多孔板結冰自強化效應對水升華器性能的影響

劉暢，寧獻文，苗建印，王玉瑩，呂巍，王錄

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

水升華器作為一種消耗性熱控裝置，具有干質量輕、體積小、效率高、耗費少、可靠性高等優點，且能適應不同重力場，曾在國內外航天器熱控及生保系統中得到多次成功應用[1-8]。水升華器一般與流體回路結合使用，通過流體回路工質的循環流動收集熱量，由水升華器進行熱排散，實現控溫。

從20世紀60年代開始，美國Hamilton Standard公司、NASA載人航天中心等多家機構就率先開展了關于升華器技術的研究，對升華器的一維穩態散熱特性[3-8]、工作模式[9]等進行了深入研究，得出了影響升華器散熱性能的主要因素，包括供水壓力、熱負荷條件、真空度等外部因素，以及傳熱熱阻、多孔介質厚度、孔徑、孔隙率等水升華器自身結構參數。對于水升華器的防擊穿能力研究，馬歇爾中心于20世紀60年代末提出了對多孔板進行疏水處理的辦法，提高液體滯留能力，從而提高防擊穿能力[3]；NASA約翰遜空間中心研制出了一種采用兩種孔徑多孔介質相結合的兩級供水式防污染水升華器[10]，小孔介質用于過濾給水中污染物，從而減少因污染物進入多孔介質內部、逐漸堵塞多孔板并阻礙蒸發/升華相變過程而導致的水升華器擊穿；通過水升華器給水腔結構優化，避免熱流集中[11]，也是提高水升華器防擊穿能力的手段。

20世紀90年代，袁修干等針對艙外航天服用水升華器也開展了較多的研究[12-14]，如多孔板參數、供水壓力等因素對水升華器散熱性能的影響。吳志強和沈力平[15]還針對多孔板憎水涂層對水升華器防擊穿能力及散熱性能的影響進行了研究。中國空間技術研究院也主要針對探月工程三期嫦娥五號用水升華器的瞬態啟動特性及穩態散熱性能開展了相關研究工作[16-19]。

然而，由于水升華器工作過程涉及復雜的氣-液-固相變傳熱傳質耦合過程，目前國內外關于水升華器開展的理論研究較為匱乏，主要通過實驗手段進行研究。同時，以上主要是從宏觀參數上對水升華器性能進行研究，涉及多孔板參數時，均假定水升華器工作過程多孔板參數不會發生改變。而水升華器啟動及運行時，多孔板內部發生的結冰膨脹過程會對多孔板微結構進行再加工，從而影響水升華器防擊穿能力、穩態散熱功率等宏觀性能，這方面的相關研究還未見報道。本文在對水升華器工作機理及多孔板微孔演化機理進行分析的基礎上，針對多孔板結冰自強化微觀效應對水升華器宏觀性能的影響開展了實驗研究，獲得了一定規律。

1 水升華器工作原理及多孔板結冰自強化

1.1 水升華器的工作原理及擊穿

研究對象為平板型水升華器，主要由多孔板、給水腔和冷板構成，如圖1(a)所示, 圖中，Psat為相變界面處飽和蒸汽壓力;Pw,in為入水孔處供水壓力；Tf,in為流體回路入口處工質溫度；Tf,out為流體回路出口處工質溫度。水升華器啟動后，液態水工質依次流入給水腔和多孔板，暴露在高真空環境下，由于環境壓力遠小于水的三相點壓力，液態水會迅速蒸發吸熱，后續水溫迅速下降，直至在多孔板內結冰，阻止水工質進一步流入；冰在真空中直接升華為水蒸汽，繼續吸熱；在熱負荷作用下，冰層逐漸消失，液態水再次蒸發、結冰，開始新的升華過程。由水工質的相變制冷過程，實現散熱。

