熱負荷及給水壓力對水升華器啟動和使用策略影響

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北京空間飛行器總體設計部 空間熱控技術北京市重點實驗室，北京 100094

水升華器利用水作為消耗性介質，是一種消耗型相變散熱裝置，是航天器空間短期散熱較為經(jīng)濟的熱控措施。由于水具有較高的相變潛熱,曾在航天器熱控及生保系統(tǒng)中得到了多次成功應用[1-2]。Apollo登月艙、Saturn火箭、美/俄及中國的艙外航天服均采用了水升華器散熱裝置[3-5]。20世紀90年代，吳志強等針對艙外航天服用水升華器開展了多方面研究工作[6-8]。李森等對升華器微孔內(nèi)冰層升華過程進行了仿真分析[9]。近年來中國空間技術研究院王玉瑩等針對深空探測用水升華器開展了一系列的研究工作[10-14]，進行了基于水升華器的多孔介質內(nèi)具有移動相變界面的傳熱傳質建模和分析，開展了水升華器的重力無關設計研究，并進行了試驗驗證。并對初始溫度、給水壓力、熱負荷等單因素對具有恒熱流邊界的水升華器啟動過程瞬態(tài)特性的影響進行了分析與試驗研究，獲得了一定的規(guī)律。表明水升華器技術在深空探測等具有短時大功率散熱領域具有較好的應用前景。

目前“擊穿”抑制及是水升華器研究的關鍵，也是國內(nèi)外研究中的難點。文獻中曾有通過對水升華器多孔板進行疏水處理來增加壓力適應范圍的研究[3,8]，但該方法不能從根本上抑制水升華器啟動過程中“擊穿”的發(fā)生。本文通過試驗研究了水升華器在高熱負荷高給水壓力、低熱負荷低給水壓力下的啟動特性，以及水升華器在低熱負荷低給水壓力下啟動運行至穩(wěn)定后同時增加熱負荷和給水壓力的響應和換熱特性。在此基礎上首次提出了一種通過使用策略保障水升華器在高熱負荷高給水壓力下啟動和運行可靠性、減小“擊穿”風險的思路，可為空間水升華器技術的研究和應用提供一定指導。

1 水升華器工作機理

1.1 水升華器正常啟動機理

水的三相點壓力約為610 Pa，在空間高真空環(huán)境下，固態(tài)的冰吸收熱量后將不經(jīng)過融化直接升華為氣體，并在升華過程中吸收大量的熱量。水升華器根據(jù)這一特點，通過嚴格設計多孔板和給水腔的結構參數(shù)使工質水按照水→冰→氣態(tài)水的過程發(fā)生相變，以此來有效排散航天器設備廢熱[13]。

根據(jù)水升華器的工作特點，文獻[13]將水升華器的正常啟動過程(見圖1)分為3個典型階段進行研究，即給水腔內(nèi)的蒸發(fā)段、多孔板內(nèi)的蒸發(fā)段、多孔板內(nèi)的蒸發(fā)-升華交替工作段。文獻[13]在研究中推導了水升華器啟動過程3個典型階段的相變界面移動方程。

圖1 水升華器啟動工作過程Fig.1 Sublimator start-up processes

給水腔內(nèi)的蒸發(fā)階段，給水腔內(nèi)蒸發(fā)界面位置為：

(1)

多孔板內(nèi)的蒸發(fā)階段，多孔板內(nèi)的蒸發(fā)界面位置：

(2)

多孔板內(nèi)的蒸發(fā)-升華交替工作階段，多孔板內(nèi)的冰-水界面和冰-氣升華界面位置：

·

1.2 水升華器啟動過程“擊穿”及其影響因素分析

對水升華器啟動特性研究表明，水升華器的結構參數(shù)、啟動溫度、給水壓力、熱負荷等非結構因素對水升華器啟動過程中的瞬態(tài)特性有重要影響。由水升華器啟動過程不同階段相變界面位置移動方程可知：啟動過程中水升華器內(nèi)是否有冰層形成以及冰層在水升華器中的形成位置是影響水升華器工作特性的主要因素，并影響其所能達到的穩(wěn)態(tài)溫度水平。如果給水不經(jīng)過相變而直接穿過水升華器多孔板排放至外太空，將導致水升華器“擊穿”。啟動過程中，水升華器溫度水平較高、熱負荷較大，且其內(nèi)部尚未建立穩(wěn)定的相變界面，因此最容易發(fā)生“擊穿”，導致水升華器無法正常運行。

除水升華器自身結構參數(shù)外，如果水升華器使用時的給水壓力、熱負荷等不匹配將導致水升華器啟動或運行過程中發(fā)生“擊穿”。但由于水升華器工作過程中存在相變界面在不同多孔介質中的遷移、流體流動狀態(tài)的轉換、相變界面的交替變換、水升華器工作模式的不確定性等物理問題，使得水升華器的工作機理尤為復雜，給理論分析和試驗驗證帶來了一定困難。

2 水升華器試驗件及性能試驗系統(tǒng)

