美國新一代航天服熱控系統(tǒng)簡析

賁勛 張少華 張曉嶼 劉欣 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

美國新一代航天服熱控系統(tǒng)簡析

An introduction for thermal control system of NASA's new generation spacesuit

賁勛 張少華 張曉嶼 劉欣 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，航天員的出艙活動變得越來越頻繁，如載人登月探測、“國際空間站”維護(hù)以及未來的載人火星探測等，宇宙空間的深冷背景及環(huán)境的復(fù)雜多變性，給航天員的出艙活動造成了嚴(yán)重的阻礙。為保證航天員順利開展空間工作，必須針對空間熱環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的熱設(shè)計(jì)。同時，由于航天員新陳代謝產(chǎn)生的熱量需要排散，因此需要做好艙外航天服的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保證航天員在合適的溫濕度下完成出艙任務(wù)。

1 概述

各國的載人航天研究機(jī)構(gòu)先后開發(fā)了多種艙外航天服的熱控系統(tǒng)，目前較為成熟的技術(shù)是以水升華器為散熱部件的航天服熱控系統(tǒng)。該技術(shù)將新陳代謝和設(shè)備產(chǎn)生的廢熱通過水來吸收，并通過水升華器利用水的升華將廢熱排散到太空中。對于未來長期的空間探索任務(wù)來說，該方法非常浪費(fèi)攜帶的水資源，隨著水的持續(xù)大量損失，探索任務(wù)將變得不可維持。未來的空間生命保障系統(tǒng)需要更先進(jìn)的技術(shù)來進(jìn)行熱控，其中大體實(shí)現(xiàn)水的守恒是一個很重要的挑戰(zhàn)。依靠水升華散熱意味著每位航天員進(jìn)行一次典型的出艙活動操作大約要將3.6kg水排入太空。對于長期探索任務(wù)來說，將會有許多出艙活動，經(jīng)常進(jìn)行出艙活動的太空任務(wù)與很少或者沒有出艙活動的任務(wù)相比，環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的質(zhì)量載荷幾乎翻倍，而增加的主要質(zhì)量是出艙活動熱控系統(tǒng)消耗的水。

面對需求，美國航空航天局（NASA）設(shè)計(jì)了一套航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)（SEAR），該系統(tǒng)可以滿足未來生命支持系統(tǒng)的性能需求。一套航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)包含一個用來散熱的氯化鋰吸收輻射器（LCAR）和一個用來獲取熱量的空間水膜蒸發(fā)器（SWME）。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的航天服熱控系統(tǒng)相比，可對航天服和空間飛行器的溫度進(jìn)行精確控制，其最大的優(yōu)點(diǎn)是水損失非常少，是目前最先進(jìn)的生命保障系統(tǒng)技術(shù)，引領(lǐng)著未來的發(fā)展趨勢。航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)的主要組件是氯化鋰吸收輻射器和空間水膜蒸發(fā)器?？臻g水膜蒸發(fā)器通過多孔滲水纖維蒸發(fā)水來形成冷量；氯化鋰吸收輻射器通過氯化鋰水溶液來吸收水蒸氣，并在較高的溫度下（典型情況下為50℃）向環(huán)境中輻射熱量。氯化鋰吸收輻射器是一個多用途組件，氯化鋰嵌入在一個蜂窩式的平板結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)具有堅(jiān)固、輕質(zhì)且接觸面積大的特點(diǎn)。

2 航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)原理簡介

航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)利用氯化鋰水溶液獨(dú)特的性質(zhì)來解決在熱控系統(tǒng)中保存水的問題。氯化鋰是高效的干燥劑，與水蒸氣有非常高的親和度，利用其高效吸水的特點(diǎn)，可以驅(qū)動熱量傳遞，并有效向空間輻射散熱。一方面通過氯化鋰吸收水蒸氣可以有效減少生命支持系統(tǒng)向空間排出的水的質(zhì)量；另一方面在合適的溫度下（120℃）加熱氯化鋰又可以重新獲得再生水。從空間水膜蒸發(fā)器中吸收熱蒸發(fā)的水蒸氣，在50℃條件下被氯化鋰吸收輻射器吸收，并向空間輻射散熱；在120℃條件下加熱輻射器又可以獲得再生水。

氯化鋰水溶液與純水相比有更低的水蒸氣壓，而純水和溶液達(dá)到兩相平衡需要更高的溫度，利用該特點(diǎn)，可以進(jìn)行熱量的驅(qū)動。舉例來說，在20℃時，空間水膜蒸發(fā)器里的蒸汽壓比在45℃時45%氯化鋰溶液的蒸汽壓高。因此，當(dāng)氯化鋰吸收輻射器中的氯化鋰溶液濃度超過45%且溫度為50℃時，水蒸氣將會從20℃的空間水膜蒸發(fā)器中流向氯化鋰吸收輻射器。這是航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)在吸收工況時的基本工作原理。當(dāng)這個過程繼續(xù)時，氯化鋰溶液濃度會降低，并且溫度會下降。為使這個過程可以持續(xù)進(jìn)行，需要保證在吸收工況結(jié)束時，溶液溫度降低到仍然可以向環(huán)境中散出足夠的熱量。

