空间膜式水蒸发器研究概述

戴承浩，苗建印，何 江，王玉莹

（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）

0 引言

空间膜式水蒸发器（SWME）是一种依靠特殊的膜结构实现相变工质分离的消耗型散热装置：只透气不透液的半透膜内侧为相变工质，外侧的真空环境会加速工质在膜内侧吸热气化，正常工作条件下半透膜只允许气化的工质透过膜上微孔，在质量耗散的同时带走工质液-气相变潜热。作为一种新型主动热控装置，SWME 质量轻、可靠性高、在一定背压环境下也能高效热排散，是解决空间短时大功率、工作次数有限、无法提供有效辐射散热通道等情况下散热问题的有效辅助装置[1]。

NASA 于20 世纪70 年代开展过基于膜技术的高效蒸发散热研究；近年来在X-37B 可重复使用飞行器、载人火星探测和长期驻留月球基地等项目的推动下，NASA 又重启了SWME 的研究，现已研制出4 代原理样机并进行了地面试验，但尚未开展飞行试验。

本文对美国NASA 空间膜式水蒸发器的相关研究进行了调研，分析并总结空间膜式水蒸发器（以下简称膜蒸发器）散热工作原理、技术特点和发展趋势，以期为后续研究提供参考。

1 膜蒸发器研究背景

辐射散热是航天器向外太空热量排散的主要方式，但在某些特殊场合仍需消耗型散热作为辅助措施，升华器和蒸发器是两种典型的消耗型散热装置[2]。从20 世纪60 年代开始，水升华换热装置得到空间应用并显示出其轻质小型、高效热排散的特点，但几十年的使用过程也暴露出升华多孔板对结冰、腐蚀物、污染物的敏感性以及升华器正常工作时的背压限制。相比于升华器严苛的背压限制，蒸发器无需结冰，因此可以在具有较高绝对压力的空间环境使用，并避免了升华器多孔板相关问题。

空间应用背景中，基于膜结构实现气-液分离，同时消耗工质进行热排散的理论研究主要见于NASA 的公开报道。在先进舱外机动单元的研制中，NASA 自20 世纪70 年代开展了高效膜蒸发散热研究[3]，但在研制了一种膜蒸发/升华散热器后就中止了该项目。考虑到水升华器的应用限制，在2005 年NASA 开 展 的“ 星 座” 宇 航 服 计 划（Constellation System Spacesuit Element，CSSE）中[4]，研究人员提出要研制一种新型基于多孔疏水膜的蒸发器（SWME）为航天员和电子设备散热（参见图1）。在满足散热指标（真空环境中能在91 kg/h 的流量下实现810 W 的散热能力，同时换热工质出口温度控制在10 ℃左右）的基础上，这种新型散热装置的特点为：1）能在水三相点压力以上的多种压力环境下工作，包括火星表面、近地空间等工作场合；2）对消耗型工质（水）的质量不敏感（甚至可以使用在轨饮用水）[5]，取消独立的供水系统，直接耦合在流体回路；3）独特的疏水半透膜可以对流体回路进行脱气，故取消回路的除气装置；4）方便航天员在轨维修替换。

图 1 膜蒸发器连接到PLSS2.0 液冷服Fig. 1 SWME connected with LCVG of PLSS2.0

最近，为满足我国航天事业快速发展对空间热排散技术的更高要求，戴承浩等[1]也在该方向开展了相应的理论分析和试验研究。

2 美国膜蒸发器研制及试验进展

根据NASA 膜蒸发器的研制情况，可将其研究分为两个阶段：1）20 世纪70 年代到20 世纪末的早期探索阶段，相关研究在对空间用膜蒸发器构型进行探索之后就被中止；2）2005 年以后依托“星座”宇航服计划开展的基于两种构型膜蒸发器相应的试验研究。

2.1 膜蒸发器构型探索

在NASA 公开的文献报道中，20 世纪70 年代及90 年代末，研究人员设计了两种膜蒸发器：一种为基于中空纤维的膜蒸发/升华散热器，另一种为管式膜蒸发器。

1）中空纤维膜蒸发器的雏形

20 世纪70 年代初，AiResearch. Mfg 公司为NASA研制了一种膜蒸发/升华器（Membrane Evaporator/Sublimator），其构型如图2 所示。该蒸发/升华器内部的列管是30～250 μm 的薄壁半透中空纤维，这种纤维管径小，因此可以承受相对较高的压力。在该装置中半透中空纤维膜组件既传输热量又传输质量。当流体流经纤维管时，一部分水渗入纤维管壁，然后在壳侧纤维表面发生相变。对纤维素和醋酸纤维素两种膜材料组件进行试验，结果证明了通过半透薄膜的渗透蒸发实现冷却的可行性，研究人员认为控制该装置散热功能实现的关键部件是试验时使用的应用于“双子星”舱外生命维持系统（Gemini chestpack ELSS）的高可靠性蒸气/热控阀。

图 2 膜蒸发/升华器构型Fig. 2 Configuration of membrane evaporator/sublimator unit

2）管式膜蒸发器的雏形

1999 年，约翰逊空间中心（JSC）的Ungar 和Thomas 开始研究管式膜蒸发器[6]并于2001 年研制出一种样机（图3），其结构为单个环形薄膜水路通道，薄膜相向的内侧为连接流体回路的水路通道，薄膜外侧为气路，蒸发器腔内保持真空状态。该装置实现了背压48 Pa、流量90 kg/h、入口温度15.6 ℃的条件下480 W 的散热能力。

