空間膜式水蒸發(fā)器研究概述

戴承浩，苗建印，何 江，王玉瑩

（北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）

0 引言

空間膜式水蒸發(fā)器（SWME）是一種依靠特殊的膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相變工質(zhì)分離的消耗型散熱裝置：只透氣不透液的半透膜內(nèi)側(cè)為相變工質(zhì)，外側(cè)的真空環(huán)境會加速工質(zhì)在膜內(nèi)側(cè)吸熱氣化，正常工作條件下半透膜只允許氣化的工質(zhì)透過膜上微孔，在質(zhì)量耗散的同時帶走工質(zhì)液-氣相變潛熱。作為一種新型主動熱控裝置，SWME 質(zhì)量輕、可靠性高、在一定背壓環(huán)境下也能高效熱排散，是解決空間短時大功率、工作次數(shù)有限、無法提供有效輻射散熱通道等情況下散熱問題的有效輔助裝置[1]。

NASA 于20 世紀(jì)70 年代開展過基于膜技術(shù)的高效蒸發(fā)散熱研究；近年來在X-37B 可重復(fù)使用飛行器、載人火星探測和長期駐留月球基地等項目的推動下，NASA 又重啟了SWME 的研究，現(xiàn)已研制出4 代原理樣機并進(jìn)行了地面試驗，但尚未開展飛行試驗。

本文對美國NASA 空間膜式水蒸發(fā)器的相關(guān)研究進(jìn)行了調(diào)研，分析并總結(jié)空間膜式水蒸發(fā)器（以下簡稱膜蒸發(fā)器）散熱工作原理、技術(shù)特點和發(fā)展趨勢，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 膜蒸發(fā)器研究背景

輻射散熱是航天器向外太空熱量排散的主要方式，但在某些特殊場合仍需消耗型散熱作為輔助措施，升華器和蒸發(fā)器是兩種典型的消耗型散熱裝置[2]。從20 世紀(jì)60 年代開始，水升華換熱裝置得到空間應(yīng)用并顯示出其輕質(zhì)小型、高效熱排散的特點，但幾十年的使用過程也暴露出升華多孔板對結(jié)冰、腐蝕物、污染物的敏感性以及升華器正常工作時的背壓限制。相比于升華器嚴(yán)苛的背壓限制，蒸發(fā)器無需結(jié)冰，因此可以在具有較高絕對壓力的空間環(huán)境使用，并避免了升華器多孔板相關(guān)問題。

空間應(yīng)用背景中，基于膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣-液分離，同時消耗工質(zhì)進(jìn)行熱排散的理論研究主要見于NASA 的公開報道。在先進(jìn)艙外機動單元的研制中，NASA 自20 世紀(jì)70 年代開展了高效膜蒸發(fā)散熱研究[3]，但在研制了一種膜蒸發(fā)/升華散熱器后就中止了該項目。考慮到水升華器的應(yīng)用限制，在2005 年NASA 開 展 的“ 星 座” 宇 航 服 計 劃（Constellation System Spacesuit Element，CSSE）中[4]，研究人員提出要研制一種新型基于多孔疏水膜的蒸發(fā)器（SWME）為航天員和電子設(shè)備散熱（參見圖1）。在滿足散熱指標(biāo)（真空環(huán)境中能在91 kg/h 的流量下實現(xiàn)810 W 的散熱能力，同時換熱工質(zhì)出口溫度控制在10 ℃左右）的基礎(chǔ)上，這種新型散熱裝置的特點為：1）能在水三相點壓力以上的多種壓力環(huán)境下工作，包括火星表面、近地空間等工作場合；2）對消耗型工質(zhì)（水）的質(zhì)量不敏感（甚至可以使用在軌飲用水）[5]，取消獨立的供水系統(tǒng)，直接耦合在流體回路；3）獨特的疏水半透膜可以對流體回路進(jìn)行脫氣，故取消回路的除氣裝置；4）方便航天員在軌維修替換。

圖 1 膜蒸發(fā)器連接到PLSS2.0 液冷服Fig. 1 SWME connected with LCVG of PLSS2.0

最近，為滿足我國航天事業(yè)快速發(fā)展對空間熱排散技術(shù)的更高要求，戴承浩等[1]也在該方向開展了相應(yīng)的理論分析和試驗研究。

2 美國膜蒸發(fā)器研制及試驗進(jìn)展

根據(jù)NASA 膜蒸發(fā)器的研制情況，可將其研究分為兩個階段：1）20 世紀(jì)70 年代到20 世紀(jì)末的早期探索階段，相關(guān)研究在對空間用膜蒸發(fā)器構(gòu)型進(jìn)行探索之后就被中止；2）2005 年以后依托“星座”宇航服計劃開展的基于兩種構(gòu)型膜蒸發(fā)器相應(yīng)的試驗研究。

