基于熱泵的航天器熱控系統(tǒng)研究進(jìn)展

付振東 苗建印 曹劍峰 吳琪

(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，北京 100094)

隨著人類(lèi)生存危機(jī)的日益加重，向地外尋求生存空間是未來(lái)航天技術(shù)的必然發(fā)展方向，美國(guó)、俄羅斯以及歐洲航天局已經(jīng)建立了各種大型地面模擬基地，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)正計(jì)劃著重返月球，建立月球基地，并以此為前哨和中轉(zhuǎn)站而實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的首次登陸火星。我國(guó)正在實(shí)施的深空探測(cè)工程，其中載人登月甚至是載人火星是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。從這些發(fā)展需求來(lái)看，未來(lái)航天器將面臨熱功耗增大、熱流密度增強(qiáng)、空間熱環(huán)境(地外星球熱環(huán)境)惡化等新的問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)熱控設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越嚴(yán)，新的主動(dòng)熱控技術(shù)必將成為研究熱點(diǎn)。

熱傳輸和熱排散是熱控系統(tǒng)的兩個(gè)核心，熱傳輸是將航天器內(nèi)部?jī)x器以及人員產(chǎn)生的熱量進(jìn)行收集并傳輸?shù)胶教炱魍獠?，熱排散是將傳輸?shù)酵獠康臒崃客ㄟ^(guò)輻射的手段排散出去。我國(guó)的熱傳輸和熱排散技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三代發(fā)展：首先是全被動(dòng)加體裝散熱面的第一代熱控技術(shù)，適用于小尺寸低功耗的小型衛(wèi)星；其次是熱管強(qiáng)化加體裝散熱面的第二代熱控技術(shù)，適用于小尺寸中等功耗的中型衛(wèi)星；最后是流體回路加體裝散熱面或可展開(kāi)式散熱面的第三代熱控技術(shù)，適用于中等尺寸較大功耗的大型衛(wèi)星和載人航天器。按照目前載人航天的規(guī)劃，未來(lái)地外空間站、月球基地等在熱控需求上有大幅提升，現(xiàn)有熱控技術(shù)已經(jīng)完全無(wú)法滿(mǎn)足要求。首先，對(duì)于熱傳輸，采用單相流體回路則需要泵功率超10 kW，系統(tǒng)質(zhì)量將超過(guò)2 T；其次，對(duì)于熱排散，按照目前體裝輻射器的散熱效率，需要的散熱面將超過(guò)1000 m2，如果處于月球表面超過(guò)50 ℃的高溫環(huán)境中，傳統(tǒng)的輻射器將難以實(shí)現(xiàn)熱量的對(duì)外排散。由此可見(jiàn)，未來(lái)熱控系統(tǒng)面臨的最主要的兩個(gè)問(wèn)題是超大功率的熱傳輸以及高溫環(huán)境的熱排散。在此基礎(chǔ)上，需要發(fā)展第四代熱控技術(shù)，其主要特點(diǎn)是：①利用兩相傳熱實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的高效傳輸；②采用熱泵系統(tǒng)及可展開(kāi)輻射器實(shí)現(xiàn)熱量的高效排散。熱泵是一種將熱量從熱源傳遞到熱沉(散熱器)的裝置，由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件及其他附屬部件組成，能夠通過(guò)提高輻射溫度實(shí)現(xiàn)熱量的高效排散。國(guó)際上眾多學(xué)者認(rèn)為熱泵在航天器中可以應(yīng)用在以下3個(gè)方面：①作為整個(gè)航天器的熱控系統(tǒng)，為艙內(nèi)人員和電子設(shè)備提供適宜的溫度；②作為單機(jī)的散熱設(shè)備，為有特殊溫度要求的設(shè)備或物品提供熱沉；③作為航天器熱管理系統(tǒng)的一部分，管理和調(diào)配航天器內(nèi)部的能量，使之得到優(yōu)化利用[1-4]。

1 基于熱泵的航天器熱控系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)

按照熱泵的工作原理，一般可將熱泵分為蒸氣壓縮式、吸收式、熱電式以及其他形式。吸附式熱泵由于吸附/發(fā)生器的存在以及吸附劑比重較大的問(wèn)題，其系統(tǒng)體積和質(zhì)量較大，但是對(duì)較大的熱負(fù)荷適應(yīng)性更好[5]；熱電式熱泵具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行安靜可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其質(zhì)量較重且能耗較高，冷卻回路需要安裝額外的冷卻器[6]；相比而言，蒸氣壓縮式熱泵具有系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，組成部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛[7]，其系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。熱泵在航天領(lǐng)域應(yīng)用的研究也主要集中在蒸氣壓縮式方面。

圖1 熱泵系統(tǒng)組成及工作過(guò)程示意圖Fig.1 Heat pump system composition and working process diagram

