多孔板结冰自强化效应对水升华器性能的影响

刘畅，宁献文，苗建印，王玉莹，吕巍，王录

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

水升华器作为一种消耗性热控装置，具有干质量轻、体积小、效率高、耗费少、可靠性高等优点，且能适应不同重力场，曾在国内外航天器热控及生保系统中得到多次成功应用[1-8]。水升华器一般与流体回路结合使用，通过流体回路工质的循环流动收集热量，由水升华器进行热排散，实现控温。

从20世纪60年代开始，美国Hamilton Standard公司、NASA载人航天中心等多家机构就率先开展了关于升华器技术的研究，对升华器的一维稳态散热特性[3-8]、工作模式[9]等进行了深入研究，得出了影响升华器散热性能的主要因素，包括供水压力、热负荷条件、真空度等外部因素，以及传热热阻、多孔介质厚度、孔径、孔隙率等水升华器自身结构参数。对于水升华器的防击穿能力研究，马歇尔中心于20世纪60年代末提出了对多孔板进行疏水处理的办法，提高液体滞留能力，从而提高防击穿能力[3]；NASA约翰逊空间中心研制出了一种采用两种孔径多孔介质相结合的两级供水式防污染水升华器[10]，小孔介质用于过滤给水中污染物，从而减少因污染物进入多孔介质内部、逐渐堵塞多孔板并阻碍蒸发/升华相变过程而导致的水升华器击穿；通过水升华器给水腔结构优化，避免热流集中[11]，也是提高水升华器防击穿能力的手段。

20世纪90年代，袁修干等针对舱外航天服用水升华器也开展了较多的研究[12-14]，如多孔板参数、供水压力等因素对水升华器散热性能的影响。吴志强和沈力平[15]还针对多孔板憎水涂层对水升华器防击穿能力及散热性能的影响进行了研究。中国空间技术研究院也主要针对探月工程三期嫦娥五号用水升华器的瞬态启动特性及稳态散热性能开展了相关研究工作[16-19]。

然而，由于水升华器工作过程涉及复杂的气-液-固相变传热传质耦合过程，目前国内外关于水升华器开展的理论研究较为匮乏，主要通过实验手段进行研究。同时，以上主要是从宏观参数上对水升华器性能进行研究，涉及多孔板参数时，均假定水升华器工作过程多孔板参数不会发生改变。而水升华器启动及运行时，多孔板内部发生的结冰膨胀过程会对多孔板微结构进行再加工，从而影响水升华器防击穿能力、稳态散热功率等宏观性能，这方面的相关研究还未见报道。本文在对水升华器工作机理及多孔板微孔演化机理进行分析的基础上，针对多孔板结冰自强化微观效应对水升华器宏观性能的影响开展了实验研究，获得了一定规律。

1 水升华器工作原理及多孔板结冰自强化

1.1 水升华器的工作原理及击穿

研究对象为平板型水升华器，主要由多孔板、给水腔和冷板构成，如图1(a)所示, 图中，Psat为相变界面处饱和蒸汽压力;Pw,in为入水孔处供水压力；Tf,in为流体回路入口处工质温度；Tf,out为流体回路出口处工质温度。水升华器启动后，液态水工质依次流入给水腔和多孔板，暴露在高真空环境下，由于环境压力远小于水的三相点压力，液态水会迅速蒸发吸热，后续水温迅速下降，直至在多孔板内结冰，阻止水工质进一步流入；冰在真空中直接升华为水蒸汽，继续吸热；在热负荷作用下，冰层逐渐消失，液态水再次蒸发、结冰，开始新的升华过程。由水工质的相变制冷过程，实现散热。

