热负荷及给水压力对水升华器启动和使用策略影响

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北京空间飞行器总体设计部 空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094

水升华器利用水作为消耗性介质，是一种消耗型相变散热装置，是航天器空间短期散热较为经济的热控措施。由于水具有较高的相变潜热,曾在航天器热控及生保系统中得到了多次成功应用[1-2]。Apollo登月舱、Saturn火箭、美/俄及中国的舱外航天服均采用了水升华器散热装置[3-5]。20世纪90年代，吴志强等针对舱外航天服用水升华器开展了多方面研究工作[6-8]。李森等对升华器微孔内冰层升华过程进行了仿真分析[9]。近年来中国空间技术研究院王玉莹等针对深空探测用水升华器开展了一系列的研究工作[10-14]，进行了基于水升华器的多孔介质内具有移动相变界面的传热传质建模和分析，开展了水升华器的重力无关设计研究，并进行了试验验证。并对初始温度、给水压力、热负荷等单因素对具有恒热流边界的水升华器启动过程瞬态特性的影响进行了分析与试验研究，获得了一定的规律。表明水升华器技术在深空探测等具有短时大功率散热领域具有较好的应用前景。

目前“击穿”抑制及是水升华器研究的关键，也是国内外研究中的难点。文献中曾有通过对水升华器多孔板进行疏水处理来增加压力适应范围的研究[3,8]，但该方法不能从根本上抑制水升华器启动过程中“击穿”的发生。本文通过试验研究了水升华器在高热负荷高给水压力、低热负荷低给水压力下的启动特性，以及水升华器在低热负荷低给水压力下启动运行至稳定后同时增加热负荷和给水压力的响应和换热特性。在此基础上首次提出了一种通过使用策略保障水升华器在高热负荷高给水压力下启动和运行可靠性、减小“击穿”风险的思路，可为空间水升华器技术的研究和应用提供一定指导。

1 水升华器工作机理

1.1 水升华器正常启动机理

水的三相点压力约为610 Pa，在空间高真空环境下，固态的冰吸收热量后将不经过融化直接升华为气体，并在升华过程中吸收大量的热量。水升华器根据这一特点，通过严格设计多孔板和给水腔的结构参数使工质水按照水→冰→气态水的过程发生相变，以此来有效排散航天器设备废热[13]。

根据水升华器的工作特点，文献[13]将水升华器的正常启动过程(见图1)分为3个典型阶段进行研究，即给水腔内的蒸发段、多孔板内的蒸发段、多孔板内的蒸发-升华交替工作段。文献[13]在研究中推导了水升华器启动过程3个典型阶段的相变界面移动方程。

图1 水升华器启动工作过程Fig.1 Sublimator start-up processes

给水腔内的蒸发阶段，给水腔内蒸发界面位置为：

(1)

多孔板内的蒸发阶段，多孔板内的蒸发界面位置：

(2)

多孔板内的蒸发-升华交替工作阶段，多孔板内的冰-水界面和冰-气升华界面位置：

·

1.2 水升华器启动过程“击穿”及其影响因素分析

对水升华器启动特性研究表明，水升华器的结构参数、启动温度、给水压力、热负荷等非结构因素对水升华器启动过程中的瞬态特性有重要影响。由水升华器启动过程不同阶段相变界面位置移动方程可知：启动过程中水升华器内是否有冰层形成以及冰层在水升华器中的形成位置是影响水升华器工作特性的主要因素，并影响其所能达到的稳态温度水平。如果给水不经过相变而直接穿过水升华器多孔板排放至外太空，将导致水升华器“击穿”。启动过程中，水升华器温度水平较高、热负荷较大，且其内部尚未建立稳定的相变界面，因此最容易发生“击穿”，导致水升华器无法正常运行。

除水升华器自身结构参数外，如果水升华器使用时的给水压力、热负荷等不匹配将导致水升华器启动或运行过程中发生“击穿”。但由于水升华器工作过程中存在相变界面在不同多孔介质中的迁移、流体流动状态的转换、相变界面的交替变换、水升华器工作模式的不确定性等物理问题，使得水升华器的工作机理尤为复杂，给理论分析和试验验证带来了一定困难。

