载人航天器气液分离技术综述

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

1 引言

在绝大多数载人飞行任务中，不同物质间气液两态的分离是一项基本需求。例如在主动热控回路中，工质中的气泡达到一定浓度，会对循环泵、热交换器等设备造成损坏，同时，气泡还会影响传感器的工作，导致回路仪表读数失准。在地面环境下，气体在液体中存在浮力，很容易实现分离；在空间微重力环境下，气泡失去浮力而处于悬浮态，气液将不再自动分离。因此，空间气液分离技术必不可少。载人航天器的多个分系统中都使用了气液分离技术，控制液体中的气体浓度或空气中的湿度，使密封舱内空气温湿度控制在适当的范围内，以适宜人居住，并且保证舱内仪表设备正常运行的大气环境，达到载人航天器正常运行的目的。

从美、俄的载人飞船最早使用活性炭进行气液分离以来，气液分离技术已普遍应用到载人航天器上，并在多个分系统中发挥作用。以“国际空间站”（ISS）为例，主动热控分系统、O2再生子系统、CO2移除子系统、废水处理、密封舱温湿度控制、生物反应器、有效载荷燃料罐及部分蓄电池等，均使用了气液分离技术。中国的“神舟”系列飞船对气液分离技术的需求，主要体现在两个方面，即环境控制生命保障分系统的舱内温湿度控制子系统和主动热控回路，这与美、俄两国的早期载人飞船类似。中国空间站及载人深空探测器对气液分离技术的需求，将比载人飞船更广泛，对可靠性的要求也会更高。

已应用在载人航天器上的气液分离技术，在工作原理上分为被动式和主动式。被动式是指利用材料的吸湿性能进行气液分离。主动式包括离心式气液分离技术和毛细作用气液分离技术。其中，毛细作用气液分离技术主要包括冷凝式和气泡捕集式气液分离技术。冷凝式用来将空气中的少量水分分离出去，气泡捕集式用来将液体工质中的少量气体去除。本文结合载人航天器的使用情况，对不同物质间的气液分离技术进行了分析，并对未来的发展趋势作了展望。

2 载人航天器气液分离技术及其应用

2.1 材料吸湿性和皮托管气液分离技术

材料吸湿性气液分离技术属于被动式气液分离技术，主要是利用材料的吸湿性实现气液分离，如活性炭、分子筛吸附剂等干燥剂。这类材料具有发达的内部孔隙结构，对水具有很强的亲和力，当湿气受迫流动到其表面时，可吸去气体中的少量水分。美、俄两国的早期载人飞船（如双子星座号、阿波罗号、东方号、上升号）以及航天服，均采用活性炭除湿，中国“神舟”系列飞船最早也使用这种除湿方法。

在适当条件下，皮托管也有分离气液两态的作用，当水、气混合物经牵引流经皮托管时，可发生分离。皮托管实际上是一支直角弯折的金属管，通常设计为“S”形，在90°弯折处的内侧管壁开有0.5 mm的小孔，混合物中的气体从这个小孔排出。典型的皮托管气液分离器见图1。旋转盘带动水、气混合物旋转，转速达到一定值时可产生足够的水环压力；随着旋转腔内的水、气混合物增多，水位线升高，混合物进入吸水皮托管，并在90°弯折处发生分离；气体则靠近内壁，由内壁的小孔释放出去，水靠近弯折处的外壁，继续前进，最后从放水皮托管排出。例如航天飞机燃料电池系统，须对水中的氢气加以分离，要先对混合物进行一级分离，未完全分离出的水在通过释放阀放出前，还要经过皮托管进行二级分离［1］，最终实现气液分离。再如“国际空间站”俄罗斯及日本舱内的冷凝干燥器，也采用皮托管对气液进行一次分离。由于皮托管气液分离器只能处理少量流体，一般只作为主动分离技术的补充，不单独使用［2］。