1.1 熱泵系統(tǒng)可以大幅減少輻射器面積實(shí)現(xiàn)熱控技術(shù)體系跨代發(fā)展

絕大多數(shù)航天器的熱量是通過(guò)輻射的方式排散到空間中的，對(duì)于熱耗一定的航天器而言，輻射器的面積和溫度是成反比的，及輻射溫度越高，所需輻射面積越小。從傳熱鏈路上看，傳統(tǒng)技術(shù)路線中發(fā)熱設(shè)備到輻射器為降溫傳熱鏈路，如圖2所示，此時(shí)需要充足的輻射散熱面積來(lái)保證散熱能力，顯然，這會(huì)顯著增加系統(tǒng)的質(zhì)量；如果引入熱泵技術(shù)，將輻射器溫度提高，如圖3所示，就可以大幅所需降低輻射器的面積，從而打破傳統(tǒng)降溫傳熱/散熱鏈路技術(shù)范疇，實(shí)現(xiàn)熱控技術(shù)體系的跨代發(fā)展[8]。

圖2 傳統(tǒng)技術(shù)路線熱控系統(tǒng)組成及各個(gè)部件溫度水平示意圖Fig.2 Space thermal control system based on traditional technical route and temperature of each component

圖3 熱泵技術(shù)路線系統(tǒng)組成及各個(gè)部件溫度水平示意圖Fig.3 Space thermal control system based on heat pump technical route and temperature of each component

文獻(xiàn)[9]提出對(duì)于長(zhǎng)期在軌的航天任務(wù)，熱控系統(tǒng)需要隨著熱耗增加而發(fā)展，即由被動(dòng)式熱管技術(shù)到泵驅(qū)流體回路技術(shù)再到熱泵技術(shù)，熱耗從1 kW跨越到100 kW，如圖4所示，研究表明：輻射器的質(zhì)量在整個(gè)熱控系統(tǒng)中占比最大，通過(guò)計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)熱泵的質(zhì)量明顯低于泵驅(qū)流體回路，且熱耗越大優(yōu)勢(shì)越明顯，在熱耗10 kW時(shí)，熱泵可以降低27%的質(zhì)量，而熱耗達(dá)100 kW時(shí)，熱泵可以降低39%的質(zhì)量。文獻(xiàn)[10]在研究國(guó)內(nèi)外最新成果的基礎(chǔ)上指出在保證系統(tǒng)可靠性和性能的同時(shí)，采用熱泵可以減少輻射器面積，降低系統(tǒng)質(zhì)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜性。文獻(xiàn)[11]針對(duì)未來(lái)航天器高熱排散的需求，提出4種解決途徑：?jiǎn)蜗嗔黧w回路、單相-蓄冷流體回路、熱泵-單相流體回路、熱泵-蓄冷回路，并指出采用熱泵-蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在相同條件下，熱泵-蓄冷回路可以使輻射器面積降低69.9%，熱排散系統(tǒng)質(zhì)量降低53.3%。同樣文獻(xiàn)[12]從散熱能力、使用壽命、制冷量、質(zhì)量比、散熱面積等方面對(duì)比了現(xiàn)在的熱控技術(shù)手段(泵驅(qū)單相回路、熱管、水升華、百葉窗等)和未來(lái)的熱控技術(shù)(兩相流回路、毛細(xì)泵熱管、輕質(zhì)輻射器以及熱泵)，并指出熱泵和輕質(zhì)輻射器的組合將是未來(lái)航天任務(wù)中熱控的發(fā)展思路和技術(shù)手段之一。

圖4 未來(lái)航天器熱控系統(tǒng)隨熱耗的發(fā)展趨勢(shì)Fig.4 Future development trend of spacecraft thermal control system with heat consumption

1.2 熱泵系統(tǒng)可以使航天器能源得到最有效的利用

就熱泵的驅(qū)動(dòng)形式而言，適用于航天領(lǐng)域的熱泵可以分為電驅(qū)動(dòng)熱泵和熱驅(qū)動(dòng)熱泵兩大類(lèi)，而熱驅(qū)動(dòng)熱泵又可以分為化學(xué)能驅(qū)動(dòng)熱泵(液態(tài)金屬熱泵、吸附式熱泵和復(fù)合式熱泵)和熱機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵(朗肯(Rankine)熱機(jī)、布雷頓(Brayton)熱機(jī)和斯特林(Stirling)熱機(jī))，當(dāng)航天器星載電源余量充足時(shí)，可以采用電驅(qū)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)電能的高效利用；當(dāng)航天器有高溫廢熱時(shí)(如核電源等)，可以采用熱驅(qū)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)廢熱的再利用。

