载人航天器热排散方式分析

齐 岳，许耀午，马 邝，王鹏程，段加林，张耀光

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094； 2.中国载人航天工程办公室，北京 100071）

0 引言

空间环境中没有大气，航天器内乘员和设备产生的废热无法通过空气对流的方式进行排散，一般采用流体回路的方式将整器废热收集[1]，并通过水升华器和辐射器散热等方式将收集到的废热排散到空间中。同时还需要将密封舱内载人环境控制在适宜的温度和湿度。

目前国内对水升华器和辐射器等散热途径的机理研究已比较充分，吴志强等[2]对多孔板水升华器在恒热流条件下的试验进行了研究；廖俊元等[3]对水升华器升华模式进行理论分析与数值仿真；卢国鹏等[4]进行了空间辐射器热设计及涂层热物性测量研究；刘欣等[5]进行了可展开式辐射器热控方案对航天器轨道调整的适应性分析。此外，还有参考地面热泵技术，通过热泵提高辐射器散热能力的方式，付振东等[6]根据假设的月面工况，对高能效比热泵系统进行了研究。但是从整器系统层面考虑，综合对比不同散热途径在不同任务工况下的效果与系统代价的研究非常少见，只有文金远等[7]基于假设的月球居住舱系统对单相回路及热泵回路热控系统进行了对比分析，但并未将水升华器纳入考虑。

本文通过对不同任务工况下，载人航天器选择不同热排散方案的效果与系统代价进行综合分析，并给出对比结论，以期为后续我国载人深空探测任务提供参考。

1 载人航天器散热方式选择

1.1 传统散热方式

由于航天器在轨整器在真空环境中难以进行高效热量传递，所以一般先使用主动流体回路的方式收集整器废热[8]，然后再选择适当的方式将废热排散到空间中。“阿波罗”任务月面着陆器采用水升华器排散废热；“阿波罗”任务载人飞船、国际空间站和“神舟”飞船等均采用辐射器排散废热。

1）水升华器

水升华器的热排散原理基于工质水的相变潜热：航天器中流体回路收集废热后，通过换热器将废热传递给水升华器中的水，这些水渗透进入水升华器多孔板；由于多孔板的外表面暴露在真空环境中，当不断渗透进多孔板内的水达到三相点压力（约610 Pa）时，水将凝固成冰，同时进行升华[2]，利用液态水—固态水—气态水的相变潜热进行热量排散。其散热能力的数学表达式为

式中：ΔH为水的相变潜热，2500 kJ/kg；m为水的质量，kg；q为航天器散热需求，W；t为散热时间，s。散热需求为2000 W 的航天器，维持工作1 d，则需要耗水约69 kg。图1 为水升华器工作原理。

2）辐射器

图2 所示为辐射器工作原理示意。辐射器的热排散原理是通过设置低太阳吸收比、高红外发射率的散热面将废热向真空排散。辐射器一般使用铝合金或钛合金板作为原材料，流体回路的一部分焊接在辐射器上。

图2 辐射器工作原理Fig.2 Working principle of radiator

散热过程的数学表达式为：

式中：q1为辐射器向外辐射热量，W；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常量，5.67×10-8W/(m2·k4)；T为辐射器平均温度，K；ε为辐射器表面发射率，取0.85；τ为辐射器肋效率，取0.85；S为辐射器散热面积，m2；q2为辐射器接收到的太阳辐照热量，W；qs为太阳常数，取1367 W/m2；α为太阳高度角，表示太阳光矢量与辐射器平面的夹角；ρ为辐射器表面太阳吸收比，取0.1；q3为辐射器接收到的其他外来热量，W，一般可忽略不计。

1.2 散热方式改进

由式(1)可知，水升华器的热排散能力与工质物理特性相关，因此很难通过其他手段提高单位工质的热排散能力，优化空间有限。

由式(2)～式(4)可知，辐射器散热方式受到的影响因素较多，但是如果航天器处在一个相对确定的热环境下，且辐射器性能已经确定，则影响辐射器散热的参数只有其平均温度T。故可参考地面热泵的工作原理（见图3），提升辐射器散热的平均温度，通过额外付出部分功耗代价来提高整器散热能力，而无须增加系统质量代价。热泵能力一般用热泵效率（COP）表达，

图3 热泵工作原理Fig.3 Working principle of heat pump

式中W为热泵功耗，W。

2 载人航天器散热途径分析

2.1 计算边界选择

本文选择载人月球探测器可能面临的3 种典型任务工况进行计算，工况参数如表1 所示。其中，按照任务时间为3 d 计算，航天器整器设备热耗为2000 W，密封舱内乘员为2 人，考虑工况1、2、3下外部环境向密封舱内倒灌的热量分别为0 W、200 W、400 W，得到各工况下的总散热需求。密封舱控制温度设置为26 ℃，相对湿度50%，则露点为15 ℃。为保证密封舱内冷凝控温需求，设计流体回路进入密封舱冷凝器的入口温度为10 ℃。计算辐射器散热能力时，由于需要满足3 d 任务周期中的最大散热需求，工况2 太阳高度角取50°，工况3 太阳高度角取90°。