图1 皮托管气液分离器Fig.1 Pitot gas-liquid separator

2.2 离心式气液分离技术

2.2.1 技术描述

离心式气液分离技术是利用液体与气体因密度差异在同样的回旋加速时所产生的离心力不同，进而发生分离的原理。国内自主研制的主动热控回路气液分离器结构原理见图2。其流体回路工质为全氟三乙胺，管道内的少量气体主要是因管壁渗透、化学反应摄取和在轨更换回路部件时通过快速断接器引入。为保证回路循环泵正常运行，使用气液分离器对引入的空气进行收集并去除；因此，这类气液分离器为气泡捕集器。其气体分离过程如下：液体工质从锥形下端入口切向流入，后螺旋向上流动，内部气体因离心力小而汇聚在锥形上端中央，少量气体在液体工质中表现为气泡。当混合物到达分离腔另一侧时，气体经由上端盖板上的开口放出，液体工质则由锥形上端切向流出。

图2 国内载人航天器气液分离器原理Fig.2 Gas-liquid separator principle of Chinese manned spacecraft

当液体中的气体所受的摩擦力与离心力平衡时，气泡的运动学微分方程见式（1）［3］。

式中：RB为气泡回转半径；t为运动时间；ρB为气泡密度；ρw为液体密度；ηw为动态黏度；ω为气泡回转角速度。

结合初始时刻气泡的回转半径R0，B，可求得式（1）的解为

式中：Ⅰ为混合物入口到回转腔中心轴线的长度；Rin为回旋腔半径；ωin为腔壁处气泡回转角速度。

式（2）描述了不同大小气泡的运动方式，是设计离心式气液分离器回转腔有效结构的理论依据。在使用这类分离器时，要注意入口流速的控制：流速过小，不能获得所需的离心作用；流速过大，会使混合物进入分离腔后湍溅，流体的连续性下降，直接导致分离不彻底。

2.2.2 应用

离心式气液分离技术也广泛应用在“国际空间站”不同舱内的多个分系统中，且不同工况下，分离器的设计有所不同，以下分别介绍。

在“国际空间站”美国命运号实验舱水处理在轨可更换单元中，使用了离心式气液分离器，即一种工质绝大部分为液体的气液分离器（Mostly Liquid Separator，MLS）。水处理单元提供饮用水，用废水做原料，废水在处理前要进行一次除泡处理。废水来自回收的尿液蒸馏水，以及洗澡、洗涤水等，这些水与其他分系统中的水（如主动热控分系统中的工质）有很大区别，是肥皂水，受到搅动易起泡。针对该废水的特点，NASA 专门设计了可分离肥皂水的分离器（见图3），可在不搅动肥皂水的情况下完成气液分离。其活动部件为一部电机和一组分离片，电机带动分离片转动，水即被离心至两侧出水口排出，气体则从中心轴孔排出。经过多年工程研究，该分离器已发展了3代，不但在水位控制故障时可实现分离功能，且当进入分离腔内的混合物处于两相极限时，即全部为水或全部为气体时，也可以正常工作［4］。

图4为“国际空间站”命运号实验舱水处理在轨可更换单元分离器的性能曲线，试验流体为肥皂水，允许流量为0～960kg／h。试验时，在流量区间取多个分立值进行测试，后经拟合得出性能曲线。为评价分离器对重力的依赖程度，分别进行水平及竖直方向2 组试验。可以看出，在允许背压范围内，第3代气液分离器的出水口气体携带量仅为0.02%，满足空间站0.4%的需求。第3代气液分离器将转速从第1代的1900r／min减小到1600r／min，工作效率及稳定性有了大幅提高，水平及竖直方向的性能一致，且对方向的依赖性优于第1代。其设计寿命为10年，入口全部为水或全部为气体时也可以正常工作，典型气体体积百分数为14%。

图3 命运号实验舱废水处理子系统气液分离器Fig.3 Gas-liquid separator of Destiny Lab waste water processor subsystem

图4 命运号实验舱水处理在轨可更换单元离心气液分离器性能Fig.4 Centrifugal gas-liquid separator of performance of Destiny Lab’s water treatment orbit replaceable unit

图5为“国际空间站”命运号实验舱环控生保分系统水再生子系统［5］中的旋转鼓气液分离器，用来将反应生成物——水中的甲烷去除（CO2＋4H2→2H2O＋CH4）。其设计思想来源于MLS，不同之处在于分离腔的活动部件为旋转鼓，鼓上安装有2片叶轮盘，中间夹一层叶片，叶片将水甩至出口。

图5 命运号实验舱CO2移除子系统气液分离器Fig.5 CO2reduction subsystem of gas-liquid separator of Destiny Lab

