付振東，楊 琦，吳 琪，曹劍峰，徐 侃，苗建印

（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）

0 引言

1969年7月20日，人類第一次踏上月球，開啟了征服地外天體的新篇章。半個(gè)世紀(jì)后，美國國家航空航天局（NASA）提出阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃，將于2024年運(yùn)送兩名航天員到月球南極，并于2028年建立月球永久基地，實(shí)現(xiàn)人類在月球的定居，甚至作為人類前往火星或其他星球的中轉(zhuǎn)站。俄羅斯聯(lián)邦航天局（RKA）也宣布了其登月計(jì)劃，即2025年前后實(shí)現(xiàn)載人登月，2035年后建立完整的、可居住的月球基地。歐空局（ESA）也宣布計(jì)劃于2025年開始相關(guān)的登月任務(wù)。日本宇航研究機(jī)構(gòu)（JAXA）宣布將在2035年進(jìn)行登月任務(wù)并建立燃料工廠。由此可見，未來數(shù)十年內(nèi)，各個(gè)航天大國都以載人登月和建立月球科考站為近期目標(biāo)，這也是航天領(lǐng)域最重要的探索之一。

與傳統(tǒng)的月球探測(cè)任務(wù)不同，無論是短期的載人登月任務(wù)還是長期的永久居住基地，熱控系統(tǒng)將面臨月球表面嚴(yán)酷熱環(huán)境帶來的前所未有的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：（1）極端溫度條件下的熱量排散和調(diào)配；（2）熱排散渠道的受限；（3）大規(guī)模的熱量傳輸[1]?？傊?，針對(duì)月面可居住移動(dòng)平臺(tái)以及永久月球基地，熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的突出問題是大功率的熱傳輸以及高溫環(huán)境的熱排散。目前為止，國內(nèi)外的熱控技術(shù)體系經(jīng)歷了三代發(fā)展，第一代為全被動(dòng)散熱，適應(yīng)整星1 kW以下熱耗，如東方紅一號(hào)；第二代為熱管強(qiáng)化散熱，適應(yīng)整星10 kW以下熱耗，如東方紅系列衛(wèi)星等；第三代為流體回路散熱，適應(yīng)30 kW以下的熱耗，如空間站等。面對(duì)未來的載人登月任務(wù)，前三代熱控技術(shù)已經(jīng)完全無法適應(yīng)，因此必須打破傳統(tǒng)的熱控技術(shù)體系，提出適應(yīng)未來發(fā)展的新一代熱控技術(shù)，即基于熱泵的大功率熱傳輸和熱排散技術(shù)。相比前三代熱控技術(shù)，熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)為：（1）輻射器面積大幅減少；（2）負(fù)載功耗變化時(shí)調(diào)節(jié)與適應(yīng)能力強(qiáng)；（3）可以用于制冷也可以用于制熱[2-7]。

關(guān)于采用熱泵強(qiáng)化航天器散熱的理論研究早有提出，然而受技術(shù)發(fā)展的限制，進(jìn)展十分緩慢。隨著大型航天器、空間站的發(fā)展，以及九十年代以來航天大國新一輪深空探測(cè)活動(dòng)的開展，熱泵技術(shù)越來越受到關(guān)注[8]。本文針對(duì)月面可居住移動(dòng)平臺(tái)的任務(wù)需求，提出了采用熱泵的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和運(yùn)行條件，并在此基礎(chǔ)上通過理論分析，對(duì)比常見的15種制冷工質(zhì)和4種熱力循環(huán)形式下系統(tǒng)能效比的差異，提出能效比最佳的設(shè)計(jì)方法。

1 基于熱泵的熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

1.1 月面可居住移動(dòng)平臺(tái)

月面可居住移動(dòng)平臺(tái)（Habitable Mobility Platform）是Artemis計(jì)劃提出的一種全封閉式月球漫游車，可以為兩名宇航員提供長達(dá)14天的居住和任務(wù)支持。其概念設(shè)計(jì)如圖1所示，可展開太陽能電池陣列位于車體兩側(cè)，車頂布置有輻射器和天線。

