美國新一代航天服熱控系統簡析

賁勛 張少華 張曉嶼 劉欣 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

美國新一代航天服熱控系統簡析

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

賁勛 張少華 張曉嶼 劉欣 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

隨著載人航天技術的發展，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”維護以及未來的載人火星探測等，宇宙空間的深冷背景及環境的復雜多變性，給航天員的出艙活動造成了嚴重的阻礙。為保證航天員順利開展空間工作，必須針對空間熱環境進行相應的熱設計。同時，由于航天員新陳代謝產生的熱量需要排散，因此需要做好艙外航天服的熱控系統設計，以保證航天員在合適的溫濕度下完成出艙任務。

1 概述

各國的載人航天研究機構先后開發了多種艙外航天服的熱控系統，目前較為成熟的技術是以水升華器為散熱部件的航天服熱控系統。該技術將新陳代謝和設備產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來說，該方法非常浪費攜帶的水資源，隨著水的持續大量損失，探索任務將變得不可維持。未來的空間生命保障系統需要更先進的技術來進行熱控，其中大體實現水的守恒是一個很重要的挑戰。依靠水升華散熱意味著每位航天員進行一次典型的出艙活動操作大約要將3.6kg水排入太空。對于長期探索任務來說，將會有許多出艙活動，經常進行出艙活動的太空任務與很少或者沒有出艙活動的任務相比，環境控制和生命保障系統的質量載荷幾乎翻倍，而增加的主要質量是出艙活動熱控系統消耗的水。

面對需求，美國航空航天局（NASA）設計了一套航天服蒸發-吸收-輻射系統（SEAR），該系統可以滿足未來生命支持系統的性能需求。一套航天服蒸發-吸收-輻射系統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器（SWME）。該系統與傳統的航天服熱控系統相比，可對航天服和空間飛行器的溫度進行精確控制，其最大的優點是水損失非常少，是目前最先進的生命保障系統技術，引領著未來的發展趨勢。航天服蒸發-吸收-輻射系統的主要組件是氯化鋰吸收輻射器和空間水膜蒸發器。空間水膜蒸發器通過多孔滲水纖維蒸發水來形成冷量；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構中，該結構具有堅固、輕質且接觸面積大的特點。

2 航天服蒸發-吸收-輻射系統原理簡介

航天服蒸發-吸收-輻射系統利用氯化鋰水溶液獨特的性質來解決在熱控系統中保存水的問題。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，可以驅動熱量傳遞，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向空間排出的水的質量；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。從空間水膜蒸發器中吸收熱蒸發的水蒸氣，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，而純水和溶液達到兩相平衡需要更高的溫度，利用該特點，可以進行熱量的驅動。舉例來說，在20℃時，空間水膜蒸發器里的蒸汽壓比在45℃時45%氯化鋰溶液的蒸汽壓高。因此，當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℃的空間水膜蒸發器中流向氯化鋰吸收輻射器。這是航天服蒸發-吸收-輻射系統在吸收工況時的基本工作原理。當這個過程繼續時，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進行，需要保證在吸收工況結束時，溶液溫度降低到仍然可以向環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動水再生流回。對于航天服蒸發-吸收-輻射系統來說，濃縮溶液需要在120℃溫度下加熱數小時以獲得再生水。

壓力服內，航天員新陳代謝產生的熱量被水吸收并在液體冷卻服（LCG）內循環流動。液體冷卻服與空間水膜蒸發器構成循環回路，溫暖的液體離開液體冷卻服流經空間水膜蒸發器。空間水膜蒸發器與傳統的升華器相比，是更加輕便的生命支持系統。空間水膜蒸發器的核心是疏水多孔空心纖維，液體在纖維束內部循環流動，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部液體泄露出去。由于空間水膜蒸發器殼壁上的水蒸氣壓力非常低，因而循環水會蒸發，通過蒸發可以使得流動液體在返回液體冷卻服之前溫度降低。

