劉暢，寧獻(xiàn)文，苗建印，王玉瑩，呂巍，王錄

北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

水升華器作為一種消耗性熱控裝置，具有干質(zhì)量輕、體積小、效率高、耗費(fèi)少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且能適應(yīng)不同重力場(chǎng)，曾在國(guó)內(nèi)外航天器熱控及生保系統(tǒng)中得到多次成功應(yīng)用[1-8]。水升華器一般與流體回路結(jié)合使用，通過(guò)流體回路工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)收集熱量，由水升華器進(jìn)行熱排散，實(shí)現(xiàn)控溫。

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)Hamilton Standard公司、NASA載人航天中心等多家機(jī)構(gòu)就率先開(kāi)展了關(guān)于升華器技術(shù)的研究，對(duì)升華器的一維穩(wěn)態(tài)散熱特性[3-8]、工作模式[9]等進(jìn)行了深入研究，得出了影響升華器散熱性能的主要因素，包括供水壓力、熱負(fù)荷條件、真空度等外部因素，以及傳熱熱阻、多孔介質(zhì)厚度、孔徑、孔隙率等水升華器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于水升華器的防擊穿能力研究，馬歇爾中心于20世紀(jì)60年代末提出了對(duì)多孔板進(jìn)行疏水處理的辦法，提高液體滯留能力，從而提高防擊穿能力[3]；NASA約翰遜空間中心研制出了一種采用兩種孔徑多孔介質(zhì)相結(jié)合的兩級(jí)供水式防污染水升華器[10]，小孔介質(zhì)用于過(guò)濾給水中污染物，從而減少因污染物進(jìn)入多孔介質(zhì)內(nèi)部、逐漸堵塞多孔板并阻礙蒸發(fā)/升華相變過(guò)程而導(dǎo)致的水升華器擊穿；通過(guò)水升華器給水腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免熱流集中[11]，也是提高水升華器防擊穿能力的手段。

20世紀(jì)90年代，袁修干等針對(duì)艙外航天服用水升華器也開(kāi)展了較多的研究[12-14]，如多孔板參數(shù)、供水壓力等因素對(duì)水升華器散熱性能的影響。吳志強(qiáng)和沈力平[15]還針對(duì)多孔板憎水涂層對(duì)水升華器防擊穿能力及散熱性能的影響進(jìn)行了研究。中國(guó)空間技術(shù)研究院也主要針對(duì)探月工程三期嫦娥五號(hào)用水升華器的瞬態(tài)啟動(dòng)特性及穩(wěn)態(tài)散熱性能開(kāi)展了相關(guān)研究工作[16-19]。

然而，由于水升華器工作過(guò)程涉及復(fù)雜的氣-液-固相變傳熱傳質(zhì)耦合過(guò)程，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于水升華器開(kāi)展的理論研究較為匱乏，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行研究。同時(shí)，以上主要是從宏觀參數(shù)上對(duì)水升華器性能進(jìn)行研究，涉及多孔板參數(shù)時(shí)，均假定水升華器工作過(guò)程多孔板參數(shù)不會(huì)發(fā)生改變。而水升華器啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，多孔板內(nèi)部發(fā)生的結(jié)冰膨脹過(guò)程會(huì)對(duì)多孔板微結(jié)構(gòu)進(jìn)行再加工，從而影響水升華器防擊穿能力、穩(wěn)態(tài)散熱功率等宏觀性能，這方面的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文在對(duì)水升華器工作機(jī)理及多孔板微孔演化機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)多孔板結(jié)冰自強(qiáng)化微觀效應(yīng)對(duì)水升華器宏觀性能的影響開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一定規(guī)律。

1 水升華器工作原理及多孔板結(jié)冰自強(qiáng)化

1.1 水升華器的工作原理及擊穿

研究對(duì)象為平板型水升華器，主要由多孔板、給水腔和冷板構(gòu)成，如圖1(a)所示, 圖中，Psat為相變界面處飽和蒸汽壓力;Pw,in為入水孔處供水壓力；Tf,in為流體回路入口處工質(zhì)溫度；Tf,out為流體回路出口處工質(zhì)溫度。水升華器啟動(dòng)后，液態(tài)水工質(zhì)依次流入給水腔和多孔板，暴露在高真空環(huán)境下，由于環(huán)境壓力遠(yuǎn)小于水的三相點(diǎn)壓力，液態(tài)水會(huì)迅速蒸發(fā)吸熱，后續(xù)水溫迅速下降，直至在多孔板內(nèi)結(jié)冰，阻止水工質(zhì)進(jìn)一步流入；冰在真空中直接升華為水蒸汽，繼續(xù)吸熱；在熱負(fù)荷作用下，冰層逐漸消失，液態(tài)水再次蒸發(fā)、結(jié)冰，開(kāi)始新的升華過(guò)程。由水工質(zhì)的相變制冷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)散熱。