圖1 Artemis計(jì)劃中月面可居住移動(dòng)平臺(tái)概念圖Fig.1 Conceptual diagram of habitable mobility platform in the Artemis project

1.2 設(shè)計(jì)約束分析

對(duì)于月面可居住移動(dòng)平臺(tái)熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束主要是月面復(fù)雜環(huán)境的約束和其自身的約束。

（1）月表紅外輻射環(huán)境

根據(jù)登月著陸點(diǎn)的不同，月面可居住移動(dòng)平臺(tái)所處的月球紅外環(huán)境存在很大差異，從月球赤道日下點(diǎn)高達(dá)403 K的紅外輻射環(huán)境（紅外熱流密度最大達(dá)1 350 W/m2以上）到極地?zé)o日照接近于73 K（紅外熱流密度小于10 W/m2）的月球紅外環(huán)境，如圖2所示[1]，熱控系統(tǒng)將面臨高溫環(huán)境下的熱排散和低溫環(huán)境下的保溫生存的嚴(yán)峻問題[9]。

圖2 月球各緯度地區(qū)月表溫度曲線Fig.2 Surface temperature at lunar different latitudes

（2）月球重力加速度環(huán)境

月球表面存在著約1.62 m/s2的重力加速度（約1/6 g）。從我國“嫦娥”系列探測(cè)器傳回來的數(shù)據(jù)看，重力加速度的降低對(duì)傳統(tǒng)的熱控技術(shù)（主要是熱管和流體回路）有不利的影響，且不可忽略。

（3）多控溫需求

對(duì)于月面可居住移動(dòng)平臺(tái)，熱控系統(tǒng)除須滿足設(shè)備及艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)處于正常工作溫度范圍（253～323 K）的要求外，還須滿足載人熱環(huán)境要求（航天員駐留時(shí)，一般空氣溫度292～299 K）。因此，需在多任務(wù)、復(fù)雜空間熱環(huán)境條件下，通過合理設(shè)計(jì)使熱控系統(tǒng)具備對(duì)多種控溫溫區(qū)需求的支持能力，并在滿足控溫需求前提下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）散熱渠道受限

考慮到月晝情況下的熱排散，月面可居住移動(dòng)平臺(tái)的輻射器只能布置于車輛頂面，以盡可能降低月面紅外輻射對(duì)散熱面的影響。但是車頂面積有限，還必須布置天線等設(shè)備，留給輻射器的散熱面面積很小。

1.3 設(shè)計(jì)需求分析

1.3.1 散熱需求分析

月面可居住移動(dòng)平臺(tái)在月面駐留期間總散熱需求主要包括各個(gè)艙內(nèi)設(shè)備正常工作產(chǎn)生的熱量、航天員進(jìn)駐后熱濕代謝產(chǎn)生的熱量以及散熱面熱流倒灌的熱量3個(gè)部分，各個(gè)部分的散熱需求粗略估算如表1所列。由表可知，月面可居住移動(dòng)平臺(tái)在月面工作期間需要排散的總熱量為2 640 W。

表1 月面可居住移動(dòng)平臺(tái)月面工作期間散熱量需求統(tǒng)計(jì)Tab.1 Heat dissipation requirement during lunar surface

1.3.2 車內(nèi)控溫需求

月面可居住移動(dòng)平臺(tái)在航天員駐留期間必須保持車內(nèi)為292～299 K的舒適環(huán)境溫度，設(shè)備正常工作的控溫需求在253～323 K左右，因此將車內(nèi)溫度控制在296 K左右是合適的。考慮到換熱器的換熱溫差，用于控制月面可居住移動(dòng)平臺(tái)車內(nèi)溫度的流體回路的溫度應(yīng)該在288 K左右（氣液換熱溫差按照5～10 K考慮）。

