空間塵粒靜電除塵模塊設(shè)計與試驗驗證

唐 旭，季啟政，馮 娜，張 宇，李 犇，高志良，楊 銘，王 海

（1.北京東方計量測試研究所，北京 100086； 2.陸軍工程大學(xué)，石家莊 050003；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

在航天員進(jìn)行出艙活動時，空間等離子體環(huán)境與航天服相互作用會導(dǎo)致航天服帶電[1-2]，同時航天器運(yùn)行時的發(fā)動機(jī)尾流、材料放氣等會釋放空間塵粒等污染物。空間塵粒會在庫侖引力作用下附著于航天服[3]，一旦隨航天服進(jìn)入氣閘艙會擴(kuò)散到空間站內(nèi)，對航天員的健康及儀器設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅[4]。

對此，主要應(yīng)對技術(shù)方案是電除塵。在舊式電集塵器研究上，Navarrete[5]等研究了特定應(yīng)用的電除塵設(shè)計和尺寸規(guī)范，并得到了有利于實際效率提高的寬板間距、新電極幾何形狀等參數(shù)；ABB 公司[6]研究開發(fā)了一種先進(jìn)的數(shù)值模型，能通過電除塵器的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)推演出其塵粒捕集性能，并使用可視化工具顯示相應(yīng)結(jié)果。而較為前沿的靜電場除塵（electrostatic field precipitation, EFP）技術(shù)[7]是一種通過放電等離子體對塵粒荷電，并由電場收集模塊去除空氣中的被荷電塵粒的方法。應(yīng)用該技術(shù)的集塵器通常分為前后兩段，在前段通過電暈放電產(chǎn)生等離子體對空氣中的塵粒進(jìn)行預(yù)荷電，被荷電的帶電塵粒飛入后面的集塵段后，經(jīng)電場作用被收集到集塵極上進(jìn)而被清除。

本文主要以空間站運(yùn)行時周圍存在的發(fā)動機(jī)尾流、剝蝕效應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化物及發(fā)射過程中產(chǎn)生并隨航天器進(jìn)入空間中的自然塵等空間塵粒為研究對象，分析空間塵粒的靜電荷電與靜電吸附機(jī)理；并引入多依奇（Deutsch）捕集效率模型[8]，以提高空間塵粒捕集效率為目標(biāo)，對影響捕集效率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵電壓參數(shù)進(jìn)行仿真研究，得到具有最優(yōu)捕集效率的EFP 模塊設(shè)計參數(shù)；然后對依據(jù)設(shè)計參數(shù)加工得到的EFP 模塊開展驗證試驗。

1 空間塵粒的組成及介電參數(shù)

航天員出艙活動時面臨的空間環(huán)境污染一般包括：

1）發(fā)動機(jī)尾流，多為未完全燃燒的燃料肼、液態(tài)氫及其燃燒產(chǎn)物等；

2）電推進(jìn)劑，包括Ne、Ar 離子等；

3）空間原子氧剝蝕產(chǎn)生的金屬氧化物等；

4）航天器運(yùn)輸、發(fā)射過程中沾染的自然塵等。

空間塵粒典型物質(zhì)的粒徑范圍一般在0.01～10 μm[3]，其相對介電常數(shù)εr如表1 所示。

表1 空間塵粒典型物質(zhì)的相對介電常數(shù)Table 1 Relative permissivity of typical space dust particles

2 EFP 前段塵粒荷電

EFP 前段電暈放電等離子體的離子荷電區(qū)內(nèi)存在2 種不同的對塵粒荷電機(jī)理：1）離子在靜電力作用下做定向運(yùn)動，與塵粒碰撞使塵粒荷電，稱為場致荷電；2）離子的擴(kuò)散現(xiàn)象導(dǎo)致塵粒荷電，稱為擴(kuò)散荷電[9]。這2 種荷電機(jī)理在原理上與電暈放電等離子體及空間塵粒的性質(zhì)有關(guān)，由于EFP 模塊擬設(shè)計在空間站氣閘艙內(nèi)使用，其環(huán)境大氣組成與地面大氣基本相同，故電暈放電性質(zhì)與地面相同，場致荷電與擴(kuò)散荷電分析基本方法與地面一致。

2.1 場致荷電

在不考慮塵粒碰撞及離子二次效應(yīng)的情況下，在電暈放電的遷移區(qū)，等離子體中的正離子受電場力作用會沿著電場線運(yùn)動；當(dāng)塵粒進(jìn)入電場后，塵粒周圍的電場線將正離子偏轉(zhuǎn)到塵粒上，未荷電塵粒能把離子吸向自身，繼而產(chǎn)生排斥電場阻止離子向塵粒運(yùn)動，直至荷電飽和。圖1 為場致荷電情況下塵粒流經(jīng)的電暈放電區(qū)域的離子分布；圖2 為塵粒荷電初始狀態(tài)和飽和狀態(tài)時塵粒周圍的電場線和等電位線分布情況。