2 水升华器试验件及性能试验系统

2.1 水升华器试验件

为了研究热负荷和给水压力两个因素对水升华器启动运行特性及可靠运行策略的影响，本试验采用如图2所示的水升华器试验件开展了试验研究，试验件由给水腔和多孔板构成，试验过程中，采用加热片模拟水升华器的热负荷，采用热电偶对水升华器加热面和多孔板表面的温度进行测量，热电偶布置见图2。本次试验中采用水升华器加热面在下、气体通道在上的水平布局方式，布局如图3所示。

图2 水升华器模型及试验件Fig.2 Physical model and test moduleof sublimator

图3 试验中水升华器布局方式Fig.3 Location of sublimator in the experiment

2.2 水升华器性能试验系统

航天器在轨运行环境面临复杂的空间环境[15]，对于水升华器，影响其功能和运行性能的主要因素是真空环境。本文所开展的试验研究工作在图4所示的水升华器试验测试系统中完成。

图4 水升华器性能测试系统Fig.4 Sublimator work performance test system

图4所示的测试系统有4个主要组成部分，文献[12]对该试验系统也进行过系统的介绍：

1)小型真空室及真空机组。真空室内设计有电加热、温度测量和供水管路连接装置，真空室内设有可旋转的设备安装支架，以利于被测试验件的安装与观测。

2)温度、压力、流量测量系统。温度采用铜-康铜热电偶进行测量，热电偶经过精确标定，测温误差在±0.5℃内。真空室压力测量采用ZJ-1P型压阻真空规管，测量精度为±1.0%。流量测量采用DMF-1-1-A型质量流量计，测量精度为±0.5%。

3)功率加载系统。功率加载系统为一组程控电源，具有电流连续可调的功能，可以对模拟热源的电加热片的功率参数进行设定和控制。

4)数据采集与处理系统。系统中的温度利用安捷伦数据采集仪进行采集，压力、质量流量均由专门的数据接口进行采集，并实时传输到计算机进行监测和处理。

3 试验结果分析

3.1 试验条件

本文开展了两组试验研究，两组试验所用水升华器试验件主体结构为不锈钢，多孔板采用不锈钢粉末烧结多孔板。试验过程中，水升华器多孔板和加热面均布置有均匀分布的温度测点，其中多孔板布置7个温度测点(测点1～测点7)，加热面布置6个温度测点(测点1～测点6)，由于本文重点关注测点温度水平和一致性，而不量化分析多孔板及加热面不同区域的温度分布均匀性，因此，暂不给出各测点的精确位置图。

第一组试验分2个步骤进行：第一步，水升华器在低热负荷(0.4 W/cm2)、低给水压力(6.1 kPa)工况下启动，运行稳定；第二步，增加热负荷、给水压力为0.6 W/cm2、11.2 kPa工况运行。

第二组试验中，水升华器在相对较高的热负荷(0.6 W/cm2)和较高的给水压力(11.2 kPa)工况下启动。

试验过程中水升华器热负荷及给水压力变化情况如图5所示，试验中的相关参数如表1所示。

3.2 低热负荷低给水压力启动转高热负荷高给水压力运行特性分析

本组试验中，恒热流加热情况下，水升华器在较低的热负荷和给水压力工况下启动，水升华器加热热负荷为0.4 W/cm2，给水压力6.1 kPa，启动过程中水升华器加热面及多孔板的温度变化如图6、图7所示。

图5 水升华器热负荷加载示意Fig.5 Heat load variations of sublimatorin the experiment

参数低热负荷低压高热负荷高压给水温度/℃2222加热热流密度/(W·cm-2)0.40.6给水压力/kPa6.111.2水升华器布局方式水平水平水升华器初始温度/℃2222

从图6、图7可以看出：

图6 加热面温度变化(第一组试验第一步)Fig.6 Temperature variation of heating surface(test 1,step 1)

图7 多孔板温度变化(第一组试验第一步)Fig.7 Temperature variation of porous plate(test 1,step 1)

1)该工况下，开始给水后，水升华器加热面温度和多孔板温度均经过约300 s达到了稳定。其中，加热面温度在开始给水后约150 s内升至了最大值，多孔板温度在开始加热后约160 s内达到了最大值。而后，在升华作用下，水升华器温度开始下降，并在约150 s内达到了稳定。