1.3.3 散熱面溫度分析

根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定律，黑體的輻射能力與輻射溫度的四次方成正比，顯然散熱面溫度越高，其散熱能力越強(qiáng)。實(shí)際任務(wù)中，由于太陽照射在輻射器表面會(huì)使輻射器的散熱能力下降，輻射器實(shí)際排散的熱量應(yīng)該是按照斯特藩-玻耳茲曼定律計(jì)算出的輻射熱減去吸收太陽的熱量，如式（1）所示：

式中：Qrad為輻射器的散熱量，W/m2；ε為紅外發(fā)射率，對(duì)于常規(guī)輻射器一般取0.92；α為太陽吸收率，對(duì)于常規(guī)輻射器一般取0.2；σ為玻耳茲曼常數(shù)，為5.670 373×10-8W/（m2·K4）；Tsink為空間背景溫度，一般取10 K；Trad為輻射器散熱面溫度，K；Js為太陽常數(shù)，按照近日點(diǎn)取最大值為1 414 W/m2；φ為太陽角度，太陽正照時(shí)分為90°。

隨著散熱面溫度的提高，輻射器散熱能力增強(qiáng)，但是熱泵系統(tǒng)的能效比（COP）下降，意味熱泵的電功耗增加，而由此產(chǎn)生的熱耗也必須通過輻射器散出去，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。按照車頂面積12 m2計(jì)算，散熱面的溫度至少要在323 K以上，再考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率、輻射器總肋效率、熱泵與流體回路之間換熱溫差等因素，散熱面溫度最好在333 K以上。同時(shí)考慮到輻射器自身回路的工質(zhì)一般為全氟三乙胺，其沸點(diǎn)在341 K左右，因此將散熱面溫度選定338 K是合理的。從圖3可以看出，此時(shí)輻射器散熱能力約為400 W/m2，系統(tǒng)的COP在3左右，所需的電功率在1 250 W左右，排散3 000 W熱耗需要的散熱面面積約為8.8 m2（略小于頂面面積），因此從電功耗角度以及從散熱器面積角度考慮都是可以接受的。

圖3 蒸發(fā)溫度為283 K時(shí)輻射器散熱能力、散熱面面積及熱泵系統(tǒng)COP與散熱面溫度關(guān)系曲線Fig.3 Heat dissipation capacity，surface area and COP versus radiator surface temperature

1.4 設(shè)計(jì)指標(biāo)確定

由上述需求分析可以看出，與熱泵系統(tǒng)耦合的內(nèi)部流體回路（用于月面可居住移動(dòng)平臺(tái)車內(nèi)控溫）的溫度在288 K左右，外部流體回路（用于輻射器）的溫度在338 K左右，同時(shí)考慮到一般的液液換熱器的換熱溫差在5 K左右，因此可以得到熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)：

（1）蒸發(fā)溫度為283 K；

（2）冷凝溫度為343 K；

（3）系統(tǒng)散熱能力大于3 000 W（考慮月面可居住移動(dòng)平臺(tái)散熱需求加上熱泵自身功耗）。

2 高能效比熱泵系統(tǒng)理論研究

2.1 熱泵的基本原理

自然界中熱量總是從高溫向低溫方向傳遞，但是熱泵卻可以從低溫環(huán)境吸收熱量并將其釋放到高溫環(huán)境中，所需要的僅僅是少量的外部能源（遠(yuǎn)小于其吸收的熱量）。熱泵主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥及其他附屬部件組成，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中Qcon、Qevp和Wcom分別表示冷凝器散出的熱量、蒸發(fā)器吸收的熱量和壓縮機(jī)輸入的功率；p-h表示壓力-焓值熱力循環(huán)圖，數(shù)字1、2、3、4表示熱力循環(huán)中各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。

圖4 熱泵的結(jié)構(gòu)組成和熱力循環(huán)示意圖Fig.4 Structural composition and thermal cycle of heat pump