水升華器啟動過程中，容易發生擊穿現象，即液態水沒有經過凝固相變而直接穿過多孔板進入真空環境。液態水穿出水升華器后，表面壓力驟降，將快速結冰，如圖1(b)所示。擊穿會大大降低水的利用率，嚴重削弱水升華器的散熱能力，甚至導致水升華器完全失效。擊穿是水升華器的主要失效模式，且流體回路溫度越高，該現象越容易發生[8]。由于水升華器啟動過程中結構熱容的瞬態效應，不利于水工質的降溫結冰，因此相對于穩定工作過程，啟動過程更容易發生擊穿。

1.2 多孔板的結冰自強化機理及驗證

1.2.1 多孔板結冰自強化機理

本文研究的水升華器采用的多孔板為不銹鋼粉末燒結多孔板[20-22]，其與致密不銹鋼材料應力-應變規律類似，具有形變硬化現象，即材料在一定條件下被預拉(或壓)到強化階段(屈服階段)，然后卸載應力，材料會產生一定的塑性變形，且再次進行應力加載時，材料彈性比例極限會得到提高，塑性將會降低。

對于結冰過程，相同質量的液態水轉化為固態的冰后，體積將增加約10%，即會發生結冰膨脹現象。白莉[23]、康永水[24]等的試驗表明：在負溫環境下，巖體中的水結冰產生的體積膨脹，會對巖石骨架產生附加應力(凍脹力)從而引起凍脹變形。

從微觀角度上看，水升華器啟動運行之后，與巖石凍脹變形過程類似，水工質在多孔板內的結冰膨脹過程會對結冰位置附近的微孔造成擠壓，平行于給水方向的顆粒受壓，導致冰層上下表面附近的局部區域孔徑尺寸變小，而結冰位置處由于相互擠壓，垂直于給水方向的微孔尺寸基本不變。水升華器工作過程多孔板內冰層很薄，在多孔板厚度方向占比小，其余部分均受到擠壓變形，多孔板微孔演化示意圖見圖2。因此，水升華器工作后，多孔板上部與下部孔徑減小，使得多孔板平均孔徑減小，整體滲透率降低。

因此可以推測，水升華器多次運行后，由于結冰膨脹會對多孔板進行應力加載，使多孔板發生塑性變形與彈性變形。經過多次形變硬化作用，多孔板塑性逐漸降低，每次運行后塑性變形量將逐漸減小，多孔板結構參數也將逐漸固化。將水升華器工作階段多孔板內結冰膨脹對多孔板進行的老化“再加工”過程定義為多孔板的自強化。

宏觀上，多孔板自強化效應對水升華器的影響主要有：① 由于多孔板平均孔徑減小，將導致啟動過程中相同條件下水工質在多孔板內流動阻力變大，流速變慢，蒸發界面向真空側移動速度變慢，從而不易發生擊穿，防擊穿能力將會得到提升；② 由于平均孔徑減小，多孔板滲透率減小，相同條件下，水蒸汽質量流量減小，有效相變散熱面積減小，這將導致水升華器工作過程穩態散熱功率減小，在多孔板結構參數趨于穩定后，散熱功率將會趨于穩定。

1.2.2 多孔板結冰膨脹機理的初步驗證

為驗證內部結冰膨脹過程對多孔板的宏觀影響，考慮對多孔板進行滲透率測試。為避免拆卸過程導致的多孔板破壞及其他可能引入的未知影響，且考慮到多孔板測試過程本身會對多孔板結構造成的影響，因此，不對實驗用多孔板進行測試，而是采用同批次多孔板開展相關驗證實驗。

對未經過前文實驗的同批次生產的4塊多孔板試件進行浸泡凍結實驗，即，將試件整體浸泡在去離子水中進行凍結后烘干，凍結前后均按照標準GB/T 5250-1993進行試件滲透率測試，測量結果見表1。由表可知，與凍結前的多孔板相比，凍結后試件滲透率均增大約30%～40%。結冰膨脹作用對多孔板的影響非常顯著，會使多孔板發生塑性變形。

該實驗與水升華器實際工作過程并不完全一致，試件被全部浸泡在水中進行凍結，因此試件整體會受到膨脹作用，從而導致滲透率增大。而水升華器工作過程多孔板內僅有部分位置會結冰(很薄一層，在多孔板厚度方向占比很小)，其余部分均受到擠壓，因此可以推斷，多孔板內冰層上下表面附近受到明顯的擠壓作用，最終使得多孔板整體滲透率減小的結論是成立的，通過本實驗可以間接證明該機理是正確的。

