也會(huì)更高。

已應(yīng)用在載人航天器上的氣液分離技術(shù)，在工作原理上分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式是指利用材料的吸濕性能進(jìn)行氣液分離。主動(dòng)式包括離心式氣液分離技術(shù)和毛細(xì)作用氣液分離技術(shù)。其中，毛細(xì)作用氣液分離技術(shù)主要包括冷凝式和氣泡捕集式氣液分離技術(shù)。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(zhì)中的少量氣體去除。本文結(jié)合載人航天器的使用情況，對(duì)不同物質(zhì)間的氣液分離技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

2 載人航天器氣液分離技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 材料吸濕性和皮托管氣液分離技術(shù)

材料吸濕性氣液分離技術(shù)屬于被動(dòng)式氣液分離技術(shù)，主要是利用材料的吸濕性實(shí)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(dá)的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)水具有很強(qiáng)的親和力，當(dāng)濕氣受迫流動(dòng)到其表面時(shí)，可吸去氣體中的少量水分。美、俄兩國(guó)的早期載人飛船（如雙子星座號(hào)、阿波羅號(hào)、東方號(hào)、上升號(hào)）以及航天服，均采用活性炭除濕，中國(guó)“神舟”系列飛船最早也使用這種除濕方法。

在適當(dāng)條件下，皮托管也有分離氣液兩態(tài)的作用，當(dāng)水、氣混合物經(jīng)牽引流經(jīng)皮托管時(shí)，可發(fā)生分離。皮托管實(shí)際上是一支直角彎折的金屬管，通常設(shè)計(jì)為“S”形，在90°彎折處的內(nèi)側(cè)管壁開有0.5 mm的小孔，混合物中的氣體從這個(gè)小孔排出。典型的皮托管氣液分離器見圖1。旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)水、氣混合物旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)可產(chǎn)生足夠的水環(huán)壓力；隨著旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)的水、氣混合物增多，水位線升高，混合物進(jìn)入吸水皮托管，并在90°彎折處發(fā)生分離；氣體則靠近內(nèi)壁，由內(nèi)壁的小孔釋放出去，水靠近彎折處的外壁，繼續(xù)前進(jìn)，最后從放水皮托管排出。例如航天飛機(jī)燃料電池系統(tǒng)，須對(duì)水中的氫氣加以分離，要先對(duì)混合物進(jìn)行一級(jí)分離，未完全分離出的水在通過釋放閥放出前，還要經(jīng)過皮托管進(jìn)行二級(jí)分離［1］，最終實(shí)現(xiàn)氣液分離。再如“國(guó)際空間站”俄羅斯及日本艙內(nèi)的冷凝干燥器，也采用皮托管對(duì)氣液進(jìn)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(dòng)分離技術(shù)的補(bǔ)充，不單獨(dú)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(shù)

2.2.1 技術(shù)描述

離心式氣液分離技術(shù)是利用液體與氣體因密度差異在同樣的回旋加速時(shí)所產(chǎn)生的離心力不同，進(jìn)而發(fā)生分離的原理。國(guó)內(nèi)自主研制的主動(dòng)熱控回路氣液分離器結(jié)構(gòu)原理見圖2。其流體回路工質(zhì)為全氟三乙胺，管道內(nèi)的少量氣體主要是因管壁滲透、化學(xué)反應(yīng)攝取和在軌更換回路部件時(shí)通過快速斷接器引入。為保證回路循環(huán)泵正常運(yùn)行，使用氣液分離器對(duì)引入的空氣進(jìn)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(zhì)從錐形下端入口切向流入，后螺旋向上流動(dòng)，內(nèi)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(zhì)中表現(xiàn)為氣泡。當(dāng)混合物到達(dá)分離腔另一側(cè)時(shí)，氣體經(jīng)由上端蓋板上的開口放出，液體工質(zhì)則由錐形上端切向流出。

圖2 國(guó)內(nèi)載人航天器氣液分離器原理Fig.2 Gas-liquid separator principle of Chinese manned spacecraft

當(dāng)液體中的氣體所受的摩擦力與離心力平衡時(shí)，氣泡的運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程見式（1）［3］。