水升华器启动过程中，容易发生击穿现象，即液态水没有经过凝固相变而直接穿过多孔板进入真空环境。液态水穿出水升华器后，表面压力骤降，将快速结冰，如图1(b)所示。击穿会大大降低水的利用率，严重削弱水升华器的散热能力，甚至导致水升华器完全失效。击穿是水升华器的主要失效模式，且流体回路温度越高，该现象越容易发生[8]。由于水升华器启动过程中结构热容的瞬态效应，不利于水工质的降温结冰，因此相对于稳定工作过程，启动过程更容易发生击穿。

1.2 多孔板的结冰自强化机理及验证

1.2.1 多孔板结冰自强化机理

本文研究的水升华器采用的多孔板为不锈钢粉末烧结多孔板[20-22]，其与致密不锈钢材料应力-应变规律类似，具有形变硬化现象，即材料在一定条件下被预拉(或压)到强化阶段(屈服阶段)，然后卸载应力，材料会产生一定的塑性变形，且再次进行应力加载时，材料弹性比例极限会得到提高，塑性将会降低。

对于结冰过程，相同质量的液态水转化为固态的冰后，体积将增加约10%，即会发生结冰膨胀现象。白莉[23]、康永水[24]等的试验表明：在负温环境下，岩体中的水结冰产生的体积膨胀，会对岩石骨架产生附加应力(冻胀力)从而引起冻胀变形。

从微观角度上看，水升华器启动运行之后，与岩石冻胀变形过程类似，水工质在多孔板内的结冰膨胀过程会对结冰位置附近的微孔造成挤压，平行于给水方向的颗粒受压，导致冰层上下表面附近的局部区域孔径尺寸变小，而结冰位置处由于相互挤压，垂直于给水方向的微孔尺寸基本不变。水升华器工作过程多孔板内冰层很薄，在多孔板厚度方向占比小，其余部分均受到挤压变形，多孔板微孔演化示意图见图2。因此，水升华器工作后，多孔板上部与下部孔径减小，使得多孔板平均孔径减小，整体渗透率降低。

因此可以推测，水升华器多次运行后，由于结冰膨胀会对多孔板进行应力加载，使多孔板发生塑性变形与弹性变形。经过多次形变硬化作用，多孔板塑性逐渐降低，每次运行后塑性变形量将逐渐减小，多孔板结构参数也将逐渐固化。将水升华器工作阶段多孔板内结冰膨胀对多孔板进行的老化“再加工”过程定义为多孔板的自强化。

宏观上，多孔板自强化效应对水升华器的影响主要有：① 由于多孔板平均孔径减小，将导致启动过程中相同条件下水工质在多孔板内流动阻力变大，流速变慢，蒸发界面向真空侧移动速度变慢，从而不易发生击穿，防击穿能力将会得到提升；② 由于平均孔径减小，多孔板渗透率减小，相同条件下，水蒸汽质量流量减小，有效相变散热面积减小，这将导致水升华器工作过程稳态散热功率减小，在多孔板结构参数趋于稳定后，散热功率将会趋于稳定。

1.2.2 多孔板结冰膨胀机理的初步验证

为验证内部结冰膨胀过程对多孔板的宏观影响，考虑对多孔板进行渗透率测试。为避免拆卸过程导致的多孔板破坏及其他可能引入的未知影响，且考虑到多孔板测试过程本身会对多孔板结构造成的影响，因此，不对实验用多孔板进行测试，而是采用同批次多孔板开展相关验证实验。

对未经过前文实验的同批次生产的4块多孔板试件进行浸泡冻结实验，即，将试件整体浸泡在去离子水中进行冻结后烘干，冻结前后均按照标准GB/T 5250-1993进行试件渗透率测试，测量结果见表1。由表可知，与冻结前的多孔板相比，冻结后试件渗透率均增大约30%～40%。结冰膨胀作用对多孔板的影响非常显著，会使多孔板发生塑性变形。