評(píng)價(jià)熱泵系統(tǒng)的循環(huán)性能可以采用其消耗單位能量所傳輸?shù)臒崃恐?，該比值稱為能效比，反應(yīng)了熱泵系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率，即比值越大，熱泵系統(tǒng)越節(jié)能。在GB/T 19409《水源熱泵機(jī)組》中定義熱泵處于制冷模式時(shí)用EER來表示制冷消耗功耗之比，熱泵處于制熱模式時(shí)用COP來表示制熱消耗功耗之比。在本文中，熱泵系統(tǒng)的作用是提高輻射器的排熱溫度，因此采用COP表示熱泵系統(tǒng)的能效比，如式（2）所示：

從COP的定義可以看出，在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度給定的情況下，影響系統(tǒng)COP的主要因素是工質(zhì)的選取和熱力循環(huán)的形式。

2.2 工質(zhì)的選擇

理想的熱泵工質(zhì)通常應(yīng)具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)，對(duì)機(jī)械部件無腐蝕性。選擇熱泵工質(zhì)時(shí)必須關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）毒性和可燃性要低；

（2）具有較高的臨界溫度（高于冷凝溫度）和較低的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)（低于蒸發(fā)溫度）；

（3）一定的溫度條件下，具有較低的冷凝壓力；

（4）比熱小，有利于減少節(jié)流損失和過熱損失；

（5）蒸發(fā)潛熱大，有利于提高效率；

（6）絕熱指數(shù)低，有利于降低排氣溫度，提高壓縮機(jī)容積效率；

（7）環(huán)境友好，即臭氧破壞指數(shù)（ODP）和溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP）要盡可能小。

本文選取市面常用的15種熱泵工質(zhì)，基于上述7點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工質(zhì)自身物性參數(shù)（數(shù)據(jù)來自美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的國際權(quán)威工質(zhì)物性計(jì)算軟件REFPROP）進(jìn)行對(duì)比與評(píng)分，評(píng)分由高到低分別使用A～E表示，如表2所列。

表2 不同工質(zhì)不同物性評(píng)分Tab.2 Comparison of different refrigerant in terms of different properties

從表2可以看出，不少工質(zhì)在某一方面具有突出的性質(zhì)，如R11的冷凝壓力很低，有利于系統(tǒng)管路的減重，但是對(duì)臭氧的破壞性很大，已經(jīng)全面禁止生產(chǎn)和使用；R717（氨）的潛熱非常大，傳輸同樣的熱量所需的流量小，有利于系統(tǒng)體積質(zhì)量的減少，但是有毒且冷凝壓力高。綜合評(píng)價(jià)，R134a（4項(xiàng)評(píng)分B、3項(xiàng)評(píng)分C）、R152a（3項(xiàng)評(píng)分B、4項(xiàng)評(píng)分C）和R1234ze（1項(xiàng)評(píng)分A、2項(xiàng)評(píng)分B、4項(xiàng)評(píng)分C）是較佳的選擇。

2.3 熱力循環(huán)形式

工質(zhì)從一個(gè)熱力狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過一系列的變化，最后又回到原來的熱力狀態(tài)所完成的封閉的熱力過程稱為熱力循環(huán)。熱泵系統(tǒng)的作用就是消耗機(jī)械能把熱量從低溫端輸送到高溫端，其最基本的熱力循環(huán)形式就是逆卡諾循環(huán)（Reverse Carnot Cycle）。在逆卡諾循環(huán)的基礎(chǔ)上，按照不同的高、低溫?zé)嵩春凸べ|(zhì)，以及單級(jí)壓縮循環(huán)、多級(jí)壓縮循環(huán)、準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)和自復(fù)疊循環(huán)等，給出了不同的熱力循環(huán)形式特點(diǎn)的對(duì)比，如表3所列。

表3 不同熱力循環(huán)形式的特點(diǎn)對(duì)比Tab.3 Comparison of characteristics of different thermal cycles