式中：RB為氣泡回轉(zhuǎn)半徑；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；ρB為氣泡密度；ρw為液體密度；ηw為動(dòng)態(tài)黏度；ω為氣泡回轉(zhuǎn)角速度。

結(jié)合初始時(shí)刻氣泡的回轉(zhuǎn)半徑R0，B，可求得式（1）的解為

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

式（2）描述了不同大小氣泡的運(yùn)動(dòng)方式，是設(shè)計(jì)離心式氣液分離器回轉(zhuǎn)腔有效結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)。在使用這類分離器時(shí)，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(huì)使混合物進(jìn)入分離腔后湍濺，流體的連續(xù)性下降，直接導(dǎo)致分離不徹底。

2.2.2 應(yīng)用

離心式氣液分離技術(shù)也廣泛應(yīng)用在“國(guó)際空間站”不同艙內(nèi)的多個(gè)分系統(tǒng)中，且不同工況下，分離器的設(shè)計(jì)有所不同，以下分別介紹。

在“國(guó)際空間站”美國(guó)命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(jìn)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(dòng)熱控分系統(tǒng)中的工質(zhì)）有很大區(qū)別，是肥皂水，受到攪動(dòng)易起泡。針對(duì)該廢水的特點(diǎn)，NASA 專門設(shè)計(jì)了可分離肥皂水的分離器（見圖3），可在不攪動(dòng)肥皂水的情況下完成氣液分離。其活動(dòng)部件為一部電機(jī)和一組分離片，電機(jī)帶動(dòng)分離片轉(zhuǎn)動(dòng)，水即被離心至兩側(cè)出水口排出，氣體則從中心軸孔排出。經(jīng)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(shí)可實(shí)現(xiàn)分離功能，且當(dāng)進(jìn)入分離腔內(nèi)的混合物處于兩相極限時(shí)，即全部為水或全部為氣體時(shí)，也可以正常工作［4］。

圖4為“國(guó)際空間站”命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙水處理在軌可更換單元分離器的性能曲線，試驗(yàn)流體為肥皂水，允許流量為0～960kg／h。試驗(yàn)時(shí)，在流量區(qū)間取多個(gè)分立值進(jìn)行測(cè)試，后經(jīng)擬合得出性能曲線。為評(píng)價(jià)分離器對(duì)重力的依賴程度，分別進(jìn)行水平及豎直方向2 組試驗(yàn)?？梢钥闯?，在允許背壓范圍內(nèi)，第3代氣液分離器的出水口氣體攜帶量?jī)H為0.02%，滿足空間站0.4%的需求。第3代氣液分離器將轉(zhuǎn)速?gòu)牡?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(duì)方向的依賴性優(yōu)于第1代。其設(shè)計(jì)壽命為10年，入口全部為水或全部為氣體時(shí)也可以正常工作，典型氣體體積百分?jǐn)?shù)為14%。

圖3 命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)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(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)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(guó)際空間站”命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙環(huán)控生保分系統(tǒng)水再生子系統(tǒng)［5］中的旋轉(zhuǎn)鼓氣液分離器，用來將反應(yīng)生成物——水中的甲烷去除（CO2＋4H2→2H2O＋CH4）。其設(shè)計(jì)思想來源于MLS，不同之處在于分離腔的活動(dòng)部件為旋轉(zhuǎn)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(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)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(guó)曾設(shè)計(jì)出一種空間原子能動(dòng)力裝置氣液分離器，擬用在原子能電火箭及月球、火星探測(cè)等任務(wù)中［6］。這個(gè)動(dòng)力裝置可提供100kW 的能量，由反應(yīng)裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置和可展開的散熱板3個(gè)部分組成。反應(yīng)裝置工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，須用液態(tài)鋰回路進(jìn)行冷卻。冷卻完畢后的液態(tài)鋰攜帶有反應(yīng)堆產(chǎn)生的氦氣，氦氣會(huì)損壞能量轉(zhuǎn)換裝置中的插針電極，因此必須進(jìn)行分離。分離器的結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 美國(guó)原子能反應(yīng)堆旋轉(zhuǎn)氣液分離器結(jié)構(gòu)Fig.6 Configuration of US atomic energy reactor gas-liquid separator