美国曾设计出一种空间原子能动力装置气液分离器，拟用在原子能电火箭及月球、火星探测等任务中［6］。这个动力装置可提供100kW 的能量，由反应装置、能量转换装置和可展开的散热板3个部分组成。反应装置工作时产生大量热量，须用液态锂回路进行冷却。冷却完毕后的液态锂携带有反应堆产生的氦气，氦气会损坏能量转换装置中的插针电极，因此必须进行分离。分离器的结构见图6。

图6 美国原子能反应堆旋转气液分离器结构Fig.6 Configuration of US atomic energy reactor gas-liquid separator

另外，在“国际空间站”有效载荷生物反应器的蜂房培养皿、燃料罐电池、气体再生子系统和水处理单元中，均采用离心式气液分离器［7］。

2.3 毛细作用气液分离技术

2.3.1 技术描述

随着薄膜工艺的发展，人们已能很容易地获取所需结构的空心纤维管束，且可对微管的表面状态进行改性，进而研制出具有一定微观组织结构的功能器件。基于此，出现了毛细作用气液分离器。毛细作用气液分离器包括气泡捕集气液分离器和冷凝式气液分离器。“国际空间站”大量采用亲水疏水膜毛细作用气液分离器。

毛细作用气液分离器的内部动力学机理为：当工质通过时，一方面，亲水材料吸引水分子，并与水分子强烈作用，使得亲水材料对水分子中氢离子的束缚力增大，提高水通过时的黏滞性，水分子受迫减速；氢离子束缚力的增大，使得水中形成的气泡或分解物脱离水，最终水通过材料壁上的微孔到达出水口；另一方面，疏水材料对水分子具有斥力作用，这使得水与疏水材料的表面张力增大，导致水分子不浸润材料，水中分离出的气泡与周围环境形成压差，该压差与增大的表面张力共同驱使气泡向疏水材料表面靠近，最终自由通过疏水材料壁上的微孔，到达出气口［8］，见图7。

图7 毛细作用气液分离器内部原理Fig.7 Internal principal of capillary action gas-liquid separator

在水靠近材料表面处，以表面张力描述水与材料的相互作用。表面张力在单位横截面及单位长度上具有能量的量纲，分离过程的完成需要能量支出，能量是表面张力的函数。水、气混合物与固体表面的相互作用，存在3个作用力，见式（3）。

式中：σGS为气体与固体间界面张力；σSL为固体与水间界面张力；σGL为气体与水间界面张力；θ为接触角。

图8为作用力图示。当接触角θ＜π／2时，空气中的水分容易浸润固体表面，随着θ的减小，浸润现象越来越明显，对于大部分疏水材料来说，θ＜π／2。

图8 表面张力作用力Fig.8 Effect of surface tension

除了以表面张力描述渗水膜与气液的作用外，一般还可用流体动力学方程对其中的气液混合物运动状态进行描述。所涉及的3个方程分别为：伯努利方程，见式（4）；连续性方程，见式（5）；哈根-泊肃叶定律，见式（6）。

式中：Δptotal为所考察截面间的压强差；ζH为H 截面处液体黏滞系数；ωH为H 截面处气液混合物的回转速度；ζC 为C截面处黏滞系数；ωC为C截面处气液混合物的回转速度。

式中：Φin为分离器内部通过某一截面的流量；ΦH为该截面处液体的流量；ΦC为该截面处气体的流量。

式中：ΦHC为截面处气液混合物的流量；Φ0，HC为单位面积、单位压降下的流通率；AHC为所考察截面处的横截面面积。

方程的求解须通过数值迭代法，求出方程的解，即可得分离器的设计输入。

2.3.2 应用

1）气泡捕集气液分离器

以美国命运号实验舱主动热控回路气泡捕集气液分离器为例（见图9）。该分离器的分离芯包含2种材料的薄膜：亲水材料，为多微孔渗水材料尼龙-11；疏水材料，为多微孔聚丙烯。疏水材料在内部，亲水材料在外部，按一定的规则做成同心管捆绑在一起，共84根，用钛合金圆柱筒封装。气液混合物从左侧进入，另一侧为气体出口，液体则从侧壁渗出［9］。