水升華器啟動(dòng)過(guò)程中，容易發(fā)生擊穿現(xiàn)象，即液態(tài)水沒(méi)有經(jīng)過(guò)凝固相變而直接穿過(guò)多孔板進(jìn)入真空環(huán)境。液態(tài)水穿出水升華器后，表面壓力驟降，將快速結(jié)冰，如圖1(b)所示。擊穿會(huì)大大降低水的利用率，嚴(yán)重削弱水升華器的散熱能力，甚至導(dǎo)致水升華器完全失效。擊穿是水升華器的主要失效模式，且流體回路溫度越高，該現(xiàn)象越容易發(fā)生[8]。由于水升華器啟動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)熱容的瞬態(tài)效應(yīng)，不利于水工質(zhì)的降溫結(jié)冰，因此相對(duì)于穩(wěn)定工作過(guò)程，啟動(dòng)過(guò)程更容易發(fā)生擊穿。

1.2 多孔板的結(jié)冰自強(qiáng)化機(jī)理及驗(yàn)證

1.2.1 多孔板結(jié)冰自強(qiáng)化機(jī)理

本文研究的水升華器采用的多孔板為不銹鋼粉末燒結(jié)多孔板[20-22]，其與致密不銹鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律類(lèi)似，具有形變硬化現(xiàn)象，即材料在一定條件下被預(yù)拉(或壓)到強(qiáng)化階段(屈服階段)，然后卸載應(yīng)力，材料會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，且再次進(jìn)行應(yīng)力加載時(shí)，材料彈性比例極限會(huì)得到提高，塑性將會(huì)降低。

對(duì)于結(jié)冰過(guò)程，相同質(zhì)量的液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)的冰后，體積將增加約10%，即會(huì)發(fā)生結(jié)冰膨脹現(xiàn)象。白莉[23]、康永水[24]等的試驗(yàn)表明：在負(fù)溫環(huán)境下，巖體中的水結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹，會(huì)對(duì)巖石骨架產(chǎn)生附加應(yīng)力(凍脹力)從而引起凍脹變形。

從微觀角度上看，水升華器啟動(dòng)運(yùn)行之后，與巖石凍脹變形過(guò)程類(lèi)似，水工質(zhì)在多孔板內(nèi)的結(jié)冰膨脹過(guò)程會(huì)對(duì)結(jié)冰位置附近的微孔造成擠壓，平行于給水方向的顆粒受壓，導(dǎo)致冰層上下表面附近的局部區(qū)域孔徑尺寸變小，而結(jié)冰位置處由于相互擠壓，垂直于給水方向的微孔尺寸基本不變。水升華器工作過(guò)程多孔板內(nèi)冰層很薄，在多孔板厚度方向占比小，其余部分均受到擠壓變形，多孔板微孔演化示意圖見(jiàn)圖2。因此，水升華器工作后，多孔板上部與下部孔徑減小，使得多孔板平均孔徑減小，整體滲透率降低。

因此可以推測(cè)，水升華器多次運(yùn)行后，由于結(jié)冰膨脹會(huì)對(duì)多孔板進(jìn)行應(yīng)力加載，使多孔板發(fā)生塑性變形與彈性變形。經(jīng)過(guò)多次形變硬化作用，多孔板塑性逐漸降低，每次運(yùn)行后塑性變形量將逐漸減小，多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)也將逐漸固化。將水升華器工作階段多孔板內(nèi)結(jié)冰膨脹對(duì)多孔板進(jìn)行的老化“再加工”過(guò)程定義為多孔板的自強(qiáng)化。