下面對(duì)15種不同工質(zhì)分別采用單級(jí)壓縮循環(huán)、兩級(jí)壓縮循環(huán)、準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)（包括噴液冷卻、閃蒸器、中間冷卻器）以及自復(fù)疊熱力循環(huán)形式下系統(tǒng)的性能進(jìn)行對(duì)比研究，系統(tǒng)中各計(jì)算點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)基于NIST的軟件REFPROP，計(jì)算程序基于美國Math Works公司的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件Matlab語言開發(fā)。

2.3.1 系統(tǒng)COP

上述15種工質(zhì)中除了3種混合工質(zhì)（R404A、R407C、R410A）無法構(gòu)建熱力循環(huán)，其他12種工質(zhì)在不同熱力循環(huán)形式下的COP如圖5所示。

圖5 不同工質(zhì)不同熱力循環(huán)形式下的COP對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of COP with different thermal cycles for different refrigerant

從圖5中可以得出結(jié)論：（1）從COP的大小可以看出，R11最佳，R227ea最差，其他工質(zhì)都在4.5～5.2左右，相差不大；（2）對(duì)于大部分工質(zhì)（R227ea除外），采用兩級(jí)壓縮循環(huán)和準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)（帶閃蒸器或經(jīng)濟(jì)器）后COP會(huì)略有提高，但是提高的幅度均在10%以內(nèi)，且系統(tǒng)相比單級(jí)壓縮會(huì)復(fù)雜很多，付出的代價(jià)更大；（3）采用噴液冷卻不會(huì)提高系統(tǒng)的COP；（4）對(duì)于R717，只能采用兩級(jí)壓縮循環(huán)才能保證排氣溫度在臨界溫度以內(nèi)，其COP大小僅次于R11。

2.3.2 壓縮機(jī)排氣溫度

上述不同工質(zhì)的不同熱力循環(huán)形式下排氣溫度如圖6所示。從圖中可以得出結(jié)論：（1）對(duì)于大部分工質(zhì)（R227ea例外），采用兩級(jí)壓縮循環(huán)或準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)后均可以大幅降低排氣溫度，降低幅度大都在10～15 K左右，排氣溫度低，就能夠提高壓縮機(jī)的容積效率。采用兩級(jí)壓縮循環(huán)或是采用準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)，對(duì)排氣溫度降低的程度是相近的；（2）單純從排氣溫度對(duì)比不同的工質(zhì)，R22和R717的排氣溫度最高，R152a次之，其他工質(zhì)相互比較接近。

圖6 不同工質(zhì)不同熱力循環(huán)形式下的壓縮機(jī)排氣溫度對(duì)比曲線Fig.6 Comparison of exhaust temperature with different thermal cycles for different refrigerant

2.3.3 壓縮機(jī)排氣壓力和壓比

上述不同工質(zhì)的不同熱力循環(huán)形式下排氣壓力和壓比如圖7所示。從圖中可以得出結(jié)論：（1）由于熱泵系統(tǒng)的冷凝溫度是固定不變的，其冷凝壓力也固定不變，因此壓縮機(jī)的排氣壓力也是固定不變的，與系統(tǒng)熱力循環(huán)的形式選擇無關(guān)；（2）R22和R717的排氣壓力最高（高于3 MPa），R11和R245fa的排氣壓力最低（低于1 MPa）；（3）壓縮機(jī)的壓比與排氣壓力大小正好相反，排氣壓力最低的R11和R245fa的壓比反而是最高的；（4）采用兩級(jí)壓縮循環(huán)，每一級(jí)的壓比都會(huì)降低到原來的1/2，壓比的降低使壓縮機(jī)的功耗降低；而采用準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)，其本質(zhì)還是單壓縮機(jī)形式，由于蒸發(fā)壓力和冷凝壓力沒有改變，因此其壓比和單級(jí)壓縮的壓比相同。