圖1 電暈放電區(qū)域的離子分布Fig.1 Ion distributions in corona discharge area

塵粒荷電前、后均滿足拉普拉斯方程

在極坐標(biāo)系中，通過求解具有邊界條件的拉普拉斯方程，可得塵粒周圍r方向和θ方向的電場（參圖3所示）分別為：

圖3 未荷電的球形塵粒Fig.3 An uncharged spherical dust particle

當(dāng)θ=-π 處的Erp=0 時，塵粒荷電飽和。此時的荷電飽和量qp和荷電的電子數(shù)ne分別為：

式(1)～式(5)中：ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；qe為單位電子的電荷量，qe=1.60×10-19C；εr為塵粒的相對介電常數(shù)；d為塵粒直徑（粒徑）；E0為放電極周圍的電場強(qiáng)度。

將EFP 荷電區(qū)域中的電場設(shè)計為針尖-極板電場，在計算時假設(shè)E0為勻強(qiáng)電場。利用電場分析軟件對電場E0的取值進(jìn)行模擬分析，得到如圖4 所示的電場分析圖。可以看到，荷電部分的電場強(qiáng)度最小值為1.287×104kV/m，最大值為3.719×106kV/m。根據(jù)電場的分布情況，在計算荷電量時取電場典型值為E0= 7.541×105kV/m。在此條件下，對有關(guān)空氣潔凈度標(biāo)準(zhǔn)[10]關(guān)注的0.2 μm、0.5 μm 和1.0 μm 粒徑的典型空間塵粒進(jìn)行仿真計算，其飽和荷電電子數(shù)（取整數(shù)）與粒徑的關(guān)系如表2 所示，其中空間塵粒的相對介電常數(shù)參表1 給出。可以看到，各種空間塵粒的飽和荷電電子數(shù)均隨粒徑的增大而增加。

表2 典型空間塵粒飽和荷電電子數(shù)（取整數(shù)）與粒徑的關(guān)系Table 2 Relationship between the numbers of saturated charged electrons (rounded to an integer) and sizes for typical space dust particles

2.2 擴(kuò)散荷電

擴(kuò)散荷電是電暈放電等離子體作熱運(yùn)動與塵粒相碰撞產(chǎn)生的塵粒荷電形式，不依賴于外加電場，只與離子熱運(yùn)動的速度以及塵粒周圍的離子密度有關(guān)。場致荷電時塵粒的荷電量和外加電壓密切相關(guān)，且隨粒徑的減小荷電量迅速減小，因此在涉及弱電場或微小塵粒的問題時必須考慮擴(kuò)散荷電。

擴(kuò)散荷電作用下，荷電的電子數(shù)為

式中：k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為溫度；t為擴(kuò)散荷電的作用時間；qi為離子電荷量；N0為未受干擾處的離子數(shù)密度；m為電暈放電的離子質(zhì)量。

T取室溫300 K；N0為荷電模塊內(nèi)的離子數(shù)密度，取為1016/m3；空氣經(jīng)電離放電后的離子主要為，帶單位電荷正電，m為4.65×10-26kg。如此，按式(4)計算得到t時刻典型空間塵粒上的擴(kuò)散荷電電子數(shù)，如表3 所示。

表3 t 時刻空間塵粒上的擴(kuò)散荷電電子數(shù)Table 3 Number of diffused charged electrons on space dust particles at time t

2.3 綜合作用

綜合場致荷電與擴(kuò)散荷電作用的最簡單方法是將場致荷電接近飽和時的飽和荷電量與擴(kuò)散荷電量相加，即

而荷電飽和時間與t0有關(guān)，

式中ki為離子遷移率[12-14]，空氣中取2.2×10-4m2/(s·V)。當(dāng)t=20t0時，場致荷電達(dá)到飽和值的99%，可近似認(rèn)為達(dá)到了荷電飽和。

CORTéS 研究團(tuán)隊[5]對相關(guān)問題進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，對于直徑為0.04～1 μm 的塵粒，其直徑與離子的平均自由程λ具有同一數(shù)量級，在綜合考慮場致荷電和擴(kuò)散荷電的作用時，塵粒的荷電電子數(shù)可按

計算。該理論計算值與試驗實測值的對比如圖5 所示，可以看到二者相當(dāng)吻合。

圖5 塵粒荷電電子數(shù)的實測值與綜合理論計算值對比Fig.5 Comparison between measured values and theoretical values of charged electron numbers of dust particles