表1 典型任务工况参数Table 1 Working conditions of typical missions

2.2 不同热排散方式系统资源代价对比

以工况2 为例，对不同散热方式进行计算。此工况下，航天器整器设备热耗为2000 W，乘员2 人（干湿换热共400 W），外部环境倒灌热量200 W，则总散热需求为2600 W。

1）使用水升华器进行热排散时，由式(1)计算得到水升华器在3 d 任务中的耗水量为269.6 kg，考虑水升华器本身设备质量约20 kg，则系统总质量代价为289.6 kg。

2）使用辐射器进行热排散时的流体回路如图4所示，流体回路经辐射器散热后直接进入密封舱，收集整器废热后回到辐射器散热，形成流体回路循环。计算中忽略整器热耗与辐射器散热带来的流体回路温度变化，认为流体回路进入密封舱时的温度与辐射器平均温度相等，则辐射器平均温度为10 ℃。根据式(2)～式(4)计算得到，在3 d 任务中，太阳高度角最高时辐射器散热能力为158.7 W/m2，排散2600 W 热量需要的辐射器面积为16.4 m2。

图4 辐射器热排散流体回路示意Fig.4 Schematic of thermal emission of fluid loop for radiator

3）依据1.2 节的改进方式，使用热泵系统提高辐射器散热能力。综合考虑热泵系统冷端、热端换热温差以及COP 优化曲线，取辐射器平均温度为65 ℃，此时热泵效率约为3[6]，由式(5)可知热泵功耗为1300 W。由式(2)～式(4)计算可得辐射器散热能力为431.0 W/m2，此时总散热需求为航天器散热需求与热泵功耗之和3900 W，需要的辐射器面积为9.0 m2。

2.3 系统代价综合评估

利用公式

对不同散热方式的系统代价进行综合评估，式中：M为系统总质量代价，kg；γ1为单位面积辐射器质量；γ2为提供热泵功耗的电源系统质量系数。参考NASA 技术报告中公布的数据，γ1取5 kg/m2，γ2取0.020 2 kg/W[9]。

3 分析与讨论

根据第2 章给出的计算边界与系统代价分析方法，可得到不同工况下航天器采用不同散热途径的系统资源代价如表2 所示。

表2 各工况下不同散热途径资源代价Table 2 Resource costs of different thermal emission modes under different working conditions

根据表2 中计算结果可以发现，水升华器方案的质量代价最大，主要是消耗的水工质。但是如果任务时间较短，类似于美国“阿波罗”任务首次登月的8 h 时间来计算的话，若航天器散热需求不变，则耗水量仅约27.6～32.3 kg，尤其太阳高度角较大时，水升华器的系统质量代价将远远低于使用辐射器与热泵的系统质量代价，且不需要付出额外的功耗代价。但是水升华器散热效率受限于工质水的物理特性，几乎无法提高。何立臣等[10]曾对含冰模拟月壤水资源提取进行了试验研究，结果显示对于初始含水量10%，初始温度-15 ℃的含冰模拟月壤，在500 W 的加热功率下，1 h 之后收集到的冷凝水量仅为15 g，说明水资源原位利用技术也难以满足航天器水升华器的散热耗水需求。综上，选择水升华器作为热排散途径优于使用辐射器与热泵。

对于使用辐射器与热泵的热排散途径，太阳高度角较小时，由于辐射器散热能力较强，使用热泵提高热排散能力的收益较小；但随着太阳辐照对辐射器影响的增大，使用热泵提高辐射器散热能力的效果逐渐明显，太阳高度角最大时可节约52%的辐射器面积，27%的系统综合质量代价。不过，使用热泵提高辐射器散热能力的方式虽然系统综合质量代价优化效果明显，但是热泵功耗较大，将使整器供电需求增加约50%。因此，需要结合航天器电源系统能力进行评估，决定是否使用热泵。

4 结论

本文对载人航天器散热途径选择进行了初步研究，并得到如下结论：

1）水升华器散热途径主要质量代价来源于消耗的工质水，短期任务的使用情况下系统质量代价较小。

2）热泵可以显著提高辐射器散热能力，且改进效果随太阳高度角升高而增加，太阳高度角为90°时提升效果最高。

3）热泵对系统散热能力的提升虽效果明显，但需增加整器供电需求约50%，故是否选用需要结合航天器电源系统能力进行综合评估。

综上，水升华器散热方式更适合小规模、短期的探测任务；对于中长期载人探测飞行器以及未来的载人月球或火星探测基地任务，使用辐射器与热泵技术可以更大幅度降低系统质量代价。