图 3 早期管式膜蒸发器原理样机Fig. 3 Principle prototype of original annuli SWME

2.2 应用于“星座”计划先进舱外机动单元（EMU）的膜蒸发器

在早期构型探索的基础上，JSC 从2009 年开始分别研制出基于中空纤维膜组件和管式膜组件构型的全尺寸原理样机并进行了散热性能的对比试验。

1）同轴套管式膜蒸发器（SAM SWME）

SAM SWME 基于管式膜组件，将6 片覆盖在同轴管状支撑网上的薄膜采用间壁式放置的方式构成3 条同轴的环形水路通道，与水路通道相隔的即为用来排放水蒸气的3 条气路通道（图4）[7]。在随后的性能测试中，SAM SWME 的散热能力远不及中空纤维膜蒸发器，考虑到管式膜蒸发器相对较低的膜比表面积、结构复杂的金属网状支撑以及大部分部件采用了较重的金属结构，其发展潜力远不如中空纤维膜蒸发器。

图 4 SAM SWME 剖视图及管式膜组件安装前后示意Fig. 4 Cutaway view and pre & post assembly of SAM SWME

2）中空纤维膜蒸发器（HoFi SWME）

中空纤维膜蒸发器包括背压控制阀、供液腔、集液腔、腔体、膜组件等，其工作原理见图5。供液腔、集液腔与中间段腔体密封良好，两腔仅依靠中空纤维管束相连—这些纤维膜上分布有只透气不透液体的半透微孔，提供工质流动通道和换热表面（热流体回路工质走管程）；中间段腔体依靠背压阀控制与外界真空环境的连通。

图 5 中空纤维膜蒸发器工作原理示意Fig. 5 Operation principle of HoFi SWME

整个系统采用一套流体回路，膜蒸发器直接耦合到回路中，水工质进入集液腔内后以一定的压力流入中空纤维管束；由于液态水和中间段腔体仅依靠半透膜提供隔离屏障，所以在气路上是相对连通的，当膜外腔体侧压力足够小（小于内侧膜面温度下水相应的饱和蒸气压）时，在中空纤维膜管内流动的水工质会加速在内侧膜表面附近气化（类似闪蒸的过程）；产生的蒸气在膜两侧气压差的推动下由纤维膜壁上的半透微孔排到中间段腔体，再经由背压阀排放到外部环境中，只要蒸气排出速率足够快，不至于引起腔体内压力过高，则相变过程就能够持续进行；未发生相变的水工质继续沿着纤维管到达集液腔。由于部分水工质携带潜热以气相分离，带走了回路流体的部分热量，从而通过质量耗散的方式实现该回路流体的自我却冷。

第一代中空纤维膜蒸发器有很高的膜比表面积，中空纤维管可以提供0.6 m2的散热面积（而现有的EMU 中水升华器仅能提供0.03 m2的散热面积），散热面积的增加使其抗污染能力提高，理论上膜蒸发器可以支撑100 次EVA（单次EVA 工作时间为8 h）[8]。在此基础上，研究人员从2010 年开始又研制了三代新型膜蒸发器，表1 对四代中空纤维膜蒸发器的特点进行了总结。

前两代中空纤维膜蒸发器原理样机研制完成后，进行了一系列性能试验[8-9]，情况如表2 所示。

表 1 四代中空纤维膜蒸发器特点Table 1 Characteristics of SWME of four generations

表 2 前两代中空纤维膜蒸发器性能试验Table 2 List of experiments for Gen1 & Gen2 HoFi-SWME

2.3 空间膜式水蒸发器研制的发展趋势

综上所述，NASA 新型膜蒸发器的研究注重于进一步优化膜蒸发器的结构，提升散热性能，增强其在不同工作场合下的适应性。其发展趋势表现为：1）研制更加灵活、适应各种应用场合的不同尺寸、外形的膜蒸发器；2）研制质量更轻、强度更高的膜组件框架，减少膜蒸发器系统的资源占用；3）研究膜蒸发器在复杂压力环境下稳定运行的控制机制；4）研制新型高可靠性、高性能的背压控制阀，以期进一步提升膜蒸发器的散热性能。

3 结束语

NASA 早在20 世纪70 年代就已研制了基于膜结构的蒸发散热装置，且于2010 年前后开展了更为先进的第四代中空纤维膜蒸发器原理样机的研制和试验工作，并在其未来的新型宇航服系统中进行了地面联合试验。虽然基于半透微孔膜的蒸发散热技术尚未进行飞行验证，但NASA 开展的原理样机研制及相关试验结果表明：基于半透微孔膜的蒸发散热技术可以有效解决空间短时大功耗的散热问题，不仅可以应用于空间真空环境，在稀薄大气环境下也有较好的散热性能，而且具有更强的抗污染能力。这也是其与升华器最主要的不同之处，所以膜蒸发器作为辅助散热装置在宇航服热管理、大功率航天器短时热排散、再入/进入阶段无常规散热通道等领域有巨大的应用前景。

本文通过梳理NASA 在膜蒸发器领域开展的研究工作和主要成果，初步揭示了膜蒸发器的散热特性以及影响散热性能的关键因素，为我国后续开展的基于膜结构的高效蒸发散热装置研究提供借鉴。