載人航天器熱排散方式分析

齊 岳，許耀午，馬 鄺，王鵬程，段加林，張耀光

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094； 2.中國(guó)載人航天工程辦公室，北京 100071）

0 引言

空間環(huán)境中沒有大氣，航天器內(nèi)乘員和設(shè)備產(chǎn)生的廢熱無法通過空氣對(duì)流的方式進(jìn)行排散，一般采用流體回路的方式將整器廢熱收集[1]，并通過水升華器和輻射器散熱等方式將收集到的廢熱排散到空間中。同時(shí)還需要將密封艙內(nèi)載人環(huán)境控制在適宜的溫度和濕度。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)水升華器和輻射器等散熱途徑的機(jī)理研究已比較充分，吳志強(qiáng)等[2]對(duì)多孔板水升華器在恒熱流條件下的試驗(yàn)進(jìn)行了研究；廖俊元等[3]對(duì)水升華器升華模式進(jìn)行理論分析與數(shù)值仿真；盧國(guó)鵬等[4]進(jìn)行了空間輻射器熱設(shè)計(jì)及涂層熱物性測(cè)量研究；劉欣等[5]進(jìn)行了可展開式輻射器熱控方案對(duì)航天器軌道調(diào)整的適應(yīng)性分析。此外，還有參考地面熱泵技術(shù)，通過熱泵提高輻射器散熱能力的方式，付振東等[6]根據(jù)假設(shè)的月面工況，對(duì)高能效比熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究。但是從整器系統(tǒng)層面考慮，綜合對(duì)比不同散熱途徑在不同任務(wù)工況下的效果與系統(tǒng)代價(jià)的研究非常少見，只有文金遠(yuǎn)等[7]基于假設(shè)的月球居住艙系統(tǒng)對(duì)單相回路及熱泵回路熱控系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，但并未將水升華器納入考慮。

本文通過對(duì)不同任務(wù)工況下，載人航天器選擇不同熱排散方案的效果與系統(tǒng)代價(jià)進(jìn)行綜合分析，并給出對(duì)比結(jié)論，以期為后續(xù)我國(guó)載人深空探測(cè)任務(wù)提供參考。

1 載人航天器散熱方式選擇

1.1 傳統(tǒng)散熱方式

由于航天器在軌整器在真空環(huán)境中難以進(jìn)行高效熱量傳遞，所以一般先使用主動(dòng)流體回路的方式收集整器廢熱[8]，然后再選擇適當(dāng)?shù)姆绞綄U熱排散到空間中。“阿波羅”任務(wù)月面著陸器采用水升華器排散廢熱；“阿波羅”任務(wù)載人飛船、國(guó)際空間站和“神舟”飛船等均采用輻射器排散廢熱。

1）水升華器

水升華器的熱排散原理基于工質(zhì)水的相變潛熱：航天器中流體回路收集廢熱后，通過換熱器將廢熱傳遞給水升華器中的水，這些水滲透進(jìn)入水升華器多孔板；由于多孔板的外表面暴露在真空環(huán)境中，當(dāng)不斷滲透進(jìn)多孔板內(nèi)的水達(dá)到三相點(diǎn)壓力（約610 Pa）時(shí)，水將凝固成冰，同時(shí)進(jìn)行升華[2]，利用液態(tài)水—固態(tài)水—?dú)鈶B(tài)水的相變潛熱進(jìn)行熱量排散。其散熱能力的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：ΔH為水的相變潛熱，2500 kJ/kg；m為水的質(zhì)量，kg；q為航天器散熱需求，W；t為散熱時(shí)間，s。散熱需求為2000 W 的航天器，維持工作1 d，則需要耗水約69 kg。圖1 為水升華器工作原理。

2）輻射器

圖2 所示為輻射器工作原理示意。輻射器的熱排散原理是通過設(shè)置低太陽吸收比、高紅外發(fā)射率的散熱面將廢熱向真空排散。輻射器一般使用鋁合金或鈦合金板作為原材料，流體回路的一部分焊接在輻射器上。