另外，在“國(guó)際空間站”有效載荷生物反應(yīng)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(xì)作用氣液分離技術(shù)

2.3.1 技術(shù)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(jié)構(gòu)的空心纖維管束，且可對(duì)微管的表面狀態(tài)進(jìn)行改性，進(jìn)而研制出具有一定微觀組織結(jié)構(gòu)的功能器件?；诖?，出現(xiàn)了毛細(xì)作用氣液分離器。毛細(xì)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。“國(guó)際空間站”大量采用親水疏水膜毛細(xì)作用氣液分離器。

毛細(xì)作用氣液分離器的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)機(jī)理為：當(dāng)工質(zhì)通過時(shí)，一方面，親水材料吸引水分子，并與水分子強(qiáng)烈作用，使得親水材料對(duì)水分子中氫離子的束縛力增大，提高水通過時(shí)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(dá)出水口；另一方面，疏水材料對(duì)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(dǎo)致水分子不浸潤(rùn)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(qū)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(dá)出氣口［8］，見圖7。

圖7 毛細(xì)作用氣液分離器內(nèi)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(zhǎng)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(gè)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(dāng)接觸角θ＜π／2時(shí)，空氣中的水分容易浸潤(rùn)固體表面，隨著θ的減小，浸潤(rùn)現(xiàn)象越來越明顯，對(duì)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(dòng)力學(xué)方程對(duì)其中的氣液混合物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行描述。所涉及的3個(gè)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(qiáng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速度。

式中：Φin為分離器內(nèi)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(shè)計(jì)輸入。

2.3.2 應(yīng)用

1）氣泡捕集氣液分離器

以美國(guó)命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙主動(dòng)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(nèi)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(cè)進(jìn)入，另一側(cè)為氣體出口，液體則從側(cè)壁滲出［9］。

在哥倫布號(hào)實(shí)驗(yàn)艙主動(dòng)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(xì)管和親水膜氣泡隔屏組成。工作時(shí)，水、氣混合物先經(jīng)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(jīng)初級(jí)分離的混合物進(jìn)入分離器腔，在柱狀親水膜腔壁作用下，氣泡進(jìn)一步遠(yuǎn)離腔壁；混合物到達(dá)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(cè)設(shè)計(jì)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(dǎo)致壓降過大；密度過小，則導(dǎo)致分離效率下降。通過對(duì)功能膜的工藝控制，可獲得一定的纖維束管密度。

圖9 命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙主動(dòng)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(hào)實(shí)驗(yàn)艙氣泡捕集氣液分離器Fig.10 Gas trap gas-liquid separator of Columbus Lab

圖11為“國(guó)際空間站”哥倫布號(hào)實(shí)驗(yàn)艙氣泡捕集氣液分離器性能曲線?？梢钥吹剑S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(huì)被分離。另外，分離效率低于1（飽和值約為0.82）的原因?yàn)椋河H水膜制備工藝造成毛細(xì)管內(nèi)部的缺陷，從而導(dǎo)致對(duì)混合物流動(dòng)阻力有所增大，在流速為400kg／h時(shí)，混合物壓力減小約9kPa，此壓力接近親水膜的氣泡點(diǎn)壓力，使一小部分氣泡突破毛細(xì)管壁進(jìn)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(shí)，壓降為10kPa。

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

哥倫布號(hào)實(shí)驗(yàn)艙氣泡捕集氣液分離器回旋加速器的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)試驗(yàn)得出，經(jīng)驗(yàn)證只對(duì)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(shí)，豎直方向的測(cè)試結(jié)果優(yōu)于水平方向，此時(shí)，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(nèi)。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(dòng)態(tài)黏度ηw 依賴于水溫T而變化。

另外，“國(guó)際空間站”有效載荷生物反應(yīng)器也使用氣泡捕集氣液分離器［10-11］，采用毛細(xì)作用進(jìn)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(jìn)行初級(jí)分離，內(nèi)部疏水膜空心管進(jìn)行二級(jí)分離。