表1 多孔板試件凍結前后滲透率測量結果

2 水升華器多孔板自強化實驗

2.1 實驗件與實驗系統

本文的實驗系統如圖3所示，由以下4個部分組成：① 真空系統，包括真空罐、真空機組等；② 數據采集系統，對實驗中溫度、壓力、流量等數據進行實時測量與采集,采用銅/康銅熱電偶測量溫度，測溫誤差在±0.2 ℃內,采用ZJ-1P型壓阻真空規管測量真空罐內壓力，測量精度為±1.0%,采用LWGYC-4型渦輪流量傳感器測量工質流量，測量誤差在±0.5%內；③ 熱負荷加載系統,熱負荷由模擬流體回路系統提供，具有工質溫度、流量連續可調功能；④ 水升華器實驗件及其供水系統,水升華器實驗件為平板型，通過冷板與模擬流體回路進行熱耦合。實驗過程中，實驗件固定于真空罐內，水工質貯存在貯箱中，通過給水管路供給水升華器。

2.2 自強化實驗

2.2.1 實驗工況

為考察水升華器的自強化效應，對新裝配的水升華器進行啟動實驗。水升華器實驗件共3件，編號為1#、2#、3#。實驗件多孔板滲透率的原始數據及啟動條件見表2。實驗件啟動給水壓力均為(17±0.5)kPa。

為考察多次運行過程自強化現象對水升華器穩態散熱功率的影響情況，在相同熱負荷條件下，對實驗件1#、2#進行4次啟動實驗；為考察自強化現象對水升華器防擊穿性能影響情況，提高流體回路冷板入口溫度直至高于實驗件可承受的極限溫度(由前期研究得出，本文為(45±0.5)℃)，對實驗件3#進行高溫啟動，發生擊穿后，對3#進行狀態恢復。降低冷板入口溫度，進行一次成功啟動，之后仍進行高溫啟動，考察水升華器防擊穿性能的變化。

表2實驗件多孔板滲透率及啟動條件

Table2Porousplatepermeabilityandstartupparametersofspecimen

實驗件1#2#3#多孔板滲透率/(10-13m2)1.31.021.4冷板入口溫度/℃20±0.520±0.545±0.5工質體積流量/(L·h-1)150±2150±2100±2

2.2.2 實驗結果及分析

1) 自強化對穩態散熱功率的影響

水升華器1#與2#前4次啟動均成功，穩態散熱功率隨啟動次數變化的情況見圖4(a)。其中，水升華器1#每次啟動實驗中冷板進出口溫度見圖4(b)。由圖4可知，不同水升華器在同一條件下多次啟動，每次啟動后穩態散熱功率均隨啟動次數的增加而減小，且每次減小的幅度逐漸降低，3～4次啟動后，穩態散熱功率趨于恒定。

這是由于：對于水升華器的初始幾次啟動，多孔板經過結冰膨脹的“再加工”過程，會產生塑性形變。停止實驗后，多孔板參數相對于實驗前發生了改變，總體滲透率減小。因此，下一次相同條件啟動時，由于多孔板滲透率減小，水蒸汽流阻變大，質量流量減小，有效蒸發/升華散熱面積減小，從而導致不同次啟動之間，穩態散熱功率會下降。

隨著啟動次數增多，多孔板結構經過形變后固化，一定啟動次數之后，多孔板彈性比例極限得到提高，多孔板受到結冰膨脹作用后只發生彈性形變，不再產生塑性形變，多孔板參數會逐漸固化。因此，一定啟動次數之后，水升華器穩態散熱功率趨于穩定。這與前文的理論定性分析結果是相符的。

對水升華器的穩態散熱功率Q與啟動次數x之間的關系進行擬合，可得

Q(x)=Q∞(1+A0e-x/τ)

(1)