2.1 水升華器試驗件

為了研究熱負荷和給水壓力兩個因素對水升華器啟動運行特性及可靠運行策略的影響，本試驗采用如圖2所示的水升華器試驗件開展了試驗研究，試驗件由給水腔和多孔板構成，試驗過程中，采用加熱片模擬水升華器的熱負荷，采用熱電偶對水升華器加熱面和多孔板表面的溫度進行測量，熱電偶布置見圖2。本次試驗中采用水升華器加熱面在下、氣體通道在上的水平布局方式，布局如圖3所示。

圖2 水升華器模型及試驗件Fig.2 Physical model and test moduleof sublimator

圖3 試驗中水升華器布局方式Fig.3 Location of sublimator in the experiment

2.2 水升華器性能試驗系統(tǒng)

航天器在軌運行環(huán)境面臨復雜的空間環(huán)境[15]，對于水升華器，影響其功能和運行性能的主要因素是真空環(huán)境。本文所開展的試驗研究工作在圖4所示的水升華器試驗測試系統(tǒng)中完成。

圖4 水升華器性能測試系統(tǒng)Fig.4 Sublimator work performance test system

圖4所示的測試系統(tǒng)有4個主要組成部分，文獻[12]對該試驗系統(tǒng)也進行過系統(tǒng)的介紹：

1)小型真空室及真空機組。真空室內(nèi)設計有電加熱、溫度測量和供水管路連接裝置，真空室內(nèi)設有可旋轉的設備安裝支架，以利于被測試驗件的安裝與觀測。

2)溫度、壓力、流量測量系統(tǒng)。溫度采用銅-康銅熱電偶進行測量，熱電偶經(jīng)過精確標定，測溫誤差在±0.5℃內(nèi)。真空室壓力測量采用ZJ-1P型壓阻真空規(guī)管，測量精度為±1.0%。流量測量采用DMF-1-1-A型質量流量計，測量精度為±0.5%。

3)功率加載系統(tǒng)。功率加載系統(tǒng)為一組程控電源，具有電流連續(xù)可調的功能，可以對模擬熱源的電加熱片的功率參數(shù)進行設定和控制。

4)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)中的溫度利用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀進行采集，壓力、質量流量均由專門的數(shù)據(jù)接口進行采集，并實時傳輸?shù)接嬎銠C進行監(jiān)測和處理。

3 試驗結果分析

3.1 試驗條件

本文開展了兩組試驗研究，兩組試驗所用水升華器試驗件主體結構為不銹鋼，多孔板采用不銹鋼粉末燒結多孔板。試驗過程中，水升華器多孔板和加熱面均布置有均勻分布的溫度測點，其中多孔板布置7個溫度測點(測點1～測點7)，加熱面布置6個溫度測點(測點1～測點6)，由于本文重點關注測點溫度水平和一致性，而不量化分析多孔板及加熱面不同區(qū)域的溫度分布均勻性，因此，暫不給出各測點的精確位置圖。

第一組試驗分2個步驟進行：第一步，水升華器在低熱負荷(0.4 W/cm2)、低給水壓力(6.1 kPa)工況下啟動，運行穩(wěn)定；第二步，增加熱負荷、給水壓力為0.6 W/cm2、11.2 kPa工況運行。

第二組試驗中，水升華器在相對較高的熱負荷(0.6 W/cm2)和較高的給水壓力(11.2 kPa)工況下啟動。

試驗過程中水升華器熱負荷及給水壓力變化情況如圖5所示，試驗中的相關參數(shù)如表1所示。

3.2 低熱負荷低給水壓力啟動轉高熱負荷高給水壓力運行特性分析

本組試驗中，恒熱流加熱情況下，水升華器在較低的熱負荷和給水壓力工況下啟動，水升華器加熱熱負荷為0.4 W/cm2，給水壓力6.1 kPa，啟動過程中水升華器加熱面及多孔板的溫度變化如圖6、圖7所示。

圖5 水升華器熱負荷加載示意Fig.5 Heat load variations of sublimatorin the experiment

參數(shù)低熱負荷低壓高熱負荷高壓給水溫度/℃2222加熱熱流密度/(W·cm-2)0.40.6給水壓力/kPa6.111.2水升華器布局方式水平水平水升華器初始溫度/℃2222

從圖6、圖7可以看出：

圖6 加熱面溫度變化(第一組試驗第一步)Fig.6 Temperature variation of heating surface(test 1,step 1)

圖7 多孔板溫度變化(第一組試驗第一步)Fig.7 Temperature variation of porous plate(test 1,step 1)

1)該工況下，開始給水后，水升華器加熱面溫度和多孔板溫度均經(jīng)過約300 s達到了穩(wěn)定。其中，加熱面溫度在開始給水后約150 s內(nèi)升至了最大值，多孔板溫度在開始加熱后約160 s內(nèi)達到了最大值。而后，在升華作用下，水升華器溫度開始下降，并在約150 s內(nèi)達到了穩(wěn)定。