為了回收被氯化鋰吸收輻射器吸收的水，需要對氯化鋰溶液加熱以驅(qū)動水再生流回。對于航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)來說，濃縮溶液需要在120℃溫度下加熱數(shù)小時以獲得再生水。

壓力服內(nèi)，航天員新陳代謝產(chǎn)生的熱量被水吸收并在液體冷卻服（LCG）內(nèi)循環(huán)流動。液體冷卻服與空間水膜蒸發(fā)器構(gòu)成循環(huán)回路，溫暖的液體離開液體冷卻服流經(jīng)空間水膜蒸發(fā)器?？臻g水膜蒸發(fā)器與傳統(tǒng)的升華器相比，是更加輕便的生命支持系統(tǒng)?？臻g水膜蒸發(fā)器的核心是疏水多孔空心纖維，液體在纖維束內(nèi)部循環(huán)流動，水蒸氣在纖維束的外壁流動。纖維束上的小孔可以降低蒸發(fā)作用和水蒸氣流通時的阻力，該微小阻力可以阻止纖維束內(nèi)部液體泄露出去。由于空間水膜蒸發(fā)器殼壁上的水蒸氣壓力非常低，因而循環(huán)水會蒸發(fā)，通過蒸發(fā)可以使得流動液體在返回液體冷卻服之前溫度降低。

空間水膜蒸發(fā)器較低的水蒸氣壓力可以使得水在20℃時蒸發(fā)，該溫度對于人體新陳代謝降溫來說非常合適。較低的水蒸氣壓力是通過氯化鋰吸收輻射器來維持的，氯化鋰吸收輻射器是一個緊湊的熱量/質(zhì)量交換器。在氯化鋰吸收輻射器里，吸收單元里面存儲著氯化鋰的濃溶液，并通過一個輻射表面來進(jìn)行散熱。因?yàn)槿芤簩τ谒魵饩哂袠O高的吸附力，在30℃或者更高循環(huán)水溫度條件下，可以維持氯化鋰吸收輻射器內(nèi)部的水蒸氣壓力遠(yuǎn)低于空間水膜蒸發(fā)器內(nèi)部壓力。所以，壓力服內(nèi)產(chǎn)生的熱量會被水蒸氣帶走，并被氯化鋰溶液吸收且通過輻射器輻射到太空中。由于輻射器溫度較高，其輻射熱流密度也較大（比典型的非吸收式輻射器大50%～100%，視環(huán)境條件而定）。

在出艙活動中，隨著水的吸收，氯化鋰吸收輻射器里的溶液濃度逐漸降低。為了保證在出艙活動結(jié)束前溶液濃度降低的時候仍然能夠制冷，氯化鋰吸收輻射器的尺寸需要設(shè)計(jì)得足夠大。下一次出艙活動前，氯化鋰吸收輻射器必須在120℃條件下加熱幾個小時，使得濃溶液中的水蒸發(fā)出來，讓氯化鋰吸收輻射器回到初始狀態(tài)。

需要指出的是，氯化鋰吸收輻射器并不能絕對阻止水的損失。在極端的熱條件下或者出艙活動時間太長而超出了計(jì)劃時，通過直接向環(huán)境排散空間水膜蒸發(fā)器中的水蒸氣仍然能夠完成降溫。盡管有時候需要排散水蒸氣，但與僅僅通過排散水來制冷的系統(tǒng)相比，使用氯化鋰吸收輻射器可以從根本上解決水的消耗問題。

3 氯化鋰吸收輻射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述原理，NASA設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一個面積約為0.0929m2的氯化鋰吸收輻射器面板原型。該面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠大，滿足預(yù)期的壓力載荷指標(biāo)。該面板內(nèi)部為蜂窩式結(jié)構(gòu)，并在其中填充海綿狀的氯化鋰。氯化鋰吸收輻射器由2塊機(jī)械加工的石墨平板嵌入一組吸熱海綿體構(gòu)成，厚的平板包括輻射面（外表面）。輻射表面的蜂窩單元通過薄壁進(jìn)行分隔，熱量可以通過薄壁從吸熱海綿體傳導(dǎo)到輻射表面。薄的平板內(nèi)壁與輻射面有相同的結(jié)構(gòu)，用于封裝氯化鋰吸收輻射器，并使得整體結(jié)構(gòu)維持一定的剛度。蜂窩單元側(cè)壁是有孔的，允許水蒸氣流動穿過氯化鋰吸收輻射器。在薄的平板表面，設(shè)計(jì)有簡單的集流管，允許水蒸氣在其中流動，并用來去除不可壓縮氣體。