美國(guó)Mainstream公司的研究員Robert P. Scaringe詳細(xì)對(duì)比了幾種熱泵的性能和質(zhì)量，結(jié)果表明：液態(tài)金屬熱泵和復(fù)合式熱泵是間歇式工作，吸附式熱泵雖然是連續(xù)工作，但是其COP較低和質(zhì)量較大，因此化學(xué)能驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)不適合航天領(lǐng)域。而相比化學(xué)能驅(qū)動(dòng)熱泵，熱機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵具有更高的COP和更輕更緊湊的結(jié)構(gòu)形式，在熱機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵中，Brayton循環(huán)由于只有氣態(tài)工質(zhì)參與傳熱，其熱效率較低，同時(shí)由于氣體換熱系數(shù)低需要更大的換熱器，因此系統(tǒng)更重；而Stirling循環(huán)雖然熱效率很高但是系統(tǒng)質(zhì)量更大，并且Stirling熱機(jī)的長(zhǎng)期可靠性也沒(méi)有得到證明，相對(duì)而言只有Rankine熱機(jī)適合作為熱泵的驅(qū)動(dòng)源?；赗ankine熱機(jī)，文獻(xiàn)[13]提出一種全密封形式的熱驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)，如圖5所示，動(dòng)力循環(huán)和熱泵循環(huán)采用相同的工質(zhì)，同時(shí)將壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和機(jī)械泵密封在一起，可以有效避免泄漏。此外，認(rèn)為未來(lái)航天領(lǐng)域熱泵的發(fā)展方向應(yīng)該是電驅(qū)動(dòng)熱泵和Rankine熱機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵兩種形式，電驅(qū)動(dòng)熱泵更加適用于航天器電能充裕的場(chǎng)合，而Rankine熱機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵更加適合存在大量高溫廢熱(如核電源、大型太陽(yáng)能陣列板等)的場(chǎng)合。文獻(xiàn)[14]在研究潛在的航天器熱泵方面提出可分為兩大類(lèi)，即蒸氣壓縮式熱泵和化學(xué)類(lèi)熱泵，前者根據(jù)熱力循環(huán)方式不同又包括了Rankine、Brayton和Stirling以及噴射式，后者包括了吸附式、氫化學(xué)式和混合式，歸納總結(jié)了各種熱泵的優(yōu)缺點(diǎn)，明確提出Rankine蒸氣壓縮式熱泵系統(tǒng)綜合性能最佳。文獻(xiàn)[15]通過(guò)研究提出采用光伏熱泵來(lái)強(qiáng)化輻射器的換熱。

圖5 一種Rankine熱機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of a Rankine heat engine driven heat pump structure

同樣的，美國(guó)L’Garde航空航天公司的G.Grossman將熱驅(qū)動(dòng)熱泵和電驅(qū)動(dòng)熱泵歸納為功驅(qū)動(dòng)熱泵(WAHP)和熱驅(qū)動(dòng)熱泵(HAHP)，如圖6所示。前者直接通過(guò)星載電源來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵，后者利用動(dòng)力系統(tǒng)排放的廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)熱機(jī)，同時(shí)熱機(jī)輸出功來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵。文獻(xiàn)[16]通過(guò)詳細(xì)計(jì)算指出在給定的功率、載荷的廢熱溫度和空間熱沉溫度下熱泵提供的溫升與系統(tǒng)COP之間存在一個(gè)最佳的組合形式，在該組合條件下輻射器面積減少率可表示為兩個(gè)溫度比的函數(shù)即空間熱沉溫度/載荷溫度和電源系統(tǒng)溫度/載荷廢熱溫度；此外單位功耗的熱泵質(zhì)量以及單位功耗的輻射器質(zhì)量也是這兩個(gè)溫度比的函數(shù)，但是對(duì)于WAHP系統(tǒng)，還需要引入電源系統(tǒng)質(zhì)量增加率這個(gè)無(wú)量綱參數(shù)。此外，還通過(guò)仿真計(jì)算了理想卡諾(Carnot)循環(huán)和實(shí)際熱泵循環(huán)兩種工況，發(fā)現(xiàn)隨著上述兩個(gè)溫度比的增加，輻射器的面積和質(zhì)量都會(huì)隨之增加，當(dāng)載荷溫度接近熱沉溫度時(shí)候可達(dá)到最佳組合形式。而相同條件下，WAHP和HAHP兩種熱泵系統(tǒng)對(duì)輻射器面積的減少比例大致相同。

注：圖中實(shí)線為傳熱路徑，虛線為輸電路徑。

1.3 基于熱泵的熱傳輸和熱排散系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)航天器熱控系統(tǒng)的減重

到目前為止，將熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在航天器上基本分為兩種方案：一種是將熱泵作為熱控系統(tǒng)的外回路僅負(fù)責(zé)熱排散，如圖7(a)所示，通過(guò)換熱器將到達(dá)輻射器的流體溫度提高，從而減少輻射器的面積，而采用泵驅(qū)流體回路作為內(nèi)回路負(fù)責(zé)收集和運(yùn)輸航天器內(nèi)部電子元件的熱耗；另一種是將熱泵作為熱總線負(fù)責(zé)整個(gè)航天器的熱傳輸和熱排散，如圖7(b)所示。