2)由于給水分布的影響或多孔板孔徑不均勻性的影響，導致水升華器加熱面溫度的不均勻性，最大溫差約20℃。

3)盡管穩(wěn)定后加熱面溫度有較大不均勻性，但多孔板溫度仍有較好的均勻性，溫度都約為5℃，最大溫差約6℃。

水升華器在低熱負荷-低給水壓力下啟動運行至穩(wěn)定后，增加水升華器給水壓力至11.2 kPa，同時增加加熱熱負荷至0.6 W/cm2，水升華器加熱面和多孔板溫度變化如圖8、圖9所示。

圖8 加熱面溫度變化(第一組試驗第二步)Fig.8 Temperature variation of heating surface(test 1,step 2)

圖9 多孔板溫度變化(第一組試驗第二步)Fig.9 Temperature variation of heating surface(test 1,step 2)

由圖8、圖9可看出，水升華器穩(wěn)定工作后，加熱熱流密度的變化對水升華器溫度波動影響較小，加熱面溫度最高約增加了10℃，多孔板溫度最高約增加了5℃，但二者均在100 s內(nèi)達到了新的穩(wěn)定，表明水升華器對熱負荷及給水壓力的變化具有較好的適應性。水升華器在低給水壓力低熱負荷工況下啟動運行至穩(wěn)定后轉為高給水壓力高熱負荷運行可以快速達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 高熱負荷高給水壓力直接啟動特性分析

本組試驗中，恒熱流加熱情況下，水升華器在較高的熱負荷和給水壓力工況下啟動，水升華器加熱熱負荷為0.6 W/cm2，給水壓力11.2 kPa，啟動過程中水升華器加熱面及多孔板的溫度變化如圖10、圖11所示。

圖10 加熱面溫度變化(第二組試驗)Fig.10 Temperature variation of porous plate(test 2)

圖11 多孔板溫度變化(第二組試驗)Fig.11 Temperature variation of porous plate(test 2)

從圖10、圖11可以看出：

1)該工況下，開始給水后，水升華器加熱面溫度和多孔板溫度均經(jīng)過約150 s達到了穩(wěn)定。其中，加熱面溫度和多孔板溫度均在開始給水后75 s內(nèi)升至了最大值。在升華作用下，水升華器溫度開始快速下降，并在75 s內(nèi)達到了穩(wěn)定。

2)由于給水分布的影響或多孔板不均勻性的影響，導致水升華器加熱面溫度的不均勻性，最大溫差約14℃。

3)盡管穩(wěn)定后加熱面溫度有較大不均勻性，但多孔板溫度仍有較好的均勻性，溫度在3℃和-1℃之間，最大溫差約4℃。

上述結果表明，在增加水升華器熱負荷的情況下，增大給水壓力，水升華器的響應時間更短、更迅速地達到了穩(wěn)定工作狀態(tài)。

對比兩組試驗在高熱負荷、高給水壓力工況下運行穩(wěn)定后的試驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：水升華器在低熱負荷、低給水壓力下啟動并轉為高熱負荷、高給水壓力運行后，其加熱面和多孔板溫度水平與水升華器在高熱負荷、高給水壓力工況下的溫度水平基本一致。這表明水升華器具有較強的自適應能力，熱負荷和給水壓力變化后，在不超出其散熱能力的情況下，水升華器可以快速調整其內(nèi)部氣-液界面位置適應給水壓力和熱負荷的變化。這樣使得水升華器運行所能達到的穩(wěn)定水平受其啟動初始條件的影響不大。這也為水升華器的使用提供了一種新的思路：即水升華器在高熱負荷、高給水壓力下運行時，為了減小啟動過程的“擊穿”風險，可以采用在低熱負荷或低給水壓力下啟動，然后在高熱負荷和高給水壓力下運行的方式。

4 結束語

設計了水升華器在低熱負荷低給水壓力、高熱負荷高給水壓力下的啟動試驗，及其在低熱負荷低給水壓力啟動運行穩(wěn)定后轉為高熱負荷高給水壓力運行的試驗?？傻萌缦陆Y論：

1)試驗中，采用電加熱方式模擬水升華器熱負荷，由于加熱片熱容量較小，動態(tài)響應較快，因此，開始給水后，水升華器加熱面溫度變化呈現(xiàn)出在小于120 s時間內(nèi)先迅速升高，然后在蒸發(fā)/升華作用下快速降低的趨勢。但水升華器在高熱負荷、高給水壓力下可以在更短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)啟動并運行達到穩(wěn)定后，熱負荷和給水壓力變化時，在不超出其散熱能力的情況下，水升華器可以快速調整其內(nèi)部氣-液界面位置適應給水壓力和熱負荷的變化，表明水升華器具有較強的自適應能力。從而使得水升華器運行所能達到的穩(wěn)定水平受其啟動初始條件的影響不明顯。這也為水升華器的使用提供了一種新的思路：即水升華器需要在高熱負荷、高給水壓力下運行時，為了減小啟動過程的“擊穿”風險，可以采用在低熱負荷或低給水壓力下啟動，然后在高熱負荷和高給水壓力下運行的策略。

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