在哥伦布号实验舱主动热控回路中，气泡捕集气液分离器由回旋加速器、柱状亲水膜和空心纤维单元组成，见图10。其中，空心纤维单元为核心部分，又由疏水毛细管和亲水膜气泡隔屏组成。工作时，水、气混合物先经过回旋加速器，在离心力作用下水被甩至分离器四周，气泡则位于中心轴线附近；经初级分离的混合物进入分离器腔，在柱状亲水膜腔壁作用下，气泡进一步远离腔壁；混合物到达空心纤维单元，在此完成最终分离。为防止分离的气泡被水带到出水口，在空心纤维单元的出水侧设计了亲水膜气泡隔屏，隔屏纤维管横竖交叉布置，使气泡完全在出气口排出［3］。纤维束管的密度不宜过大或过小：密度过大，导致压降过大；密度过小，则导致分离效率下降。通过对功能膜的工艺控制，可获得一定的纤维束管密度。

图9 命运号实验舱主动热控回路气泡捕集气液分离器Fig.9 Gas trap separator active thermal control loop of Destiny Lab

图10 哥伦布号实验舱气泡捕集气液分离器Fig.10 Gas trap gas-liquid separator of Columbus Lab

图11为“国际空间站”哥伦布号实验舱气泡捕集气液分离器性能曲线。可以看到，随入口水压的变化，分离效率略有不同，这是由于增大的水压溶解了更多的气体，而该部分气体不会被分离。另外，分离效率低于1（饱和值约为0.82）的原因为：亲水膜制备工艺造成毛细管内部的缺陷，从而导致对混合物流动阻力有所增大，在流速为400kg／h时，混合物压力减小约9kPa，此压力接近亲水膜的气泡点压力，使一小部分气泡突破毛细管壁进入出水口。该分离器可处理最大流量为1000kg／h、温度17～50 ℃的混合物；工作压力范围为0.8×105～7.8×105Pa、流量为560kg／h时，压降为10kPa。

图11 毛细作用气液分离器性能Fig.11 Performance of capillary action gas-liquid separator

哥伦布号实验舱气泡捕集气液分离器回旋加速器的结构尺寸经试验得出，经验证只对直径大于100μm 的气泡起作用，小于此值的气泡不能被离心至轴线周围。水流速在900kg／h时，竖直方向的测试结果优于水平方向，此时，直径大于1mm 的气泡全部被离心至轴线周围半径为20 mm 的圆柱内。分离器的总压降及回旋加速器的效率为水温T的函数，这是由于动态黏度ηw 依赖于水温T而变化。

另外，“国际空间站”有效载荷生物反应器也使用气泡捕集气液分离器［10-11］，采用毛细作用进行气液分离。该分离器将混合物通道做成回旋状，使用了离心作用进行初级分离，内部疏水膜空心管进行二级分离。

在气泡捕集气液分离器设计中，决定性能的参数有：①最优流量区间，即分离器能处理的混合物最大、最小流量区间，在此流量范围内，分离器可对混合物正常分离，否则达不到预期分离效果；②饱和气量，即在一定流量下分离器所能分离的最大气体体积；③压降，指混合物入口及水出口的压力差，是评判分离器对回路流阻大小的参数，过大的压降将对循环泵造成负担；④分离效率，即分离出的气体量与加入的气体量之比；⑤出气、出水比，即一定流速、一定气体量下，出气口的气体体积与水的体积之比。

2）冷凝式气液分离器

除上述气泡捕集气液分离器外，在“国际空间站”命运号实验舱空气温湿度控制子系统中，还采用了冷凝式气液分离器。该分离器能收集密封舱内空气中的水分，但水分通过毛细管的作用被干燥器吸收时，也会引入少量气体，因此要进行分离。冷凝式气液分离器利用水蒸气在进气端与出气端的压差而产生气体渗透的动力，材料为聚丙烯毛细管，具有疏水性，但对气体无作用力，将其按一定尺寸及结构做成多微孔疏水空心纤维，从而达到气液分离的目的，见图12。空心毛细管为冷凝水通道，其特征尺寸通过理论分析结合试验方法得到。通过毛细管壁的热量，基于努塞尔数Nu计算，从而得到与试验结果一致的导热系数。压降则通过Blasius方程的数值解描述。该分离器纤维束的有效长度为150mm，微管径为（1.8±0.4）mm，有效总展开面积为6.36m2，压降为585Pa。可处理的湿气温度范围为15～27 ℃，气压为1×105Pa，最大气体流量为0.21kg／s，最大除热功率为2240 W。