美國(guó)Mainstream公司的Robert P. Scaringe總結(jié)了目前用于航天領(lǐng)域的兩相熱傳輸系統(tǒng)分為3大類(lèi)：機(jī)械泵驅(qū)回路(MPL)、毛細(xì)泵驅(qū)回路(CPL)和混合系統(tǒng)，但是無(wú)論哪種兩相熱傳輸系統(tǒng)都存在兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，即回路中較大的壓降導(dǎo)致額外的熱損耗和冷凝器工作溫度較低(意味著需要更大面積的輻射器)。而熱泵回路(HPL)，不僅具有熱泵系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)(冷凝溫度提高而減少輻射器面積)，而且可以減少或消除泵驅(qū)回路的缺點(diǎn)。采用熱泵回路熱總線可以將系統(tǒng)重量降低2%～28%，將輻射器面積降低28%～58%，但是類(lèi)似其他高熱流熱傳輸系統(tǒng)，熱泵回路熱總線存在一些仍需解決的科學(xué)問(wèn)題，如長(zhǎng)壽命、微重力下兩相流動(dòng)與換熱以及瞬態(tài)效應(yīng)影響(包括熱耗峰值、啟動(dòng)、蓄熱和冷凝器不利的熱負(fù)荷)等，好在熱泵回路總線中微重力下兩相流動(dòng)問(wèn)題沒(méi)有泵驅(qū)兩相流回路總線中嚴(yán)重，因?yàn)槠鋬上嗔鲃?dòng)狀態(tài)僅發(fā)生在蒸發(fā)器、冷凝器和儲(chǔ)液器中，而傳輸管線中均為單相流動(dòng)；此外熱泵回路總線中也不存在流動(dòng)穩(wěn)定性和氣穴問(wèn)題。因此對(duì)于必須在數(shù)十米以上距離傳輸大量熱量的熱控系統(tǒng)而言，熱泵回路熱總線是更加合適的選擇[17-18]。文獻(xiàn)[19]針對(duì)未來(lái)大型航天器的熱管理系統(tǒng)詳細(xì)分析了國(guó)外的一些重點(diǎn)研究成果，認(rèn)為熱泵回路熱總線是最具潛力的系統(tǒng)，不僅具備熱泵系統(tǒng)所有優(yōu)點(diǎn)，還克服了泵驅(qū)流體回路的一些缺點(diǎn)，但也存在一些問(wèn)題，如長(zhǎng)壽命問(wèn)題、微重力下兩相流動(dòng)和換熱問(wèn)題等，闡明了今后的重點(diǎn)研究方向。

圖7 熱泵與熱源耦合的兩種形式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of two forms of heat pump and heat source coupling

2 基于熱泵的航天器熱控系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

無(wú)論是高真空、微重力、強(qiáng)輻射的空間環(huán)境還是低重力、高溫紅外輻射、月塵、火星風(fēng)暴等地外星球的特殊環(huán)境，都會(huì)對(duì)熱泵系統(tǒng)造成不利的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至無(wú)法正常工作。總的來(lái)說(shuō)，主要的影響體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)下降。

(2)換熱器(特別是冷凝器)的換熱系數(shù)下降。

(3)壓縮機(jī)的潤(rùn)滑和冷卻出現(xiàn)問(wèn)題。

2.1 熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)提高研究

熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以熱力循環(huán)為基礎(chǔ)的，熱泵系統(tǒng)中最基本的熱力循環(huán)是逆卡諾(Carnot)循環(huán)，包括兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程。一般評(píng)價(jià)熱泵系統(tǒng)性能的好壞采用性能系數(shù)COP，其定義為冷凝器釋放的熱量/壓縮機(jī)的功耗，而影響熱泵系統(tǒng)性能的主要因素有：熱力循環(huán)和循環(huán)工質(zhì)的選擇、壓縮機(jī)的效率以及系統(tǒng)匹配性等。

熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)與制冷系統(tǒng)的工質(zhì)是一樣，歷史上早期的工質(zhì)主要是二氧化硫、氯甲烷和氨，而隨著氟氯烴(CFCs)(如R-11、R-12、R-114)和氫氟氯烴(HCFCs)(如R-22、R-123)類(lèi)工質(zhì)的引入，有毒性的二氧化硫、氯甲烷和氨很快在市面上消失了；再后來(lái)，出于對(duì)臭氧層消耗的擔(dān)憂(yōu)，CFCs和HCFCs類(lèi)工質(zhì)被明令禁止使用，取而代之的是氫氟烴(HFCs)(如R-134a、R-245fa)類(lèi)工質(zhì)[20]。在熱力循環(huán)方面，當(dāng)熱泵系統(tǒng)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度溫差較大時(shí)，單級(jí)蒸氣壓縮系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足，發(fā)展出了準(zhǔn)二級(jí)壓縮、自復(fù)疊式、兩級(jí)壓縮以及復(fù)疊式等多種系統(tǒng)形式，其各自的特點(diǎn)詳見(jiàn)表1。