式中：Q(x)為水升華器第x次啟動之后的穩態散熱功率；Q∞為特定工況下水升華器的本征穩態散熱功率，由水升華器的結構形式、結構參數(給水腔厚度、多孔板初始孔徑、厚度、孔隙率、滲透率等)、給水壓力、熱負荷(流體回路溫度及流量)等參數決定，表示理論上經過無限次啟動、多孔板參數完全固化后在特定工況下水升華器的穩態散熱功率；A0與τ為擬合常量。

對于實驗件1#與2#，分別有

Q1#(x)=283.3(1+1.39e-x/0.77)

(2)

Q2#(x)=287.2(1+1.93e-x/0.42)

(3)

對式(1)變形，可得穩態散熱功率與Q∞之間的偏差為

(4)

可見，穩態散熱功率與Q∞之間的偏差呈指數形式減小，A0與τ代表了穩態散熱功率的衰減速度，由水升華器的結構形式、結構參數(尤其是多孔板參數)決定。對于本文研究的水升華器，在給水壓力、熱負荷等條件相同的工況下，實驗件1#和2#分別啟動4次和3次之后，各自穩態散熱功率與相應Q∞的偏差將小于1%。

2) 多孔板滲透率與自強化的關系

比較圖4(a)中水升華器1#與2#的穩態散熱功率可知，多孔板滲透率越大的水升華器穩態散熱量隨啟動次數增加衰退得更嚴重。

這是由于：滲透率大的多孔板，孔隙結構強度小[20]，水升華器工作過程對多孔板再加工效果更明顯。類似原理，對于同一多孔板，水升華器第1、第2次啟動之間衰退程度大，第2、第3次啟動之間衰退程度小，該現象也是多孔板自強化過程的輔證。第1次啟動后，多孔板彈性比例極限得到提高，第2次啟動的加工效果也比第1次小。隨著啟動次數增多，多孔板逐漸經過自強化，強度逐漸提高，之后水升華器的運行過程對多孔板結構的影響也越來越小，最終多孔板參數逐漸固化。

3) 自強化對防擊穿性能的影響

水升華器3#在流體回路初始溫度45 ℃條件下，初次啟動時發生了擊穿。隨后對水升華器3#進行狀態恢復，其他條件不變，在流體回路溫度40 ℃條件下啟動，啟動成功。之后，水升華器3#再次狀態恢復后，其他條件不變，進行流體回路溫度45 ℃條件下的啟動，啟動成功。且之后在 45 ℃條件下啟動，均未再發生擊穿故障。說明水升華器3#在40 ℃條件下啟動成功后，經過多孔板自強化，防擊穿能力得到了加強。

這是由于水升華器在40 ℃條件下成功啟動后，經過多孔板自強化，多孔板平均孔徑減小，導致水工質在多孔板中流動阻力變大，流速變慢，蒸發界面向真空側移動速度變慢，從而不易發生擊穿，防擊穿能力得到提升，該現象也與前文理論定性分析結果相符。

3 結 論

本文從微觀角度分析了水升華器多孔板結冰自強化機理，并針對該現象對水升華器性能的宏觀影響開展了實驗研究。

1) 由于多孔板的自強化效應，水升華器在同一條件下多次啟動，穩態散熱功率隨著啟動次數的增加而減小，且每次減小的幅度逐漸降低。對于本文結構形式及參數的水升華器，啟動3～4次后，穩態散熱功率趨于穩定。由實驗數據得到了水升華器穩態散熱功率與啟動次數之間的擬合關系式。

2) 滲透率越大的多孔板，孔隙結構強度小，水升華器工作過程對多孔板的再加工程度越大，因而自強化效果更明顯。

3) 多孔板的自強化效應可以提升水升華器的防擊穿能力。

研究結果為中國嫦娥五號工程提供了一定的設計依據，并得到成功應用，有力支持了探月工程三期任務的研制工作。此外，本文還針對多孔板內部結冰膨脹微觀效應，開展了嘗試性的浸泡凍結實驗，實驗結果能夠間接驗證自強化機理，后續還可以通過可視化等手段針對該效應開展進一步的研究。

致 謝

感謝何江博士對本文實驗工作的指導及協助。