圖7 不同工質(zhì)不同熱力循環(huán)形式下的壓縮機(jī)排氣壓力和壓比對(duì)比曲線Fig.7 Comparison of exhaust pressure and pressure ratio with different thermal cycles for different refrigerant

2.3.4 系統(tǒng)質(zhì)量流量

上述不同工質(zhì)的不同熱力循環(huán)形式下質(zhì)量流量如圖8所示。從圖中可以得出結(jié)論：（1）熱泵系統(tǒng)的質(zhì)量流量與工質(zhì)的氣化潛熱密切相關(guān)，R717的質(zhì)量流量要比其他工質(zhì)低很多（其氣化潛熱要比其他工質(zhì)高出很多）；（2）氟利昂類工質(zhì)（R227ea例外）的氣化潛熱都很接近，因此其系統(tǒng)的質(zhì)量流量也相差不大；（3）采用兩級(jí)壓縮循環(huán)或準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)后，系統(tǒng)的質(zhì)量流量不會(huì)改變，但是采用噴液冷卻后需要在系統(tǒng)中開旁路，其質(zhì)量流量會(huì)略有增加。

圖8 不同工質(zhì)不同熱力循環(huán)形式下的系統(tǒng)質(zhì)量流量對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of mass flow with different thermal cycles for different refrigerant

綜上所述，推薦使用的工質(zhì)應(yīng)該具備較高的COP、較低的排氣溫度、較低的壓比、較小的流量，同時(shí)工質(zhì)本身的物性必須較為均衡（如表2所列），最后還須考慮目前市面上獲取該工質(zhì)的難易程度，綜合考慮之下，R134a應(yīng)該為最佳選擇（各項(xiàng)性能均衡、容易獲取、地面使用廣泛、配套零部件成熟等）。

在熱力循環(huán)形式方面，采用兩級(jí)壓縮循環(huán)和準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)后，系統(tǒng)COP提升幅度不是很大（R134a由4.59提高到4.8），同時(shí)考慮到月面可居住移動(dòng)平臺(tái)供電能力有限、安裝空間有限、機(jī)動(dòng)性要求高等，采用兩級(jí)壓縮或準(zhǔn)二級(jí)循環(huán)在體積、質(zhì)量和復(fù)雜程度方面所付出的代價(jià)與獲得的COP提升效果不相符，因此采用單級(jí)壓縮循環(huán)就可以很好地滿足需求。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)月面可居住移動(dòng)平臺(tái)的任務(wù)約束和任務(wù)需求，提出熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為蒸發(fā)溫度283 K，冷凝溫度343 K，系統(tǒng)散熱量大于3 kW。

（2）在該運(yùn)行工況下，從安全性、環(huán)保性、臨界溫度、標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、冷凝壓力、比熱、蒸發(fā)潛熱、比容、流動(dòng)性和換熱性等工質(zhì)本身物性角度對(duì)15種常見工質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)分研究，表明R134a、R152a和R1234ze的性能較均衡。

（3）在該運(yùn)行工況下，對(duì)比研究了不同工質(zhì)與不同熱力循環(huán)形式組合的情況下系統(tǒng)COP、排氣溫度、排氣壓力、壓比以及流量等，結(jié)合結(jié)論（2）以及獲取難易程度，確定R134a為最優(yōu)選工質(zhì)。

（4）對(duì)不同的熱力循環(huán)形式而言，采用兩級(jí)壓縮和準(zhǔn)二級(jí)壓縮可以小幅提高系統(tǒng)的COP，以R134a為例，提高幅度在4.5%左右，相比所需要付出的質(zhì)量和體積的代價(jià)而言，意義不大。特別是對(duì)于月面可居住移動(dòng)平臺(tái)這種機(jī)動(dòng)靈活的裝置而言，采用單級(jí)壓縮循環(huán)不僅可以滿足任務(wù)需求，在性能和質(zhì)量的平衡方面也是最佳選擇。