2.1 膜蒸發(fā)器構(gòu)型探索

在NASA 公開的文獻(xiàn)報道中，20 世紀(jì)70 年代及90 年代末，研究人員設(shè)計了兩種膜蒸發(fā)器：一種為基于中空纖維的膜蒸發(fā)/升華散熱器，另一種為管式膜蒸發(fā)器。

1）中空纖維膜蒸發(fā)器的雛形

20 世紀(jì)70 年代初，AiResearch. Mfg 公司為NASA研制了一種膜蒸發(fā)/升華器（Membrane Evaporator/Sublimator），其構(gòu)型如圖2 所示。該蒸發(fā)/升華器內(nèi)部的列管是30～250 μm 的薄壁半透中空纖維，這種纖維管徑小，因此可以承受相對較高的壓力。在該裝置中半透中空纖維膜組件既傳輸熱量又傳輸質(zhì)量。當(dāng)流體流經(jīng)纖維管時，一部分水滲入纖維管壁，然后在殼側(cè)纖維表面發(fā)生相變。對纖維素和醋酸纖維素兩種膜材料組件進(jìn)行試驗，結(jié)果證明了通過半透薄膜的滲透蒸發(fā)實現(xiàn)冷卻的可行性，研究人員認(rèn)為控制該裝置散熱功能實現(xiàn)的關(guān)鍵部件是試驗時使用的應(yīng)用于“雙子星”艙外生命維持系統(tǒng)（Gemini chestpack ELSS）的高可靠性蒸氣/熱控閥。

圖 2 膜蒸發(fā)/升華器構(gòu)型Fig. 2 Configuration of membrane evaporator/sublimator unit

2）管式膜蒸發(fā)器的雛形

1999 年，約翰遜空間中心（JSC）的Ungar 和Thomas 開始研究管式膜蒸發(fā)器[6]并于2001 年研制出一種樣機（圖3），其結(jié)構(gòu)為單個環(huán)形薄膜水路通道，薄膜相向的內(nèi)側(cè)為連接流體回路的水路通道，薄膜外側(cè)為氣路，蒸發(fā)器腔內(nèi)保持真空狀態(tài)。該裝置實現(xiàn)了背壓48 Pa、流量90 kg/h、入口溫度15.6 ℃的條件下480 W 的散熱能力。

圖 3 早期管式膜蒸發(fā)器原理樣機Fig. 3 Principle prototype of original annuli SWME

2.2 應(yīng)用于“星座”計劃先進(jìn)艙外機動單元（EMU）的膜蒸發(fā)器

在早期構(gòu)型探索的基礎(chǔ)上，JSC 從2009 年開始分別研制出基于中空纖維膜組件和管式膜組件構(gòu)型的全尺寸原理樣機并進(jìn)行了散熱性能的對比試驗。

1）同軸套管式膜蒸發(fā)器（SAM SWME）

SAM SWME 基于管式膜組件，將6 片覆蓋在同軸管狀支撐網(wǎng)上的薄膜采用間壁式放置的方式構(gòu)成3 條同軸的環(huán)形水路通道，與水路通道相隔的即為用來排放水蒸氣的3 條氣路通道（圖4）[7]。在隨后的性能測試中，SAM SWME 的散熱能力遠(yuǎn)不及中空纖維膜蒸發(fā)器，考慮到管式膜蒸發(fā)器相對較低的膜比表面積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬網(wǎng)狀支撐以及大部分部件采用了較重的金屬結(jié)構(gòu)，其發(fā)展?jié)摿h(yuǎn)不如中空纖維膜蒸發(fā)器。

圖 4 SAM SWME 剖視圖及管式膜組件安裝前后示意Fig. 4 Cutaway view and pre & post assembly of SAM SWME

2）中空纖維膜蒸發(fā)器（HoFi SWME）

中空纖維膜蒸發(fā)器包括背壓控制閥、供液腔、集液腔、腔體、膜組件等，其工作原理見圖5。供液腔、集液腔與中間段腔體密封良好，兩腔僅依靠中空纖維管束相連—這些纖維膜上分布有只透氣不透液體的半透微孔，提供工質(zhì)流動通道和換熱表面（熱流體回路工質(zhì)走管程）；中間段腔體依靠背壓閥控制與外界真空環(huán)境的連通。

