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計部，北京 100094； 2.中國載人航天工程辦公室，北京 100071）

0 引言

空間環境中沒有大氣，航天器內乘員和設備產生的廢熱無法通過空氣對流的方式進行排散，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。同時還需要將密封艙內載人環境控制在適宜的溫度和濕度。

目前國內對水升華器和輻射器等散熱途徑的機理研究已比較充分，吳志強等[2]對多孔板水升華器在恒熱流條件下的試驗進行了研究；廖俊元等[3]對水升華器升華模式進行理論分析與數值仿真；盧國鵬等[4]進行了空間輻射器熱設計及涂層熱物性測量研究；劉欣等[5]進行了可展開式輻射器熱控方案對航天器軌道調整的適應性分析。此外，還有參考地面熱泵技術，通過熱泵提高輻射器散熱能力的方式，付振東等[6]根據假設的月面工況，對高能效比熱泵系統進行了研究。但是從整器系統層面考慮，綜合對比不同散熱途徑在不同任務工況下的效果與系統代價的研究非常少見，只有文金遠等[7]基于假設的月球居住艙系統對單相回路及熱泵回路熱控系統進行了對比分析，但并未將水升華器納入考慮。

本文通過對不同任務工況下，載人航天器選擇不同熱排散方案的效果與系統代價進行綜合分析，并給出對比結論，以期為后續我國載人深空探測任務提供參考。

1 載人航天器散熱方式選擇

1.1 傳統散熱方式

由于航天器在軌整器在真空環境中難以進行高效熱量傳遞，所以一般先使用主動流體回路的方式收集整器廢熱[8]，然后再選擇適當的方式將廢熱排散到空間中?！鞍⒉_”任務月面著陸器采用水升華器排散廢熱；“阿波羅”任務載人飛船、國際空間站和“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，這些水滲透進入水升華器多孔板；由于多孔板的外表面暴露在真空環境中，當不斷滲透進多孔板內的水達到三相點壓力（約610 Pa）時，水將凝固成冰，同時進行升華[2]，利用液態水—固態水—氣態水的相變潛熱進行熱量排散。其散熱能力的數學表達式為

式中：ΔH為水的相變潛熱，2500 kJ/kg；m為水的質量，kg；q為航天器散熱需求，W；t為散熱時間，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置低太陽吸收比、高紅外發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

散熱過程的數學表達式為：

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，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。

1.2 散熱方式改進

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

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相對確定的熱環境下，且輻射器性能已經確定，則影響輻射器散熱的參數只有其平均溫度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來提高整器散熱能力，而無須增加系統質量代價。熱泵能力一般用熱泵效率（COP）表達，

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 計算邊界選擇

本文選擇載人月球探測器可能面臨的3 種典型任務工況進行計算，工況參數如表1 所示。其中，按照任務時間為3 d 計算，航天器整器設備熱耗為2000 W，密封艙內乘員為2 人，考慮工況1、2、3下外部環境向密封艙內倒灌的熱量分別為0 W、200 W、400 W，得到各工況下的總散熱需求。密封艙控制溫度設置為26 ℃，相對濕度50%，則露點為15 ℃。為保證密封艙內冷凝控溫需求，設計流體回路進入密封艙冷凝器的入口溫度為10 ℃。計算輻射器散熱能力時，由于需要滿足3 d 任務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 典型任務工況參數Table 1 Working conditions of typical missions

2.2 不同熱排散方式系統資源代價對比

以工況2 為例，對不同散熱方式進行計算。此工況下，航天器整器設備熱耗為2000 W，乘員2 人（干濕換熱共400 W），外部環境倒灌熱量200 W，則總散熱需求為2600 W。

1）使用水升華器進行熱排散時，由式(1)計算得到水升華器在3 d 任務中的耗水量為269.6 kg，考慮水升華器本身設備質量約20 kg，則系統總質量代價為289.6 kg。

2）使用輻射器進行熱排散時的流體回路如圖4所示，流體回路經輻射器散熱后直接進入密封艙，收集整器廢熱后回到輻射器散熱，形成流體回路循環。計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，認為流體回路進入密封艙時的溫度與輻射器平均溫度相等，則輻射器平均溫度為10 ℃。根據式(2)～式(4)計算得到，在3 d 任務中，太陽高度角最高時輻射器散熱能力為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1.2 節的改進方式，使用熱泵系統提高輻射器散熱能力。綜合考慮熱泵系統冷端、熱端換熱溫差以及COP 優化曲線，取輻射器平均溫度為65 ℃，此時熱泵效率約為3[6]，由式(5)可知熱泵功耗為1300 W。由式(2)～式(4)計算可得輻射器散熱能力為431.0 W/m2，此時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 系統代價綜合評估

利用公式

對不同散熱方式的系統代價進行綜合評估，式中：M為系統總質量代價，kg；γ1為單位面積輻射器質量；γ2為提供熱泵功耗的電源系統質量系數。參考NASA 技術報告中公布的數據，γ1取5 kg/m2，γ2取0.020 2 kg/W[9]。

3 分析與討論

根據第2 章給出的計算邊界與系統代價分析方法，可得到不同工況下航天器采用不同散熱途徑的系統資源代價如表2 所示。

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

根據表2 中計算結果可以發現，水升華器方案的質量代價最大，主要是消耗的水工質。但是如果任務時間較短，類似于美國“阿波羅”任務首次登月的8 h 時間來計算的話，若航天器散熱需求不變，則耗水量僅約27.6～32.3 kg，尤其太陽高度角較大時，水升華器的系統質量代價將遠遠低于使用輻射器與熱泵的系統質量代價，且不需要付出額外的功耗代價。但是水升華器散熱效率受限于工質水的物理特性，幾乎無法提高。何立臣等[10]曾對含冰模擬月壤水資源提取進行了試驗研究，結果顯示對于初始含水量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僅為15 g，說明水資源原位利用技術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于使用輻射器與熱泵。

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

4 結論

本文對載人航天器散熱途徑選擇進行了初步研究，并得到如下結論：

1）水升華器散熱途徑主要質量代價來源于消耗的工質水，短期任務的使用情況下系統質量代價較小。

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

3）熱泵對系統散熱能力的提升雖效果明顯，但需增加整器供電需求約50%，故是否選用需要結合航天器電源系統能力進行綜合評估。

綜上，水升華器散熱方式更適合小規模、短期的探測任務；對于中長期載人探測飛行器以及未來的載人月球或火星探測基地任務，使用輻射器與熱泵技術可以更大幅度降低系統質量代價。