2)由于给水分布的影响或多孔板孔径不均匀性的影响，导致水升华器加热面温度的不均匀性，最大温差约20℃。

3)尽管稳定后加热面温度有较大不均匀性，但多孔板温度仍有较好的均匀性，温度都约为5℃，最大温差约6℃。

水升华器在低热负荷-低给水压力下启动运行至稳定后，增加水升华器给水压力至11.2 kPa，同时增加加热热负荷至0.6 W/cm2，水升华器加热面和多孔板温度变化如图8、图9所示。

图8 加热面温度变化(第一组试验第二步)Fig.8 Temperature variation of heating surface(test 1,step 2)

图9 多孔板温度变化(第一组试验第二步)Fig.9 Temperature variation of heating surface(test 1,step 2)

由图8、图9可看出，水升华器稳定工作后，加热热流密度的变化对水升华器温度波动影响较小，加热面温度最高约增加了10℃，多孔板温度最高约增加了5℃，但二者均在100 s内达到了新的稳定，表明水升华器对热负荷及给水压力的变化具有较好的适应性。水升华器在低给水压力低热负荷工况下启动运行至稳定后转为高给水压力高热负荷运行可以快速达到稳定状态。

3.3 高热负荷高给水压力直接启动特性分析

本组试验中，恒热流加热情况下，水升华器在较高的热负荷和给水压力工况下启动，水升华器加热热负荷为0.6 W/cm2，给水压力11.2 kPa，启动过程中水升华器加热面及多孔板的温度变化如图10、图11所示。

图10 加热面温度变化(第二组试验)Fig.10 Temperature variation of porous plate(test 2)

图11 多孔板温度变化(第二组试验)Fig.11 Temperature variation of porous plate(test 2)

从图10、图11可以看出：

1)该工况下，开始给水后，水升华器加热面温度和多孔板温度均经过约150 s达到了稳定。其中，加热面温度和多孔板温度均在开始给水后75 s内升至了最大值。在升华作用下，水升华器温度开始快速下降，并在75 s内达到了稳定。

2)由于给水分布的影响或多孔板不均匀性的影响，导致水升华器加热面温度的不均匀性，最大温差约14℃。

3)尽管稳定后加热面温度有较大不均匀性，但多孔板温度仍有较好的均匀性，温度在3℃和-1℃之间，最大温差约4℃。

上述结果表明，在增加水升华器热负荷的情况下，增大给水压力，水升华器的响应时间更短、更迅速地达到了稳定工作状态。

对比两组试验在高热负荷、高给水压力工况下运行稳定后的试验数据，可以发现：水升华器在低热负荷、低给水压力下启动并转为高热负荷、高给水压力运行后，其加热面和多孔板温度水平与水升华器在高热负荷、高给水压力工况下的温度水平基本一致。这表明水升华器具有较强的自适应能力，热负荷和给水压力变化后，在不超出其散热能力的情况下，水升华器可以快速调整其内部气-液界面位置适应给水压力和热负荷的变化。这样使得水升华器运行所能达到的稳定水平受其启动初始条件的影响不大。这也为水升华器的使用提供了一种新的思路：即水升华器在高热负荷、高给水压力下运行时，为了减小启动过程的“击穿”风险，可以采用在低热负荷或低给水压力下启动，然后在高热负荷和高给水压力下运行的方式。

4 结束语

设计了水升华器在低热负荷低给水压力、高热负荷高给水压力下的启动试验，及其在低热负荷低给水压力启动运行稳定后转为高热负荷高给水压力运行的试验。可得如下结论：

1)试验中，采用电加热方式模拟水升华器热负荷，由于加热片热容量较小，动态响应较快，因此，开始给水后，水升华器加热面温度变化呈现出在小于120 s时间内先迅速升高，然后在蒸发/升华作用下快速降低的趋势。但水升华器在高热负荷、高给水压力下可以在更短的时间内达到稳定状态。

2)启动并运行达到稳定后，热负荷和给水压力变化时，在不超出其散热能力的情况下，水升华器可以快速调整其内部气-液界面位置适应给水压力和热负荷的变化，表明水升华器具有较强的自适应能力。从而使得水升华器运行所能达到的稳定水平受其启动初始条件的影响不明显。这也为水升华器的使用提供了一种新的思路：即水升华器需要在高热负荷、高给水压力下运行时，为了减小启动过程的“击穿”风险，可以采用在低热负荷或低给水压力下启动，然后在高热负荷和高给水压力下运行的策略。

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