宏觀上，多孔板自強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)水升華器的影響主要有：① 由于多孔板平均孔徑減小，將導(dǎo)致啟動(dòng)過(guò)程中相同條件下水工質(zhì)在多孔板內(nèi)流動(dòng)阻力變大，流速變慢，蒸發(fā)界面向真空側(cè)移動(dòng)速度變慢，從而不易發(fā)生擊穿，防擊穿能力將會(huì)得到提升；② 由于平均孔徑減小，多孔板滲透率減小，相同條件下，水蒸汽質(zhì)量流量減小，有效相變散熱面積減小，這將導(dǎo)致水升華器工作過(guò)程穩(wěn)態(tài)散熱功率減小，在多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)趨于穩(wěn)定后，散熱功率將會(huì)趨于穩(wěn)定。

1.2.2 多孔板結(jié)冰膨脹機(jī)理的初步驗(yàn)證

為驗(yàn)證內(nèi)部結(jié)冰膨脹過(guò)程對(duì)多孔板的宏觀影響，考慮對(duì)多孔板進(jìn)行滲透率測(cè)試。為避免拆卸過(guò)程導(dǎo)致的多孔板破壞及其他可能引入的未知影響，且考慮到多孔板測(cè)試過(guò)程本身會(huì)對(duì)多孔板結(jié)構(gòu)造成的影響，因此，不對(duì)實(shí)驗(yàn)用多孔板進(jìn)行測(cè)試，而是采用同批次多孔板開(kāi)展相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

對(duì)未經(jīng)過(guò)前文實(shí)驗(yàn)的同批次生產(chǎn)的4塊多孔板試件進(jìn)行浸泡凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，即，將試件整體浸泡在去離子水中進(jìn)行凍結(jié)后烘干，凍結(jié)前后均按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5250-1993進(jìn)行試件滲透率測(cè)試，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，與凍結(jié)前的多孔板相比，凍結(jié)后試件滲透率均增大約30%～40%。結(jié)冰膨脹作用對(duì)多孔板的影響非常顯著，會(huì)使多孔板發(fā)生塑性變形。

該實(shí)驗(yàn)與水升華器實(shí)際工作過(guò)程并不完全一致，試件被全部浸泡在水中進(jìn)行凍結(jié)，因此試件整體會(huì)受到膨脹作用，從而導(dǎo)致滲透率增大。而水升華器工作過(guò)程多孔板內(nèi)僅有部分位置會(huì)結(jié)冰(很薄一層，在多孔板厚度方向占比很小)，其余部分均受到擠壓，因此可以推斷，多孔板內(nèi)冰層上下表面附近受到明顯的擠壓作用，最終使得多孔板整體滲透率減小的結(jié)論是成立的，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以間接證明該機(jī)理是正確的。

表1 多孔板試件凍結(jié)前后滲透率測(cè)量結(jié)果

2 水升華器多孔板自強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)件與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，由以下4個(gè)部分組成：① 真空系統(tǒng)，包括真空罐、真空機(jī)組等；② 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與采集,采用銅/康銅熱電偶測(cè)量溫度，測(cè)溫誤差在±0.2 ℃內(nèi),采用ZJ-1P型壓阻真空規(guī)管測(cè)量真空罐內(nèi)壓力，測(cè)量精度為±1.0%,采用LWGYC-4型渦輪流量傳感器測(cè)量工質(zhì)流量，測(cè)量誤差在±0.5%內(nèi)；③ 熱負(fù)荷加載系統(tǒng),熱負(fù)荷由模擬流體回路系統(tǒng)提供，具有工質(zhì)溫度、流量連續(xù)可調(diào)功能；④ 水升華器實(shí)驗(yàn)件及其供水系統(tǒng),水升華器實(shí)驗(yàn)件為平板型，通過(guò)冷板與模擬流體回路進(jìn)行熱耦合。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)件固定于真空罐內(nèi)，水工質(zhì)貯存在貯箱中，通過(guò)給水管路供給水升華器。

2.2 自強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)工況

為考察水升華器的自強(qiáng)化效應(yīng)，對(duì)新裝配的水升華器進(jìn)行啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。水升華器實(shí)驗(yàn)件共3件，編號(hào)為1#、2#、3#。實(shí)驗(yàn)件多孔板滲透率的原始數(shù)據(jù)及啟動(dòng)條件見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)件啟動(dòng)給水壓力均為(17±0.5)kPa。