该实验与水升华器实际工作过程并不完全一致，试件被全部浸泡在水中进行冻结，因此试件整体会受到膨胀作用，从而导致渗透率增大。而水升华器工作过程多孔板内仅有部分位置会结冰(很薄一层，在多孔板厚度方向占比很小)，其余部分均受到挤压，因此可以推断，多孔板内冰层上下表面附近受到明显的挤压作用，最终使得多孔板整体渗透率减小的结论是成立的，通过本实验可以间接证明该机理是正确的。

表1 多孔板试件冻结前后渗透率测量结果

2 水升华器多孔板自强化实验

2.1 实验件与实验系统

本文的实验系统如图3所示，由以下4个部分组成：① 真空系统，包括真空罐、真空机组等；② 数据采集系统，对实验中温度、压力、流量等数据进行实时测量与采集,采用铜/康铜热电偶测量温度，测温误差在±0.2 ℃内,采用ZJ-1P型压阻真空规管测量真空罐内压力，测量精度为±1.0%,采用LWGYC-4型涡轮流量传感器测量工质流量，测量误差在±0.5%内；③ 热负荷加载系统,热负荷由模拟流体回路系统提供，具有工质温度、流量连续可调功能；④ 水升华器实验件及其供水系统,水升华器实验件为平板型，通过冷板与模拟流体回路进行热耦合。实验过程中，实验件固定于真空罐内，水工质贮存在贮箱中，通过给水管路供给水升华器。

2.2 自强化实验

2.2.1 实验工况

为考察水升华器的自强化效应，对新装配的水升华器进行启动实验。水升华器实验件共3件，编号为1#、2#、3#。实验件多孔板渗透率的原始数据及启动条件见表2。实验件启动给水压力均为(17±0.5)kPa。

为考察多次运行过程自强化现象对水升华器稳态散热功率的影响情况，在相同热负荷条件下，对实验件1#、2#进行4次启动实验；为考察自强化现象对水升华器防击穿性能影响情况，提高流体回路冷板入口温度直至高于实验件可承受的极限温度(由前期研究得出，本文为(45±0.5)℃)，对实验件3#进行高温启动，发生击穿后，对3#进行状态恢复。降低冷板入口温度，进行一次成功启动，之后仍进行高温启动，考察水升华器防击穿性能的变化。

表2实验件多孔板渗透率及启动条件

Table2Porousplatepermeabilityandstartupparametersofspecimen

实验件1#2#3#多孔板渗透率/(10-13m2)1.31.021.4冷板入口温度/℃20±0.520±0.545±0.5工质体积流量/(L·h-1)150±2150±2100±2

2.2.2 实验结果及分析

1) 自强化对稳态散热功率的影响

水升华器1#与2#前4次启动均成功，稳态散热功率随启动次数变化的情况见图4(a)。其中，水升华器1#每次启动实验中冷板进出口温度见图4(b)。由图4可知，不同水升华器在同一条件下多次启动，每次启动后稳态散热功率均随启动次数的增加而减小，且每次减小的幅度逐渐降低，3～4次启动后，稳态散热功率趋于恒定。

这是由于：对于水升华器的初始几次启动，多孔板经过结冰膨胀的“再加工”过程，会产生塑性形变。停止实验后，多孔板参数相对于实验前发生了改变，总体渗透率减小。因此，下一次相同条件启动时，由于多孔板渗透率减小，水蒸汽流阻变大，质量流量减小，有效蒸发/升华散热面积减小，从而导致不同次启动之间，稳态散热功率会下降。

随着启动次数增多，多孔板结构经过形变后固化，一定启动次数之后，多孔板弹性比例极限得到提高，多孔板受到结冰膨胀作用后只发生弹性形变，不再产生塑性形变，多孔板参数会逐渐固化。因此，一定启动次数之后，水升华器稳态散热功率趋于稳定。这与前文的理论定性分析结果是相符的。

对水升华器的稳态散热功率Q与启动次数x之间的关系进行拟合，可得

Q(x)=Q∞(1+A0e-x/τ)

(1)