早期的研究表明：R-11和R-12應(yīng)該是循環(huán)性能最高的可選工質(zhì)，美國(guó)通用公司早在1964年設(shè)計(jì)出一套在月球環(huán)境下最有前景的熱泵系統(tǒng)，以系統(tǒng)總質(zhì)量最低的原則，對(duì)比了R-11、R-21、R-112、R-113、R-114和R-718(水)等幾種工質(zhì)的熱力循環(huán)性能，初步確定了采用R-11和R-718工質(zhì)的復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)，在蒸發(fā)溫度65.7 ℃，冷凝溫度143.5 ℃時(shí)，制冷量1 kW和10 kW的熱泵系統(tǒng)質(zhì)量預(yù)估分別為34 kg和79 kg，電源系統(tǒng)功耗分別為0.56 kW和5.62 kW，系統(tǒng)COP均為1.8[5]。瑞士聯(lián)邦飛機(jī)廠的F. Berner等采用R-12工質(zhì)，冷凝溫度設(shè)置在100 ℃左右，散熱量在數(shù)百瓦量級(jí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明該熱泵系統(tǒng)的最大制冷量為400 W，在蒸發(fā)溫度為20 ℃和40 ℃時(shí)，壓縮機(jī)的功耗分別為70 W和120 W，系統(tǒng)COP可達(dá)3以上[21]。NASA約翰遜航天中心的J. Goldman在1994—1996年間提出在月球基地中使用熱泵的設(shè)想，該設(shè)想分3個(gè)階段進(jìn)行：第一階段主要通過(guò)研究制冷劑和熱力循環(huán)的選擇來(lái)確定最佳的熱泵方案，然后對(duì)熱泵系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行選擇和研究。文獻(xiàn)[22-24]在研究月球環(huán)境的基礎(chǔ)上提出月球基地?zé)岜孟到y(tǒng)的輻射溫度最佳選擇應(yīng)該在377～387 K之間，通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)比了40多種制冷劑，初步篩選出臨界溫度合適的制冷劑；在熱力循環(huán)中考慮了單級(jí)、兩級(jí)和三級(jí)壓縮循環(huán)，最終綜合評(píng)定下發(fā)現(xiàn)三級(jí)壓縮和R-11制冷劑循環(huán)可以達(dá)到最佳系統(tǒng)性能(為Carnot循環(huán)的56%)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三套熱泵系統(tǒng)以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，詳見(jiàn)表2;第二階段在第一階段研究的基礎(chǔ)上，提出地面測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，出于環(huán)境法規(guī)的要求使用R-123制冷劑替代R-11；第三階段主要由Foster-Miller公司進(jìn)行地面測(cè)試系統(tǒng)的生產(chǎn)制造并進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試。美國(guó)Canmet能源研究實(shí)驗(yàn)室的Z. Aidoun針對(duì)月球車(chē)需要在月晝高溫條件下散熱的問(wèn)題，研究地面和航空中已經(jīng)應(yīng)用的熱泵系統(tǒng)是否可以提供2 kW的冷卻能力和月面適應(yīng)性，并對(duì)熱泵的各個(gè)部件進(jìn)行質(zhì)量?jī)?yōu)化選擇最合適的制冷劑和熱力循環(huán)。計(jì)算研究結(jié)果表明：R-11是性能最佳的制冷劑，依據(jù)環(huán)保要求R-123是R-11最好的替代工質(zhì)；對(duì)于熱力循環(huán)，在蒸發(fā)溫度276 K，冷凝溫度399 K，過(guò)熱度5.5 K時(shí)候，兩級(jí)壓縮相比單級(jí)壓縮的改善僅有1%，但是單級(jí)壓縮的排氣溫度和壓力都很高，這對(duì)壓縮機(jī)的壽命不利。因此對(duì)于月球車(chē)應(yīng)用，文獻(xiàn)[25]認(rèn)為采用R-11工質(zhì)，具有吸氣換熱和級(jí)間冷卻的兩級(jí)壓縮循環(huán)是最佳選擇，其COP在Carnot循環(huán)的40%～50%之間。

表1 幾種熱泵系統(tǒng)熱力循環(huán)方式對(duì)比Table 1 Comparison of several heat pump thermodynamic circulation methods

表2 不同應(yīng)用場(chǎng)景熱泵系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Heat pump system parameters for different application scenarios

后期主要是針對(duì)R-11、R-12等非環(huán)保型工質(zhì)的替代研究，美國(guó)Mainstream公司的Robert P. Scaringe在蒸發(fā)溫度27 ℃，冷凝溫度127 ℃的工況下針對(duì)常用的制冷工質(zhì)用在熱驅(qū)動(dòng)熱泵和電驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)上的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明在熱驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)中，MEC-79工質(zhì)(一種未公開(kāi)的專(zhuān)有工質(zhì))性能最好，COP達(dá)到0.58，輻射器面積可降低36%，系統(tǒng)總質(zhì)量可降低9%，而采用R-11工質(zhì)，輻射器面積和系統(tǒng)質(zhì)量反而會(huì)增加；在電驅(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)中，MEC-10工質(zhì)(一種未公開(kāi)的專(zhuān)有工質(zhì))性能最好，COP可達(dá)1.92，輻射器面積可降低61%，系統(tǒng)總質(zhì)量降低7.4%，而采用R-11工質(zhì)，輻射器面積會(huì)降低55%，但是系統(tǒng)總質(zhì)量會(huì)增加10%[26]。隨后，Scaringe針對(duì)熱泵在載人航天熱控方面的應(yīng)用，對(duì)6種全氟碳化合物、3種含氟醚、7種氫氟化合物等16種工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，通過(guò)測(cè)其蒸氣壓、汽化潛熱和蒸氣密度來(lái)對(duì)比其熱特性，通過(guò)吸入毒性、易燃性和熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)來(lái)確定其是否符合載人航天標(biāo)準(zhǔn)。最終結(jié)果顯示只有八氟環(huán)丁烷、十氟丁烷、全氟異丁烯3種工質(zhì)滿(mǎn)足載人航天要求。文獻(xiàn)[27]在這3種工質(zhì)基礎(chǔ)上與R-12、R-22和R-134a工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在蒸發(fā)溫度240 K，冷凝溫度295 K時(shí)候，R-134a具有較高的COP，可達(dá)2.2，但是最大壓力高達(dá)6 MPa，意味著系統(tǒng)質(zhì)量要增加，并且其有可能會(huì)在催化氧化劑中分解，因此不宜作為載人航天熱泵工質(zhì)。相比而言，八氟環(huán)丁烷綜合性能最佳，COP達(dá)2，最大壓力僅為2.8 MPa。普度大學(xué)的S.H. Lee探索混合熱控系統(tǒng)以滿(mǎn)足各種太空任務(wù)的需求，設(shè)計(jì)了4種不同的操作模式：?jiǎn)蜗嗔黧w回路、兩相流體回路、基本的熱泵系統(tǒng)和帶有中間換熱器的熱泵系統(tǒng)，評(píng)估了6種不同的工質(zhì)(NH3、R-404a、R-134a、R-245fa、R-123和HFE7000)熱性能，分析結(jié)果顯示：R-134a在流速、系統(tǒng)壓力和性能系數(shù)之間是最平衡最佳的工質(zhì)[28]。