空間水膜蒸發器較低的水蒸氣壓力可以使得水在20℃時蒸發，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行散熱。因為溶液對于水蒸氣具有極高的吸附力，在30℃或者更高循環水溫度條件下，可以維持氯化鋰吸收輻射器內部的水蒸氣壓力遠低于空間水膜蒸發器內部壓力。所以，壓力服內產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計得足夠大。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出來，讓氯化鋰吸收輻射器回到初始狀態。

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劃時，通過直接向環境排散空間水膜蒸發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部結構設計

基于上述原理，NASA設計生產了一個面積約為0.0929m2的氯化鋰吸收輻射器面板原型。該面板結構強度足夠大，滿足預期的壓力載荷指標。該面板內部為蜂窩式結構，并在其中填充海綿狀的氯化鋰。氯化鋰吸收輻射器由2塊機械加工的石墨平板嵌入一組吸熱海綿體構成，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行分隔，熱量可以通過薄壁從吸熱海綿體傳導到輻射表面。薄的平板內壁與輻射面有相同的結構，用于封裝氯化鋰吸收輻射器，并使得整體結構維持一定的剛度。蜂窩單元側壁是有孔的，允許水蒸氣流動穿過氯化鋰吸收輻射器。在薄的平板表面，設計有簡單的集流管，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-吸收-輻射系統性能真空測試

為考察航天服蒸發-吸收-輻射系統的性能，NASA對其進行了地面真空測試。該測試由內外2個循環構成，外部循環生成水蒸氣，內部循環檢測氯化鋰吸收輻射器對于水的吸收和再生性能。在外部循環中，通過加熱器使得水蒸氣溫度維持在20℃。外部循環生成的水蒸氣流入真空罐進入內部循環，依次流經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。測量數據顯示，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，穩定運行超過3h。在平均溫度316K（43℃）時結束吸熱。冷卻套的溫度變化非常平穩，在測試開始的時候大約為180K，在試驗中逐漸降低到170K（溫度變化僅在2%左右，與氯化鋰吸收輻射器不同）。蒸發器入口溫度在整個測試中大約維持在25℃。蒸發器的溫差從循環開始時的2℃逐漸降低到1.5℃。蒸發器的流量為380g/min，意味著傳熱功率從測試開始的53W逐漸降低到結束時的40W。蒸發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完成水再生，原因是蜂窩式的設計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℃。隨著水蒸氣的蒸發并被抽走，氯化鋰吸收輻射器內的壓力逐漸降低，而氯化鋰溶液的濃度逐漸升高。由于蜂窩式的設計增大了接觸面積，進而提高了效率。與NASA早先設計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計劃在“國際空間站”進行新一代航天服熱控系統的飛行演示驗證，該計劃將在2017年實施。

5 結束語

我國航天事業發展迅猛，目前正在積極開展空間站及月球探測的研究工作，航天員將會進行長期的出艙探測活動，因而必須加強艙外航天服熱控技術的研究和系統開發。但我國的載人航天技術起步較晚，與美國等西方發達國家還存在一定差距，航天服熱控技術的研究差距更大。因此，要充分借鑒西方在航天服熱控方面的先進技術和經驗，并不斷地進行自主創新。一方面，加強針對空間環境的專項研究工作，獲得不同層次空間環境的不同特點，做到有的放矢；另一方面，采用試驗與理論研究相結合的方法，加強新型航天服熱控技術的研究，如此才能實現我國航天服技術的快速發展。

航天服蒸發-吸收-輻射系統是一種最新的航天服熱控方案，在減輕質量、散熱效果方面效果良好，盡管尚未實際應用，但設計思路對我國艙外航天服的熱控設計都有很好的借鑒意義。我國航天員尚未經歷長期在軌任務考驗，對于攜帶的水資源的質量方面考慮較少，而利用水的循環再生來達到減輕質量的設計思想，對于未來我國航天服和長期在軌航天器的設計具有重要的啟示。