為考察多次運(yùn)行過(guò)程自強(qiáng)化現(xiàn)象對(duì)水升華器穩(wěn)態(tài)散熱功率的影響情況，在相同熱負(fù)荷條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)件1#、2#進(jìn)行4次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)；為考察自強(qiáng)化現(xiàn)象對(duì)水升華器防擊穿性能影響情況，提高流體回路冷板入口溫度直至高于實(shí)驗(yàn)件可承受的極限溫度(由前期研究得出，本文為(45±0.5)℃)，對(duì)實(shí)驗(yàn)件3#進(jìn)行高溫啟動(dòng)，發(fā)生擊穿后，對(duì)3#進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)。降低冷板入口溫度，進(jìn)行一次成功啟動(dòng)，之后仍進(jìn)行高溫啟動(dòng)，考察水升華器防擊穿性能的變化。

表2實(shí)驗(yàn)件多孔板滲透率及啟動(dòng)條件

Table2Porousplatepermeabilityandstartupparametersofspecimen

實(shí)驗(yàn)件1#2#3#多孔板滲透率/(10-13m2)1.31.021.4冷板入口溫度/℃20±0.520±0.545±0.5工質(zhì)體積流量/(L·h-1)150±2150±2100±2

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1) 自強(qiáng)化對(duì)穩(wěn)態(tài)散熱功率的影響

水升華器1#與2#前4次啟動(dòng)均成功，穩(wěn)態(tài)散熱功率隨啟動(dòng)次數(shù)變化的情況見(jiàn)圖4(a)。其中，水升華器1#每次啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)中冷板進(jìn)出口溫度見(jiàn)圖4(b)。由圖4可知，不同水升華器在同一條件下多次啟動(dòng)，每次啟動(dòng)后穩(wěn)態(tài)散熱功率均隨啟動(dòng)次數(shù)的增加而減小，且每次減小的幅度逐漸降低，3～4次啟動(dòng)后，穩(wěn)態(tài)散熱功率趨于恒定。

這是由于：對(duì)于水升華器的初始幾次啟動(dòng)，多孔板經(jīng)過(guò)結(jié)冰膨脹的“再加工”過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生塑性形變。停止實(shí)驗(yàn)后，多孔板參數(shù)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)前發(fā)生了改變，總體滲透率減小。因此，下一次相同條件啟動(dòng)時(shí)，由于多孔板滲透率減小，水蒸汽流阻變大，質(zhì)量流量減小，有效蒸發(fā)/升華散熱面積減小，從而導(dǎo)致不同次啟動(dòng)之間，穩(wěn)態(tài)散熱功率會(huì)下降。

隨著啟動(dòng)次數(shù)增多，多孔板結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)形變后固化，一定啟動(dòng)次數(shù)之后，多孔板彈性比例極限得到提高，多孔板受到結(jié)冰膨脹作用后只發(fā)生彈性形變，不再產(chǎn)生塑性形變，多孔板參數(shù)會(huì)逐漸固化。因此，一定啟動(dòng)次數(shù)之后，水升華器穩(wěn)態(tài)散熱功率趨于穩(wěn)定。這與前文的理論定性分析結(jié)果是相符的。

對(duì)水升華器的穩(wěn)態(tài)散熱功率Q與啟動(dòng)次數(shù)x之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，可得

Q(x)=Q∞(1+A0e-x/τ)

(1)

式中：Q(x)為水升華器第x次啟動(dòng)之后的穩(wěn)態(tài)散熱功率；Q∞為特定工況下水升華器的本征穩(wěn)態(tài)散熱功率，由水升華器的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)(給水腔厚度、多孔板初始孔徑、厚度、孔隙率、滲透率等)、給水壓力、熱負(fù)荷(流體回路溫度及流量)等參數(shù)決定，表示理論上經(jīng)過(guò)無(wú)限次啟動(dòng)、多孔板參數(shù)完全固化后在特定工況下水升華器的穩(wěn)態(tài)散熱功率；A0與τ為擬合常量。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)件1#與2#，分別有

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

(2)

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

(3)

對(duì)式(1)變形，可得穩(wěn)態(tài)散熱功率與Q∞之間的偏差為

(4)

可見(jiàn)，穩(wěn)態(tài)散熱功率與Q∞之間的偏差呈指數(shù)形式減小，A0與τ代表了穩(wěn)態(tài)散熱功率的衰減速度，由水升華器的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)(尤其是多孔板參數(shù))決定。對(duì)于本文研究的水升華器，在給水壓力、熱負(fù)荷等條件相同的工況下，實(shí)驗(yàn)件1#和2#分別啟動(dòng)4次和3次之后，各自穩(wěn)態(tài)散熱功率與相應(yīng)Q∞的偏差將小于1%。