2.2 微重力環(huán)境下?lián)Q熱器的換熱系數(shù)研究

微重力環(huán)境下兩相流動(dòng)問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，大量的學(xué)者研究了重力改變后兩相流動(dòng)的流型、成核機(jī)制、換熱強(qiáng)度等，國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)論較為一直，均表明重力場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致兩相流型的變化，進(jìn)而影響換熱器內(nèi)的換熱(包括蒸發(fā)和冷凝)，其中冷凝換熱受到影響更大，一些在軌試驗(yàn)表明微重力條件下冷凝換熱系數(shù)會(huì)下降23%～26%[8]。如果是放在熱泵系統(tǒng)中，微重力條件下壓縮機(jī)排出氣體中的潤(rùn)滑油無(wú)法與工質(zhì)分離，潤(rùn)滑油進(jìn)入冷凝器會(huì)在其內(nèi)表面形成油膜，進(jìn)一步降低冷凝換熱系數(shù)。目的在地面還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微重力條件有效的模擬，大多是通過(guò)熱泵系統(tǒng)的傾斜甚至倒置來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的重力無(wú)關(guān)性試驗(yàn)，稍微好一點(diǎn)的采用落塔或失重飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，但是試驗(yàn)時(shí)間較短，得到的數(shù)據(jù)非常有限。

美國(guó)田納西大學(xué)的R. E. Domitrovic等開(kāi)發(fā)了一種高效回?zé)崾秸魵鈮嚎s熱泵，目的是提高國(guó)際空間站等航天器的輻射器溫度，在熱泵系統(tǒng)達(dá)到最大溫升條件下進(jìn)行了非重力方向性能試驗(yàn)，從而對(duì)微重力條件下熱泵運(yùn)行進(jìn)行近似估算。文獻(xiàn)[29]在蒸發(fā)器進(jìn)水溫度從10.8 ℃到24.7 ℃，熱泵方向從0°到315°，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?200 rad/min到2700 rad/min進(jìn)行了多組對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著蒸發(fā)器進(jìn)水溫度的增加，熱泵系統(tǒng)性能有明顯的提高；而在改變熱泵系統(tǒng)傾角方面，性能基本沒(méi)有變化。文獻(xiàn)[30]對(duì)不同傾角下直管和螺旋管的換熱特性進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明：傾角對(duì)直管和螺旋管的平均換熱系數(shù)影響不大，對(duì)于直管最大差別在10%左右，對(duì)于螺旋管最大差別在20%左右。文獻(xiàn)[31]研究了不同傾角下紫銅直管的換熱系數(shù)和壓降，試驗(yàn)結(jié)果表明：傾角對(duì)直管內(nèi)換熱系數(shù)影響較大，最大差距在30%左右；壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油對(duì)換熱系數(shù)也有較大影響，有潤(rùn)滑油比無(wú)潤(rùn)滑油換熱系數(shù)下降30%以上。文獻(xiàn)[32]研究了改變熱泵系統(tǒng)傾角對(duì)汽車(chē)渦旋壓縮機(jī)性能的影響，結(jié)果表明：熱泵系統(tǒng)傾角在0～360°改變時(shí)系統(tǒng)均能正常運(yùn)行，其COP最大變化量?jī)H為6.3%，證明該系統(tǒng)重力無(wú)關(guān)性較好。此外還發(fā)現(xiàn)水平放置時(shí)候壓縮機(jī)性能略有提高，認(rèn)為是潤(rùn)滑油進(jìn)入回路使循環(huán)油量增加的原因。文獻(xiàn)[33]通過(guò)試驗(yàn)研究了壓縮機(jī)的倒置性能，結(jié)果表明：隨著制冷劑充注量增加，壓縮機(jī)排氣溫度和功耗要大于壓縮機(jī)正立的情況，而系統(tǒng)COP小于壓縮機(jī)正立的情況，在最佳充注量150 g的情況下系統(tǒng)COP最大可達(dá)3.2，證明壓縮機(jī)倒置后性能仍然良好，具有重力無(wú)關(guān)性。