在氣泡捕集氣液分離器設(shè)計(jì)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(nèi)，分離器可對(duì)混合物正常分離，否則達(dá)不到預(yù)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(píng)判分離器對(duì)回路流阻大小的參數(shù)，過大的壓降將對(duì)循環(huán)泵造成負(fù)擔(dān)；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(guó)際空間站”命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)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(nèi)空氣中的水分，但水分通過毛細(xì)管的作用被干燥器吸收時(shí)，也會(huì)引入少量氣體，因此要進(jìn)行分離。冷凝式氣液分離器利用水蒸氣在進(jìn)氣端與出氣端的壓差而產(chǎn)生氣體滲透的動(dòng)力，材料為聚丙烯毛細(xì)管，具有疏水性，但對(duì)氣體無作用力，將其按一定尺寸及結(jié)構(gòu)做成多微孔疏水空心纖維，從而達(dá)到氣液分離的目的，見圖12?？招拿?xì)管為冷凝水通道，其特征尺寸通過理論分析結(jié)合試驗(yàn)方法得到。通過毛細(xì)管壁的熱量，基于努塞爾數(shù)Nu計(jì)算，從而得到與試驗(yàn)結(jié)果一致的導(dǎo)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(zhǎng)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?？商幚淼臐駳鉁囟确秶鸀?5～27 ℃，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(hào)實(shí)驗(yàn)艙的冷凝式氣液分離器與命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似，不同的是，前者的溫濕度控制子系統(tǒng)采用2臺(tái)分離器并聯(lián)的方式進(jìn)行水、氣分離。并聯(lián)使用的優(yōu)點(diǎn)在于：除了備份及擴(kuò)大調(diào)節(jié)量外，2臺(tái)可輪流工作，這樣，暫停工作的分離器就有足夠的時(shí)間恢復(fù)干燥，從而抑制微生物的生長(zhǎng)。

2.4 其他氣液分離技術(shù)

除上述氣液分離技術(shù)外，目前NASA 正在研究一種新型氣液分離技術(shù)——溶解式氣液分離技術(shù)。該技術(shù)與上述幾種技術(shù)有本質(zhì)的區(qū)別，能將氣體暫時(shí)溶解在液體中而達(dá)到分離效果。由于工質(zhì)中存在氣泡的物理原因是液體對(duì)這種氣體的溶解度達(dá)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(xué)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(zhì)中。例如：主動(dòng)熱控回路液體工質(zhì)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(duì)空氣的溶解性，可使氣體全部溶解而達(dá)到保護(hù)回路的目的。新型氣液分離技術(shù)實(shí)際上并未對(duì)工質(zhì)中的氣體進(jìn)行分離，卻能解決氣體對(duì)回路的危害，實(shí)現(xiàn)氣液分離功能。目前，尚無采用該技術(shù)進(jìn)行氣液分離的載人航天器，但在國(guó)外已有相關(guān)研究。

3 幾種氣液分離技術(shù)比較

被動(dòng)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(dāng)分離的液體達(dá)到一定量時(shí)，分離器效率大大降低，雖可靠性較高，但目前不單獨(dú)使用，一般作為主動(dòng)式的補(bǔ)充。

離心式氣液分離器：在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)及噪聲，體積、質(zhì)量較大，而且需要額外的電能，連續(xù)工作時(shí)間有限，可靠性與被動(dòng)式分離器相比較低。

毛細(xì)作用氣液分離器：沒有活動(dòng)部件以及不消耗任何能量，不產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，對(duì)小型化、可靠性及長(zhǎng)壽命非常有利，是當(dāng)前研究最多的分離器。其一大缺點(diǎn)是液體中的微生物生長(zhǎng)到一定濃度時(shí)，對(duì)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(dá)到保護(hù)回路的目的，是一種新型氣液分離技術(shù)。

幾種分離技術(shù)的比較見表1。

4 氣液分離技術(shù)發(fā)展前景

從早期載人飛船采用被動(dòng)式氣液分離技術(shù)以來，氣液分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用在載人航天器上，并已發(fā)展為多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。幾種技術(shù)均有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)不同的使用工況，有針對(duì)性地進(jìn)行需求分析，設(shè)計(jì)最適合的氣液分離器。例如：“國(guó)際空間站”不同的分系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)需求的不同決定了分離器形式多樣。親水疏水膜的單獨(dú)或結(jié)合使用，或與離心作用結(jié)合發(fā)揮作用；為了降低微生物生長(zhǎng)對(duì)分離器性能及壽命的影響，向工質(zhì)中添加特定的試劑，或?qū)Σ牧媳砻孢M(jìn)行改性，以抑制微生物生長(zhǎng)，從而達(dá)到最佳效果，是氣液分離技術(shù)的發(fā)展方向［13］。概括起來，包括以下幾個(gè)方面。