圖2 輻射器工作原理Fig.2 Working principle of radiator

散熱過程的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：q1為輻射器向外輻射熱量，W；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常量，5.67×10-8W/(m2·k4)；T為輻射器平均溫度，K；ε為輻射器表面發(fā)射率，取0.85；τ為輻射器肋效率，取0.85；S為輻射器散熱面積，m2；q2為輻射器接收到的太陽輻照熱量，W；qs為太陽常數(shù)，取1367 W/m2；α為太陽高度角，表示太陽光矢量與輻射器平面的夾角；ρ為輻射器表面太陽吸收比，取0.1；q3為輻射器接收到的其他外來熱量，W，一般可忽略不計(jì)。

1.2 散熱方式改進(jìn)

由式(1)可知，水升華器的熱排散能力與工質(zhì)物理特性相關(guān)，因此很難通過其他手段提高單位工質(zhì)的熱排散能力，優(yōu)化空間有限。

由式(2)～式(4)可知，輻射器散熱方式受到的影響因素較多，但是如果航天器處在一個(gè)相對(duì)確定的熱環(huán)境下，且輻射器性能已經(jīng)確定，則影響輻射器散熱的參數(shù)只有其平均溫度T。故可參考地面熱泵的工作原理（見圖3），提升輻射器散熱的平均溫度，通過額外付出部分功耗代價(jià)來提高整器散熱能力，而無須增加系統(tǒng)質(zhì)量代價(jià)。熱泵能力一般用熱泵效率（COP）表達(dá)，

圖3 熱泵工作原理Fig.3 Working principle of heat pump

式中W為熱泵功耗，W。

2 載人航天器散熱途徑分析

2.1 計(jì)算邊界選擇

本文選擇載人月球探測(cè)器可能面臨的3 種典型任務(wù)工況進(jìn)行計(jì)算，工況參數(shù)如表1 所示。其中，按照任務(wù)時(shí)間為3 d 計(jì)算，航天器整器設(shè)備熱耗為2000 W，密封艙內(nèi)乘員為2 人，考慮工況1、2、3下外部環(huán)境向密封艙內(nèi)倒灌的熱量分別為0 W、200 W、400 W，得到各工況下的總散熱需求。密封艙控制溫度設(shè)置為26 ℃，相對(duì)濕度50%，則露點(diǎn)為15 ℃。為保證密封艙內(nèi)冷凝控溫需求，設(shè)計(jì)流體回路進(jìn)入密封艙冷凝器的入口溫度為10 ℃。計(jì)算輻射器散熱能力時(shí)，由于需要滿足3 d 任務(wù)周期中的最大散熱需求，工況2 太陽高度角取50°，工況3 太陽高度角取90°。

表1 典型任務(wù)工況參數(shù)Table 1 Working conditions of typical missions

2.2 不同熱排散方式系統(tǒng)資源代價(jià)對(duì)比

以工況2 為例，對(duì)不同散熱方式進(jìn)行計(jì)算。此工況下，航天器整器設(shè)備熱耗為2000 W，乘員2 人（干濕換熱共400 W），外部環(huán)境倒灌熱量200 W，則總散熱需求為2600 W。

1）使用水升華器進(jìn)行熱排散時(shí)，由式(1)計(jì)算得到水升華器在3 d 任務(wù)中的耗水量為269.6 kg，考慮水升華器本身設(shè)備質(zhì)量約20 kg，則系統(tǒng)總質(zhì)量代價(jià)為289.6 kg。

2）使用輻射器進(jìn)行熱排散時(shí)的流體回路如圖4所示，流體回路經(jīng)輻射器散熱后直接進(jìn)入密封艙，收集整器廢熱后回到輻射器散熱，形成流體回路循環(huán)。計(jì)算中忽略整器熱耗與輻射器散熱帶來的流體回路溫度變化，認(rèn)為流體回路進(jìn)入密封艙時(shí)的溫度與輻射器平均溫度相等，則輻射器平均溫度為10 ℃。根據(jù)式(2)～式(4)計(jì)算得到，在3 d 任務(wù)中，太陽高度角最高時(shí)輻射器散熱能力為158.7 W/m2，排散2600 W 熱量需要的輻射器面積為16.4 m2。

圖4 輻射器熱排散流體回路示意Fig.4 Schematic of thermal emission of fluid loop for radiator

3）依據(jù)1.2 節(jié)的改進(jìn)方式，使用熱泵系統(tǒng)提高輻射器散熱能力。綜合考慮熱泵系統(tǒng)冷端、熱端換熱溫差以及COP 優(yōu)化曲線，取輻射器平均溫度為65 ℃，此時(shí)熱泵效率約為3[6]，由式(5)可知熱泵功耗為1300 W。由式(2)～式(4)計(jì)算可得輻射器散熱能力為431.0 W/m2，此時(shí)總散熱需求為航天器散熱需求與熱泵功耗之和3900 W，需要的輻射器面積為9.0 m2。