3 EFP 后段荷電塵粒收集

被荷電塵粒在電場力的作用下驅(qū)向集塵極。集塵模塊以電介質(zhì)材料包裹電極片，形成蜂窩狀中空微通道；電極片交替接通直流電壓（+）與接地端子（GND），在中空的微通道內(nèi)形成強(qiáng)電場，如圖6 所示。在風(fēng)機(jī)驅(qū)動下，含有預(yù)荷電顆粒污染物的空氣進(jìn)入高壓介質(zhì)場集塵部分。在高壓介質(zhì)場微通道中，荷電顆粒將電荷交給集塵電極并沉附在集塵電極上，實現(xiàn)顆粒污染物凈化的效果。

圖6 EFP 模塊結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure diagram of EFP module

3.1 Deutsch 捕集效率公式

EFP 集塵模塊為管式集塵，忽略電風(fēng)的影響，并假設(shè)塵粒是球形且塵粒密度在垂直于氣流的截面上處處相等。在塵粒粒徑固定的條件下，基于上述假設(shè)，Deutsch 推導(dǎo)出著名的捕集效率計算公式[8]

式中：A為通道集塵極的面積；Q為單位時間的進(jìn)風(fēng)量；w為驅(qū)進(jìn)速度，w=[(qEp)/(6πμr])C，其中，q為塵粒荷電量；Ep為集塵極內(nèi)的電場強(qiáng)度；μ為氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)[7]，常溫下取值為1.84×10-5kg/(m·s)；r為塵粒的半徑；C為大氣中分子滑動系數(shù)。

EFP 集塵模塊的通道單元結(jié)構(gòu)如圖7 所示。圖中，V1為激勵高壓、V0接地，在介質(zhì)微通道中形成均勻電場；通道的高度為D、寬度為b、長度為l，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為v，則有：

圖7 EFP 模塊的通道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)及激勵電壓Fig.7 Structural parameters and excitation voltage of FEP module’s channel unit

將式(11)～式(13)代入式(10)，則有

3.2 風(fēng)速與捕集效率的關(guān)系

為研究風(fēng)速v與捕集效率η的關(guān)系，對風(fēng)速1～30 m/s 范圍進(jìn)行數(shù)值模擬（本文以下仿真均以0.5 μm 和1.0 μm 兩種直徑的塵粒為研究對象）。計算時，其他參數(shù)設(shè)定為集塵通道長度l=5 cm、高度D=2 mm，激勵電壓V1=10 kV，得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 風(fēng)速v 與捕集效率η 的關(guān)系Fig.8 Relationship between wind speed v and trapping efficiency η

可以看出，在風(fēng)速為1～15 m/s 范圍內(nèi)，塵粒捕集效率達(dá)95%以上；在風(fēng)速15～20 m/s 范圍內(nèi)，塵粒捕集效率在90%以上，基本可滿足EFP 模塊作為亞高效除塵模塊使用的要求。

3.3 通道長度與捕集效率的關(guān)系

在v=20 m/s 條件下仿真計算捕集效率η隨通道長度l的變化。計算時，其他參數(shù)設(shè)定為集塵通道高度D=2 mm、激勵電壓V1=10 kV，得到仿真結(jié)果如圖9 所示。可以看到，η隨l的增加而增加，但增幅逐漸減小；若設(shè)計通道長度在4～6 cm 范圍內(nèi)，則捕集效率可達(dá)85%～93%。

圖9 通道長度l 與捕集效率η 的關(guān)系（v=20 m/s）Fig.9 Relationship between channel length l and trapping efficiency η when v is 20 m/s

3.4 通道高度、激勵電壓與捕集效率的關(guān)系

選取v=20 m/s、l=5 cm，仿真計算塵粒捕集效率η與通道高度D、激勵電壓V1之間的關(guān)系，得到典型直徑（0.5 μm 和1.0 μm）塵粒的捕集效率仿真結(jié)果分別如圖10 和圖11 所示。

圖10 通道高度D、激勵電壓V1 與捕集效率η 的關(guān)系（塵粒直徑0.5 μm）Fig.10 Influence of channel height D, excitation voltage V1 on trapping efficiency η when dust particle diameter is 0.5 μm

圖11 通道高度D、激勵電壓V1 與捕集效率η 的關(guān)系（塵粒直徑1.0 μm）Fig.11 Influence of channel height D, excitation voltage V1 on trapping efficiency η when dust particle diameter is 1.0 μm