2.3 空間環(huán)境下壓縮機(jī)潤(rùn)滑及冷卻的研究

地面成熟的熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)基本都是通過(guò)潤(rùn)滑油循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的潤(rùn)滑以及冷卻。熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)排出的工質(zhì)氣體中不可避免的會(huì)攜帶一部分潤(rùn)滑油，這部分潤(rùn)滑油必須通過(guò)油氣分離器分離出來(lái)并回到壓縮機(jī)中，否則潤(rùn)滑油進(jìn)入換熱器后會(huì)形成油膜吸附在換熱器內(nèi)表面，對(duì)傳熱造成不良影響，此外，隨著潤(rùn)滑油的消耗，壓縮機(jī)也會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑不充分而降低效率。

針對(duì)微重力環(huán)境中壓縮機(jī)潤(rùn)滑和冷卻的難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種解決措施，主要分為兩種思路，一種是采用無(wú)油潤(rùn)滑的壓縮機(jī)，如直線壓縮機(jī)、磁力軸承壓縮機(jī)、氣浮軸承壓縮機(jī)等，但是這些無(wú)油壓縮機(jī)都存在壽命短、承載能力弱、效率低以及質(zhì)量重等問(wèn)題，目前在地面實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用較多，并且不適合在航天領(lǐng)域應(yīng)用；另一種思路是針對(duì)地面成熟商用的有油壓縮機(jī)，對(duì)油氣分離器進(jìn)行改進(jìn)，提高其在微重力環(huán)境中的分離效率，這種方案更加適合在航天領(lǐng)域應(yīng)用。

NASA格倫研究中心的Hoffmann曾提出在地面上由于浮力的存在會(huì)使氣體和液體分離，但是在微重力環(huán)境下不存在浮力，氣液分離將很難實(shí)現(xiàn)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種離心分離器，分離器由一個(gè)丙烯酸圓筒腔體構(gòu)成，該腔體可以容納兩個(gè)同心丙烯酸圓錐體，圓錐體側(cè)面分布有圓孔，電機(jī)以2500 rad/min的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)內(nèi)圓錐體轉(zhuǎn)動(dòng)，該分離器在“國(guó)際空間站”的KC-135微重力設(shè)施上成功進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示：氣體會(huì)在內(nèi)圓錐的中心形成一個(gè)明顯的核[34]。這是最早在微重力環(huán)境中開(kāi)展氣液分離實(shí)驗(yàn)并取得成功的例子。

NASA約翰遜宇航中心公布了一種新型被動(dòng)式兩相分離器專(zhuān)利，可以在微重力環(huán)境中將氣體從液體中分離出來(lái)，該分離器由兩個(gè)同軸的不銹鋼編織的絲網(wǎng)組成(公稱(chēng)孔徑為25 μm)，入口位于分離器的軸向，環(huán)狀出口位于2個(gè)絲網(wǎng)之間。液體從外層絲網(wǎng)的一端進(jìn)入，經(jīng)過(guò)內(nèi)層絲網(wǎng)后從環(huán)狀出口流出，而液體中的氣體會(huì)在曳力的作用下進(jìn)入流體下游，當(dāng)曳力和其表面張力平衡后氣泡會(huì)停止移動(dòng)而依附在絲網(wǎng)表面。該兩項(xiàng)分離器目前進(jìn)行了地面試驗(yàn)，分離效果理想，未來(lái)將進(jìn)行空間搭載試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證其分離效率[35]。

3 啟示與建議

從上述國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，基于熱泵的航天器熱控系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)突出優(yōu)勢(shì)。

(1)熱控系統(tǒng)采用熱泵后，可以提高輻射器的輻射溫度，從而大幅降低相同散熱量下所需輻射器的面積。一般而言，輻射器質(zhì)量可以占到整個(gè)熱控系統(tǒng)質(zhì)量的30%～40%，如果輻射器面積和質(zhì)量得到降低，對(duì)整個(gè)熱控系統(tǒng)的減重貢獻(xiàn)非常大；其次，未來(lái)軍事航天器為了高機(jī)動(dòng)性和隱身性，星體表面可安裝輻射器的空間非常有限，同時(shí)又需要大量的廢熱排散出去，這種情況下只有采用熱泵系統(tǒng)才能滿(mǎn)足需求。

(2)熱泵系統(tǒng)可以采用熱機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此其用于熱控系統(tǒng)具有很大的靈活性，例如大型空間站、空間太陽(yáng)能電站等供電充裕的航天器，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行效率高、系統(tǒng)能效比高等特點(diǎn)；再例如采用核反應(yīng)堆的大功率軍事航天器，其具有大量的高溫廢熱需要排散，采用熱機(jī)驅(qū)動(dòng)的熱泵可以利用這部分高溫廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)熱泵，從而將更多的電能供給核心載荷使用。

(3)采用基于熱泵回路總線的航天器熱控系統(tǒng)，可以取代傳統(tǒng)的泵驅(qū)流體回路，不僅負(fù)責(zé)航天器的大功率熱排散，還可以負(fù)責(zé)整個(gè)航天器廢熱的收集和傳輸，提高熱控系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的控制難度，在體積質(zhì)量上也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減重。