哥伦布号实验舱的冷凝式气液分离器与命运号实验舱的内部结构类似，不同的是，前者的温湿度控制子系统采用2台分离器并联的方式进行水、气分离。并联使用的优点在于：除了备份及扩大调节量外，2台可轮流工作，这样，暂停工作的分离器就有足够的时间恢复干燥，从而抑制微生物的生长。

2.4 其他气液分离技术

除上述气液分离技术外，目前NASA 正在研究一种新型气液分离技术——溶解式气液分离技术。该技术与上述几种技术有本质的区别，能将气体暂时溶解在液体中而达到分离效果。由于工质中存在气泡的物理原因是液体对这种气体的溶解度达到了饱和态，若改变液体的物理特性，如加压、添加一定的化学试剂，使液体的溶解性发生改变，则气体可以继续溶解在工质中。例如：主动热控回路液体工质为乙二醇水溶液［12］，一部分气体溶解在乙二醇水溶液中，另一部分则以气态存在，通过添加剂改变乙二醇水溶液对空气的溶解性，可使气体全部溶解而达到保护回路的目的。新型气液分离技术实际上并未对工质中的气体进行分离，却能解决气体对回路的危害，实现气液分离功能。目前，尚无采用该技术进行气液分离的载人航天器，但在国外已有相关研究。

3 几种气液分离技术比较

被动式气液分离器：在早期的载人飞船上使用较多，但由于作用有限，当分离的液体达到一定量时，分离器效率大大降低，虽可靠性较高，但目前不单独使用，一般作为主动式的补充。

离心式气液分离器：在运转时产生较大的振动及噪声，体积、质量较大，而且需要额外的电能，连续工作时间有限，可靠性与被动式分离器相比较低。

毛细作用气液分离器：没有活动部件以及不消耗任何能量，不产生振动及噪声，对小型化、可靠性及长寿命非常有利，是当前研究最多的分离器。其一大缺点是液体中的微生物生长到一定浓度时，对材料上的微孔有堵塞作用，从而使压降增大，影响分离性能，维修较昂贵。

溶解式气液分离器：以全新的思路重新定义气液分离概念，通过加压或添加剂改变液体的溶解性，将多余气体溶解而达到保护回路的目的，是一种新型气液分离技术。

几种分离技术的比较见表1。

4 气液分离技术发展前景

从早期载人飞船采用被动式气液分离技术以来，气液分离技术已广泛应用在载人航天器上，并已发展为多种技术的综合应用。几种技术均有其优缺点，应根据不同的使用工况，有针对性地进行需求分析，设计最适合的气液分离器。例如：“国际空间站”不同的分系统中，设计需求的不同决定了分离器形式多样。亲水疏水膜的单独或结合使用，或与离心作用结合发挥作用；为了降低微生物生长对分离器性能及寿命的影响，向工质中添加特定的试剂，或对材料表面进行改性，以抑制微生物生长，从而达到最佳效果，是气液分离技术的发展方向［13］。概括起来，包括以下几个方面。

（1）继续完善离心式分离技术分离腔内流场的涡动力学模型及数值计算方法，建立较精确的动力学分析模型。

（2）从系统角度多方位考虑气液分离技术，设计紧凑、无功耗、无振动及噪音，以及高可靠性、长寿命的气液分离器。

（3）提前开展先进技术研究，如多微孔、亲水疏水膜分离技术，以及其他新型分离技术，为未来的载人航天任务作好技术储备工作。

（4）对于多微孔、亲水疏水膜气液分离技术，在进一步开发薄膜工艺的基础上，开展表面改性添加剂及抑制微生物生长的研究工作。

（5）开展气液分离器对重力依赖性的评价方法研究，改善目前仅考虑分离器不同方向性能的不完全归纳方法。

在未来的载人飞行任务中，空间站、载人月球着陆器、载人火星及其他深空探测等任务，相比地球轨道载人飞船来说，任务时间更长、更艰巨，对气液分离技术的要求更高。毛细作用气液分离是目前最先进的气液分离技术，国内应积极开展这方面的研究，此外，也应关注基于全新概念的气液分离技术。针对更高要求的空间站、载人登月等任务，设计能满足需求的新型、高效气液分离器。

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