式中：Q(x)为水升华器第x次启动之后的稳态散热功率；Q∞为特定工况下水升华器的本征稳态散热功率，由水升华器的结构形式、结构参数(给水腔厚度、多孔板初始孔径、厚度、孔隙率、渗透率等)、给水压力、热负荷(流体回路温度及流量)等参数决定，表示理论上经过无限次启动、多孔板参数完全固化后在特定工况下水升华器的稳态散热功率；A0与τ为拟合常量。

对于实验件1#与2#，分别有

Q1#(x)=283.3(1+1.39e-x/0.77)

(2)

Q2#(x)=287.2(1+1.93e-x/0.42)

(3)

对式(1)变形，可得稳态散热功率与Q∞之间的偏差为

(4)

可见，稳态散热功率与Q∞之间的偏差呈指数形式减小，A0与τ代表了稳态散热功率的衰减速度，由水升华器的结构形式、结构参数(尤其是多孔板参数)决定。对于本文研究的水升华器，在给水压力、热负荷等条件相同的工况下，实验件1#和2#分别启动4次和3次之后，各自稳态散热功率与相应Q∞的偏差将小于1%。

2) 多孔板渗透率与自强化的关系

比较图4(a)中水升华器1#与2#的稳态散热功率可知，多孔板渗透率越大的水升华器稳态散热量随启动次数增加衰退得更严重。

这是由于：渗透率大的多孔板，孔隙结构强度小[20]，水升华器工作过程对多孔板再加工效果更明显。类似原理，对于同一多孔板，水升华器第1、第2次启动之间衰退程度大，第2、第3次启动之间衰退程度小，该现象也是多孔板自强化过程的辅证。第1次启动后，多孔板弹性比例极限得到提高，第2次启动的加工效果也比第1次小。随着启动次数增多，多孔板逐渐经过自强化，强度逐渐提高，之后水升华器的运行过程对多孔板结构的影响也越来越小，最终多孔板参数逐渐固化。

3) 自强化对防击穿性能的影响

水升华器3#在流体回路初始温度45 ℃条件下，初次启动时发生了击穿。随后对水升华器3#进行状态恢复，其他条件不变，在流体回路温度40 ℃条件下启动，启动成功。之后，水升华器3#再次状态恢复后，其他条件不变，进行流体回路温度45 ℃条件下的启动，启动成功。且之后在 45 ℃条件下启动，均未再发生击穿故障。说明水升华器3#在40 ℃条件下启动成功后，经过多孔板自强化，防击穿能力得到了加强。

这是由于水升华器在40 ℃条件下成功启动后，经过多孔板自强化，多孔板平均孔径减小，导致水工质在多孔板中流动阻力变大，流速变慢，蒸发界面向真空侧移动速度变慢，从而不易发生击穿，防击穿能力得到提升，该现象也与前文理论定性分析结果相符。

3 结 论

本文从微观角度分析了水升华器多孔板结冰自强化机理，并针对该现象对水升华器性能的宏观影响开展了实验研究。

1) 由于多孔板的自强化效应，水升华器在同一条件下多次启动，稳态散热功率随着启动次数的增加而减小，且每次减小的幅度逐渐降低。对于本文结构形式及参数的水升华器，启动3～4次后，稳态散热功率趋于稳定。由实验数据得到了水升华器稳态散热功率与启动次数之间的拟合关系式。

2) 渗透率越大的多孔板，孔隙结构强度小，水升华器工作过程对多孔板的再加工程度越大，因而自强化效果更明显。

3) 多孔板的自强化效应可以提升水升华器的防击穿能力。

研究结果为中国嫦娥五号工程提供了一定的设计依据，并得到成功应用，有力支持了探月工程三期任务的研制工作。此外，本文还针对多孔板内部结冰膨胀微观效应，开展了尝试性的浸泡冻结实验，实验结果能够间接验证自强化机理，后续还可以通过可视化等手段针对该效应开展进一步的研究。

致 谢

感谢何江博士对本文实验工作的指导及协助。