(4)對(duì)于未來(lái)建造月球基地，面對(duì)高溫紅外輻射環(huán)境，傳統(tǒng)的熱控技術(shù)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)大功率排熱的，只有采用基于熱泵的熱控系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境中熱排散，采用熱泵是唯一途徑。

當(dāng)然，采用熱泵系統(tǒng)后也會(huì)帶來(lái)一些局限性，具體如下。

(1)根據(jù)輻射換熱原理，輻射溫度越高輻射能力越強(qiáng)，但是輻射溫度越高，與艙內(nèi)溫度控制端溫差越大，會(huì)導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的COP降低，這是一對(duì)矛盾體，提高輻射溫度意味著輻射器質(zhì)量會(huì)降低，同時(shí)也意味著熱泵需要的供電系統(tǒng)質(zhì)量會(huì)增加，這樣的話，整個(gè)熱控系統(tǒng)質(zhì)量未必會(huì)降低。這就限制了熱泵在小型化、輕量化的衛(wèi)星上的應(yīng)用，熱泵應(yīng)該更加適用于那種對(duì)輻射器面積更加敏感的衛(wèi)星。

(2)太空中的微重力環(huán)境是制約熱泵在航天器上應(yīng)用的最大因素，微重力會(huì)帶來(lái)冷凝器、蒸發(fā)器換熱系數(shù)的下降，會(huì)帶來(lái)壓縮機(jī)油氣分離效率的下降甚至失效，以及儲(chǔ)液器中氣液兩相分布狀態(tài)的不同，這些影響最終會(huì)使熱泵系統(tǒng)COP下降甚至是熱泵無(wú)法正常工作。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀看，目前是沒(méi)有很好的解決辦法來(lái)克服微重力對(duì)熱泵的影響。

(3)目前在地面環(huán)境中模擬微重力主要手段是落塔和失重飛機(jī)，但是落塔時(shí)間通常在5 s左右，對(duì)于熱慣性巨大的熱泵系統(tǒng)而言根本無(wú)法得到有效數(shù)據(jù)；而失重飛機(jī)雖然可以提供數(shù)十秒的微重力時(shí)間，但是其對(duì)載荷的體積質(zhì)量要求較高，而且觀測(cè)時(shí)間也不充裕。因此地面微重力模擬試驗(yàn)的局限性同樣限制了熱泵在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

對(duì)于上述基于熱泵的航天器熱控系統(tǒng)的不足和局限性，梳理出幾點(diǎn)亟需解決的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，只有這些基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題得到突破，才能支撐熱泵系統(tǒng)未來(lái)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

(1)微重力條件下壓縮機(jī)的油氣分離。微重力環(huán)境下油滴與工質(zhì)氣體的分離類(lèi)似氣液分離，是屬于研究熱點(diǎn)方向之一。但是油氣分離又具有自身的顯著特點(diǎn)，油滴和工質(zhì)氣體是二元混合物，其物性差異很大，基于這一特點(diǎn)，微重力的油氣分離將與傳統(tǒng)的氣液分離不盡相同。該問(wèn)題的解決將實(shí)現(xiàn)地面成熟的有油潤(rùn)滑壓縮機(jī)在空間環(huán)境中的使用。

(2)微重力條件下冷凝換熱強(qiáng)化。目前的研究表明：在微重力條件下，蒸發(fā)器的換熱影響不太大，但是冷凝換熱效率會(huì)下降30%以上，如何在微重力環(huán)境中提高冷凝換熱系數(shù)，也是這些年的研究熱點(diǎn)方向。該問(wèn)題的解決將實(shí)現(xiàn)熱泵系統(tǒng)COP的進(jìn)一步提高，對(duì)熱泵在空間環(huán)境中應(yīng)用意義重大。

(3)微重力環(huán)境地面等效模擬方法。目前地面模擬微重力環(huán)境的手段非常有限，僅有落塔和失重飛機(jī)。近些年也提出一些微重力的等效模擬方法，如改變系統(tǒng)的傾角，從而改變重力方向，但是這些方法都是基于理論分析和計(jì)算得出的，還沒(méi)有得到與真實(shí)微重力環(huán)境試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果，因此其真實(shí)有效性還待商榷。而該問(wèn)題的解決將建立微重力環(huán)境熱泵系統(tǒng)的地面等效試驗(yàn)方法和體系，為未來(lái)熱泵在空間環(huán)境的應(yīng)用提供有力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

熱泵在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)展，各航天大國(guó)都開(kāi)展了理論研究和有限的地面試驗(yàn)研究，并且取得了不少成果，眾多研究成果表明：基于熱泵的航天器熱控系統(tǒng)在提高輻射溫度，減少輻射器面積方面有巨大的優(yōu)勢(shì)，也是應(yīng)對(duì)未來(lái)大功率熱排散和高溫環(huán)境熱排散非常有效的解決方案。但是由于空間微重力環(huán)境的影響，熱泵在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需要解決一些基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外眾多文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，梳理出了幾點(diǎn)亟需解決的問(wèn)題，如微重力條件下壓縮機(jī)的油氣分離、冷凝強(qiáng)化以及地面的等效模擬驗(yàn)證方法，只有這些基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題得到突破，才能支撐熱泵系統(tǒng)未來(lái)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展，這也是未來(lái)的研究重點(diǎn)方向。