圖 5 中空纖維膜蒸發(fā)器工作原理示意Fig. 5 Operation principle of HoFi SWME

整個系統(tǒng)采用一套流體回路，膜蒸發(fā)器直接耦合到回路中，水工質(zhì)進(jìn)入集液腔內(nèi)后以一定的壓力流入中空纖維管束；由于液態(tài)水和中間段腔體僅依靠半透膜提供隔離屏障，所以在氣路上是相對連通的，當(dāng)膜外腔體側(cè)壓力足夠小（小于內(nèi)側(cè)膜面溫度下水相應(yīng)的飽和蒸氣壓）時，在中空纖維膜管內(nèi)流動的水工質(zhì)會加速在內(nèi)側(cè)膜表面附近氣化（類似閃蒸的過程）；產(chǎn)生的蒸氣在膜兩側(cè)氣壓差的推動下由纖維膜壁上的半透微孔排到中間段腔體，再經(jīng)由背壓閥排放到外部環(huán)境中，只要蒸氣排出速率足夠快，不至于引起腔體內(nèi)壓力過高，則相變過程就能夠持續(xù)進(jìn)行；未發(fā)生相變的水工質(zhì)繼續(xù)沿著纖維管到達(dá)集液腔。由于部分水工質(zhì)攜帶潛熱以氣相分離，帶走了回路流體的部分熱量，從而通過質(zhì)量耗散的方式實現(xiàn)該回路流體的自我卻冷。

第一代中空纖維膜蒸發(fā)器有很高的膜比表面積，中空纖維管可以提供0.6 m2的散熱面積（而現(xiàn)有的EMU 中水升華器僅能提供0.03 m2的散熱面積），散熱面積的增加使其抗污染能力提高，理論上膜蒸發(fā)器可以支撐100 次EVA（單次EVA 工作時間為8 h）[8]。在此基礎(chǔ)上，研究人員從2010 年開始又研制了三代新型膜蒸發(fā)器，表1 對四代中空纖維膜蒸發(fā)器的特點進(jìn)行了總結(jié)。

前兩代中空纖維膜蒸發(fā)器原理樣機研制完成后，進(jìn)行了一系列性能試驗[8-9]，情況如表2 所示。

表 1 四代中空纖維膜蒸發(fā)器特點Table 1 Characteristics of SWME of four generations

表 2 前兩代中空纖維膜蒸發(fā)器性能試驗Table 2 List of experiments for Gen1 & Gen2 HoFi-SWME

2.3 空間膜式水蒸發(fā)器研制的發(fā)展趨勢

綜上所述，NASA 新型膜蒸發(fā)器的研究注重于進(jìn)一步優(yōu)化膜蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，提升散熱性能，增強其在不同工作場合下的適應(yīng)性。其發(fā)展趨勢表現(xiàn)為：1）研制更加靈活、適應(yīng)各種應(yīng)用場合的不同尺寸、外形的膜蒸發(fā)器；2）研制質(zhì)量更輕、強度更高的膜組件框架，減少膜蒸發(fā)器系統(tǒng)的資源占用；3）研究膜蒸發(fā)器在復(fù)雜壓力環(huán)境下穩(wěn)定運行的控制機制；4）研制新型高可靠性、高性能的背壓控制閥，以期進(jìn)一步提升膜蒸發(fā)器的散熱性能。

3 結(jié)束語

NASA 早在20 世紀(jì)70 年代就已研制了基于膜結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)散熱裝置，且于2010 年前后開展了更為先進(jìn)的第四代中空纖維膜蒸發(fā)器原理樣機的研制和試驗工作，并在其未來的新型宇航服系統(tǒng)中進(jìn)行了地面聯(lián)合試驗。雖然基于半透微孔膜的蒸發(fā)散熱技術(shù)尚未進(jìn)行飛行驗證，但NASA 開展的原理樣機研制及相關(guān)試驗結(jié)果表明：基于半透微孔膜的蒸發(fā)散熱技術(shù)可以有效解決空間短時大功耗的散熱問題，不僅可以應(yīng)用于空間真空環(huán)境，在稀薄大氣環(huán)境下也有較好的散熱性能，而且具有更強的抗污染能力。這也是其與升華器最主要的不同之處，所以膜蒸發(fā)器作為輔助散熱裝置在宇航服熱管理、大功率航天器短時熱排散、再入/進(jìn)入階段無常規(guī)散熱通道等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

本文通過梳理NASA 在膜蒸發(fā)器領(lǐng)域開展的研究工作和主要成果，初步揭示了膜蒸發(fā)器的散熱特性以及影響散熱性能的關(guān)鍵因素，為我國后續(xù)開展的基于膜結(jié)構(gòu)的高效蒸發(fā)散熱裝置研究提供借鑒。