（1）繼續(xù)完善離心式分離技術(shù)分離腔內(nèi)流場(chǎng)的渦動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法，建立較精確的動(dòng)力學(xué)分析模型。

（2）從系統(tǒng)角度多方位考慮氣液分離技術(shù)，設(shè)計(jì)緊湊、無功耗、無振動(dòng)及噪音，以及高可靠性、長(zhǎng)壽命的氣液分離器。

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

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

（5）開展氣液分離器對(duì)重力依賴性的評(píng)價(jià)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(wù)中，空間站、載人月球著陸器、載人火星及其他深空探測(cè)等任務(wù)，相比地球軌道載人飛船來說，任務(wù)時(shí)間更長(zhǎng)、更艱巨，對(duì)氣液分離技術(shù)的要求更高。毛細(xì)作用氣液分離是目前最先進(jìn)的氣液分離技術(shù)，國(guó)內(nèi)應(yīng)積極開展這方面的研究，此外，也應(yīng)關(guān)注基于全新概念的氣液分離技術(shù)。針對(duì)更高要求的空間站、載人登月等任務(wù)，設(shè)計(jì)能滿足需求的新型、高效氣液分離器。

（References）

［1］Romanowsk W E，Suljak G T.Separation of gaseous hydrogen from a water-hydrogen mixture in a fuel cell power system operating in a weightless environment：US，4800138［P］.1989-01-24

［2］Murdoch K，F(xiàn)ort J，Barone M，et al.Rotary drum separator and pump for the Sabatier carbon dioxide reduction system［C］／／Proceedings of the 35th International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，2005：156-162

［3］Jurgen B，Rolf S，Witt M J，et al.Development of membrane based gas-water separation technologies［C］／／Proceedings of the 26th International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，1996：1-11

［4］Anthony W，Lanzarone W，Clark D，et al.Development of a mostly liquid separator for use on the International Space Station［C］／／Proceedings of the 27th International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，1997：1-11

［5］Barone M R，Murdoch K，Scull T D，et al.Rotary drum separator system：US，7628836B2［P］.2006-05-08

［6］Mondt J F.Aerospace gas／liquid separator for terrestrial applications［C］／／Proceedings of International Energy Conversion Engineering Conference（IECEC）.Washington D.C.：AIAA，1996：109-113

［7］Samplatsky D J，Dean W C.Development of a rotary separator accumulator for use on the International Space Station［C］／／Proceedings of the 32nd International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，2002

［8］Leimkuehler T O，Patel V，Reeves D R.A novel repair technique for the internal thermal control system dualmembrane gas trap［C］／／Proceedings of the 35th International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，2005：543-549

［9］Humphrey J T，Supra L N，F(xiàn)sust M B.A thermal control system dual-membrane gas trap for the International Space Station［C］／／Proceedings of the 27th International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，1997：1-8

［10］Hapke J，Ranong C N，Brodt K，et al.Temperature and humidity control by means of a Membrane based Condensing Heat Exchanger（MCHX）［C］／／Proceedings of the 33rd International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，2003

［11］Gonda S R，Tsao Yowmin，Lee Wenshan.Fluid bubble eliminator：US，6863712B1［P］.2005-03-08

［12］黃家榮，范宇峰，范含林.載人運(yùn)輸飛船流體回路試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2010，30（1）：65-71 Huang Jiarong，F(xiàn)an Yufeng，F(xiàn)an Hanlin.Experiment study of fluid loop system on manned spaceship［J］.Chinese Space and Science Technology，2010，30（1）：65-71（in Chinese）

［13］Holt J M，Reeves D R，Lukens C，et al.Effects of surfactant contamination on the next-generation gas trap for the ISS internal thermal control system［C］／／Proceedings of the 34th International Conference on Environmental Systems（ICES）.Washington D.C.：AIAA，2004：1-6