4 航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)性能真空測試

為考察航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)的性能，NASA對其進(jìn)行了地面真空測試。該測試由內(nèi)外2個循環(huán)構(gòu)成，外部循環(huán)生成水蒸氣，內(nèi)部循環(huán)檢測氯化鋰吸收輻射器對于水的吸收和再生性能。在外部循環(huán)中，通過加熱器使得水蒸氣溫度維持在20℃。外部循環(huán)生成的水蒸氣流入真空罐進(jìn)入內(nèi)部循環(huán)，依次流經(jīng)一組氯化鋰吸收輻射器樣板，其中的不可壓縮氣體會通過毛細(xì)管流過干燥床，最后被真空泵排出。

在氯化鋰吸收輻射器的表面貼有9個熱電偶，用來精確測量氯化鋰吸收輻射器的溫度。測量數(shù)據(jù)顯示，氯化鋰吸收輻射器表面的溫度非常均勻，氯化鋰吸收輻射器平板在325K（52℃）開始吸熱，穩(wěn)定運(yùn)行超過3h。在平均溫度316K（43℃）時結(jié)束吸熱。冷卻套的溫度變化非常平穩(wěn)，在測試開始的時候大約為180K，在試驗(yàn)中逐漸降低到170K（溫度變化僅在2%左右，與氯化鋰吸收輻射器不同）。蒸發(fā)器入口溫度在整個測試中大約維持在25℃。蒸發(fā)器的溫差從循環(huán)開始時的2℃逐漸降低到1.5℃。蒸發(fā)器的流量為380g/min，意味著傳熱功率從測試開始的53W逐漸降低到結(jié)束時的40W。蒸發(fā)器效率降低的原因是氯化鋰溶液濃度的降低。

蜂窩式氯化鋰吸收輻射器可以在一個較短的時間內(nèi)完成水再生，原因是蜂窩式的設(shè)計(jì)增加了水蒸氣的接觸面積。為了水再生，加熱過程中氯化鋰吸收輻射器中產(chǎn)生的水蒸氣通過一個真空泵抽出，并在一個低壓容器中集中，一個液氮冷卻裝置在低壓容器和真空泵之間用來冷卻水蒸氣。在整個測試過程中，加熱器的溫度穩(wěn)定在120℃，在3h以后，氯化鋰吸收輻射器溫度逐漸升高到85℃。隨著水蒸氣的蒸發(fā)并被抽走，氯化鋰吸收輻射器內(nèi)的壓力逐漸降低，而氯化鋰溶液的濃度逐漸升高。由于蜂窩式的設(shè)計(jì)增大了接觸面積，進(jìn)而提高了效率。與NASA早先設(shè)計(jì)的氯化鋰吸收輻射器相比，蜂窩式氯化鋰吸收輻射器僅用3h就完成了水再生測試，再生時間大大縮短了。

鑒于上述地面測試的成功完成，NASA計(jì)劃在“國際空間站”進(jìn)行新一代航天服熱控系統(tǒng)的飛行演示驗(yàn)證，該計(jì)劃將在2017年實(shí)施。

5 結(jié)束語

我國航天事業(yè)發(fā)展迅猛，目前正在積極開展空間站及月球探測的研究工作，航天員將會進(jìn)行長期的出艙探測活動，因而必須加強(qiáng)艙外航天服熱控技術(shù)的研究和系統(tǒng)開發(fā)。但我國的載人航天技術(shù)起步較晚，與美國等西方發(fā)達(dá)國家還存在一定差距，航天服熱控技術(shù)的研究差距更大。因此，要充分借鑒西方在航天服熱控方面的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并不斷地進(jìn)行自主創(chuàng)新。一方面，加強(qiáng)針對空間環(huán)境的專項(xiàng)研究工作，獲得不同層次空間環(huán)境的不同特點(diǎn)，做到有的放矢；另一方面，采用試驗(yàn)與理論研究相結(jié)合的方法，加強(qiáng)新型航天服熱控技術(shù)的研究，如此才能實(shí)現(xiàn)我國航天服技術(shù)的快速發(fā)展。

航天服蒸發(fā)-吸收-輻射系統(tǒng)是一種最新的航天服熱控方案，在減輕質(zhì)量、散熱效果方面效果良好，盡管尚未實(shí)際應(yīng)用，但設(shè)計(jì)思路對我國艙外航天服的熱控設(shè)計(jì)都有很好的借鑒意義。我國航天員尚未經(jīng)歷長期在軌任務(wù)考驗(yàn)，對于攜帶的水資源的質(zhì)量方面考慮較少，而利用水的循環(huán)再生來達(dá)到減輕質(zhì)量的設(shè)計(jì)思想，對于未來我國航天服和長期在軌航天器的設(shè)計(jì)具有重要的啟示。