2.3 系統(tǒng)代價(jià)綜合評(píng)估

利用公式

對(duì)不同散熱方式的系統(tǒng)代價(jià)進(jìn)行綜合評(píng)估，式中：M為系統(tǒng)總質(zhì)量代價(jià)，kg；γ1為單位面積輻射器質(zhì)量；γ2為提供熱泵功耗的電源系統(tǒng)質(zhì)量系數(shù)。參考NASA 技術(shù)報(bào)告中公布的數(shù)據(jù)，γ1取5 kg/m2，γ2取0.020 2 kg/W[9]。

3 分析與討論

根據(jù)第2 章給出的計(jì)算邊界與系統(tǒng)代價(jià)分析方法，可得到不同工況下航天器采用不同散熱途徑的系統(tǒng)資源代價(jià)如表2 所示。

表2 各工況下不同散熱途徑資源代價(jià)Table 2 Resource costs of different thermal emission modes under different working conditions

根據(jù)表2 中計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水升華器方案的質(zhì)量代價(jià)最大，主要是消耗的水工質(zhì)。但是如果任務(wù)時(shí)間較短，類似于美國(guó)“阿波羅”任務(wù)首次登月的8 h 時(shí)間來計(jì)算的話，若航天器散熱需求不變，則耗水量?jī)H約27.6～32.3 kg，尤其太陽高度角較大時(shí)，水升華器的系統(tǒng)質(zhì)量代價(jià)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用輻射器與熱泵的系統(tǒng)質(zhì)量代價(jià)，且不需要付出額外的功耗代價(jià)。但是水升華器散熱效率受限于工質(zhì)水的物理特性，幾乎無法提高。何立臣等[10]曾對(duì)含冰模擬月壤水資源提取進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示對(duì)于初始含水量10%，初始溫度-15 ℃的含冰模擬月壤，在500 W 的加熱功率下，1 h 之后收集到的冷凝水量?jī)H為15 g，說明水資源原位利用技術(shù)也難以滿足航天器水升華器的散熱耗水需求。綜上，選擇水升華器作為熱排散途徑優(yōu)于使用輻射器與熱泵。

對(duì)于使用輻射器與熱泵的熱排散途徑，太陽高度角較小時(shí)，由于輻射器散熱能力較強(qiáng)，使用熱泵提高熱排散能力的收益較??；但隨著太陽輻照對(duì)輻射器影響的增大，使用熱泵提高輻射器散熱能力的效果逐漸明顯，太陽高度角最大時(shí)可節(jié)約52%的輻射器面積，27%的系統(tǒng)綜合質(zhì)量代價(jià)。不過，使用熱泵提高輻射器散熱能力的方式雖然系統(tǒng)綜合質(zhì)量代價(jià)優(yōu)化效果明顯，但是熱泵功耗較大，將使整器供電需求增加約50%。因此，需要結(jié)合航天器電源系統(tǒng)能力進(jìn)行評(píng)估，決定是否使用熱泵。

4 結(jié)論

本文對(duì)載人航天器散熱途徑選擇進(jìn)行了初步研究，并得到如下結(jié)論：

1）水升華器散熱途徑主要質(zhì)量代價(jià)來源于消耗的工質(zhì)水，短期任務(wù)的使用情況下系統(tǒng)質(zhì)量代價(jià)較小。

2）熱泵可以顯著提高輻射器散熱能力，且改進(jìn)效果隨太陽高度角升高而增加，太陽高度角為90°時(shí)提升效果最高。

3）熱泵對(duì)系統(tǒng)散熱能力的提升雖效果明顯，但需增加整器供電需求約50%，故是否選用需要結(jié)合航天器電源系統(tǒng)能力進(jìn)行綜合評(píng)估。

綜上，水升華器散熱方式更適合小規(guī)模、短期的探測(cè)任務(wù)；對(duì)于中長(zhǎng)期載人探測(cè)飛行器以及未來的載人月球或火星探測(cè)基地任務(wù)，使用輻射器與熱泵技術(shù)可以更大幅度降低系統(tǒng)質(zhì)量代價(jià)。