分析圖中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，η隨D的減小及V1的增大而增加。但考慮到通道高度D減小的同時增大激勵電壓V1會產(chǎn)生極高電場，一旦造成材料擊穿則會導(dǎo)致集塵功能失效，因此設(shè)計通道時參數(shù)D與V1的取值應(yīng)綜合考慮空氣擊穿風(fēng)險。

4 EFP 模塊改進(jìn)與試驗

根據(jù)第1 章和第2 章的仿真分析，設(shè)計EFP 模塊的各個參數(shù)，包括通道的高度D、寬度b、長度l，以及進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速v和激勵電壓V1。考慮到模塊實際工作時存在其他影響除塵效率的因素，采取以下手段意在提升EFP 模塊捕集效率——將集塵極由原來的平行極板改為復(fù)雜的高壓介質(zhì)場湍流微通道，增加氣流在通道內(nèi)的湍動，以延長塵粒在通道中的流經(jīng)時間，提高對污染物的捕集效率。普通中效過濾器除塵效率標(biāo)準(zhǔn)要求為60%～90%，根據(jù)前文分析，本EFP 模塊的集塵效率有望達(dá)到90%。

為了驗證EFP 模塊清除塵粒污染物的性能，開展凈化測試。設(shè)置30 m3測試艙，使用發(fā)煙片在艙內(nèi)產(chǎn)生煙霧顆粒（模擬空間塵粒，粒徑范圍覆蓋0.01～10 μm），并攪拌均勻；然后將EFP 除塵模塊安裝在風(fēng)道系統(tǒng)中，并按要求通電開始測試。測試時，通過粒子計數(shù)器監(jiān)視EFP 模塊工作時間內(nèi)艙內(nèi)0.5 μm 典型粒徑粒子濃度的變化情況，以測試艙內(nèi)初始的塵粒粒子數(shù)密度為基底，計算EFP 除塵模塊的凈化除塵效率，結(jié)果如圖12 所示：模塊的除塵效率達(dá)到了87.25%，與理論分析期望值90%相比略低。

圖12 顆粒物凈化效率測試結(jié)果Fig.12 Test result of particle removal efficiency

分析本次實驗，塵粒捕集效率較上述仿真理論分析值有少許下降，其原因在于塵粒到達(dá)集塵電極以后并非 “將其電荷交給集塵電極并沉附在集塵電極上”那樣簡單。在采用靜電除塵器捕集電阻率較低的塵粒（如石墨、炭黑和金屬粉末等）時，會產(chǎn)生如圖13 所示的周期性彈回擾動[15]，降低集塵極對塵粒的捕集能力。對于空間環(huán)境中存在的典型空間塵粒，發(fā)動機(jī)尾流屬于高電阻率塵粒，周期性彈回擾動弱，且其相對介電常數(shù)較大、荷電量大，故集塵極對其吸引力大，EFP 模塊對其捕集效率較高；金屬氧化物等塵粒的電阻率低，周期性彈回擾動強(qiáng)，且其相對介電常數(shù)較小、荷電量小，故EFP 模塊對其捕集效率較低。

5 結(jié)束語

針對航天員在軌出艙活動歸艙時，空間塵粒污染物可能會隨航天員進(jìn)入空間站內(nèi)造成的威脅，擬將靜電除塵方法用于空間站氣閘艙內(nèi)，在航天員歸艙階段復(fù)壓后進(jìn)行空間塵粒的清除。本文對污染清除的物理過程進(jìn)行了分析，并將空間塵粒的典型荷電參數(shù)引入捕集效率模型的仿真中，以空氣潔凈度標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)注的0.5 μm 和1.0 μm 兩種典型粒徑的塵粒為主要仿真對象，以模塊捕集效率在90%以上為分析目標(biāo)，得到了EFP 模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵電壓設(shè)計參數(shù)。使用30 m3地面測試艙進(jìn)行模塊功能驗證試驗，試驗結(jié)果證明使用相關(guān)設(shè)計參數(shù)的EFP模塊的捕集效率達(dá)到87.25%（略低于預(yù)期目標(biāo)）；之后，分析了與仿真預(yù)期結(jié)果出現(xiàn)差異的物理因素，實現(xiàn)了捕集效率參數(shù)在有限制條件下的局部最優(yōu)化設(shè)計。

目前我國已完成空間站的發(fā)射，并多次完成航天員在空間站長期駐留及出艙活動。未來隨著出艙活動時長和頻次的增加，必然面臨空間塵粒污染物的威脅。本文開展的相關(guān)仿真及試驗研究為空間塵粒污染清除提供了研究基礎(chǔ)和解決方案，可為后續(xù)試驗及空間塵粒清除裝置的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供參考。