2) 多孔板滲透率與自強(qiáng)化的關(guān)系

比較圖4(a)中水升華器1#與2#的穩(wěn)態(tài)散熱功率可知，多孔板滲透率越大的水升華器穩(wěn)態(tài)散熱量隨啟動(dòng)次數(shù)增加衰退得更嚴(yán)重。

這是由于：滲透率大的多孔板，孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小[20]，水升華器工作過(guò)程對(duì)多孔板再加工效果更明顯。類(lèi)似原理，對(duì)于同一多孔板，水升華器第1、第2次啟動(dòng)之間衰退程度大，第2、第3次啟動(dòng)之間衰退程度小，該現(xiàn)象也是多孔板自強(qiáng)化過(guò)程的輔證。第1次啟動(dòng)后，多孔板彈性比例極限得到提高，第2次啟動(dòng)的加工效果也比第1次小。隨著啟動(dòng)次數(shù)增多，多孔板逐漸經(jīng)過(guò)自強(qiáng)化，強(qiáng)度逐漸提高，之后水升華器的運(yùn)行過(guò)程對(duì)多孔板結(jié)構(gòu)的影響也越來(lái)越小，最終多孔板參數(shù)逐漸固化。

3) 自強(qiáng)化對(duì)防擊穿性能的影響

水升華器3#在流體回路初始溫度45 ℃條件下，初次啟動(dòng)時(shí)發(fā)生了擊穿。隨后對(duì)水升華器3#進(jìn)行狀態(tài)恢復(fù)，其他條件不變，在流體回路溫度40 ℃條件下啟動(dòng)，啟動(dòng)成功。之后，水升華器3#再次狀態(tài)恢復(fù)后，其他條件不變，進(jìn)行流體回路溫度45 ℃條件下的啟動(dòng)，啟動(dòng)成功。且之后在 45 ℃條件下啟動(dòng)，均未再發(fā)生擊穿故障。說(shuō)明水升華器3#在40 ℃條件下啟動(dòng)成功后，經(jīng)過(guò)多孔板自強(qiáng)化，防擊穿能力得到了加強(qiáng)。

這是由于水升華器在40 ℃條件下成功啟動(dòng)后，經(jīng)過(guò)多孔板自強(qiáng)化，多孔板平均孔徑減小，導(dǎo)致水工質(zhì)在多孔板中流動(dòng)阻力變大，流速變慢，蒸發(fā)界面向真空側(cè)移動(dòng)速度變慢，從而不易發(fā)生擊穿，防擊穿能力得到提升，該現(xiàn)象也與前文理論定性分析結(jié)果相符。

3 結(jié) 論

本文從微觀角度分析了水升華器多孔板結(jié)冰自強(qiáng)化機(jī)理，并針對(duì)該現(xiàn)象對(duì)水升華器性能的宏觀影響開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。

1) 由于多孔板的自強(qiáng)化效應(yīng)，水升華器在同一條件下多次啟動(dòng)，穩(wěn)態(tài)散熱功率隨著啟動(dòng)次數(shù)的增加而減小，且每次減小的幅度逐漸降低。對(duì)于本文結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)的水升華器，啟動(dòng)3～4次后，穩(wěn)態(tài)散熱功率趨于穩(wěn)定。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了水升華器穩(wěn)態(tài)散熱功率與啟動(dòng)次數(shù)之間的擬合關(guān)系式。

2) 滲透率越大的多孔板，孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小，水升華器工作過(guò)程對(duì)多孔板的再加工程度越大，因而自強(qiáng)化效果更明顯。

3) 多孔板的自強(qiáng)化效應(yīng)可以提升水升華器的防擊穿能力。

研究結(jié)果為中國(guó)嫦娥五號(hào)工程提供了一定的設(shè)計(jì)依據(jù)，并得到成功應(yīng)用，有力支持了探月工程三期任務(wù)的研制工作。此外，本文還針對(duì)多孔板內(nèi)部結(jié)冰膨脹微觀效應(yīng)，開(kāi)展了嘗試性的浸泡凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠間接驗(yàn)證自強(qiáng)化機(jī)理，后續(xù)還可以通過(guò)可視化等手段針對(duì)該效應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

致 謝

感謝何江博士對(duì)本文實(shí)驗(yàn)工作的指導(dǎo)及協(xié)助。