羅明磊，袁 淼，趙 偉，董海勝，臧 鵬

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心 航天營(yíng)養(yǎng)與食品工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

隨著載人航天工程的發(fā)展，航天員在軌駐留時(shí)間由短期逐漸向中長(zhǎng)期演變，而航天食品是航天員中長(zhǎng)期在軌駐留期間最重要的能量來(lái)源之一［1］。航天食品作為航天員在特殊環(huán)境下生存的基本保障，既要能夠滿足航天員從事航天飛行任務(wù)過(guò)程中特殊的營(yíng)養(yǎng)和感官需求，又要能夠適應(yīng)航天環(huán)境下貯藏、食用、餐余垃圾處理等工程要求和限制條件［2］。為適應(yīng)不斷延長(zhǎng)的在軌駐留時(shí)間，航天食品種類及包裝類型取得極大發(fā)展。從罐頭食品、壓縮食品等擴(kuò)展到熱穩(wěn)定食品、復(fù)水食品、中水分食品、輻照食品、新鮮食品、調(diào)味品、功能食品、自然型食品和復(fù)水飲料等［3-6］。針對(duì)品類豐富的航天食品，研發(fā)人員設(shè)計(jì)如乙烯-乙烯醇共聚物（Ethylene vinyl alcohol copolymer，EVOH）包裝［7］、鋁合金罐、透明蒸煮袋、鋁箔復(fù)合膜蒸煮袋等多種包裝形式，并根據(jù)營(yíng)養(yǎng)攝入需求，設(shè)計(jì)了不同規(guī)格和尺寸的包裝［8］。

為保障航天食品在軌駐留期間具有良好的食用口感，食品加熱設(shè)備尤為重要。前蘇聯(lián)“聯(lián)盟9號(hào)”任務(wù)裝備了鋁管食品加熱器，可以對(duì)鋁管內(nèi)的糊狀食品進(jìn)行加熱，加熱后食品溫度可達(dá)到60～70 ℃，首次實(shí)現(xiàn)航天員進(jìn)食熱穩(wěn)定食品［9］。國(guó)際空間站太空廚房設(shè)施較為完善，配置的烤箱溫度維持在75 ℃左右，可同時(shí)加熱多個(gè)食品，水分配器提供的熱水溫度也能夠達(dá)到70 ℃［10］。我國(guó)載人航天器上也配置了同樣的食品加熱裝置，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)加熱米飯、湯、菜和罐頭等食品，保障航天員在太空中也能夠攝入溫度適宜的航天食品［11］。但食品加熱裝置存在重量大（約4.4 kg）、加熱效率低、加熱時(shí)間長(zhǎng)（每次約30 min）、加熱空間小等不足，而航天器對(duì)上行產(chǎn)品的尺寸、重量、功耗等有嚴(yán)格的限制［12］。因此，設(shè)計(jì)加熱效率高、能量消耗低、尺寸小重量輕的食品加熱器，既能夠節(jié)約航天器寶貴資源，又可以實(shí)現(xiàn)航天食品的高效加熱，保證航天食品的良好口感。

石墨烯是碳原子緊密排列成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能、機(jī)械性能、高導(dǎo)熱性和化學(xué)惰性等特點(diǎn)［13］，在電子、能源、化工、材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［14-19］。試驗(yàn)測(cè)試單層石墨烯熱導(dǎo)率高達(dá)5 300 W/（m·K），根據(jù)石墨烯應(yīng)力分布、尺寸大小和幾何形態(tài)不同，其熱導(dǎo)率大致分布在1 500～5 000 W/（m·K）［20-22］。石墨烯是目前導(dǎo)熱率最高的材料，在具有與銅可比擬的導(dǎo)電性的同時(shí)，導(dǎo)熱率超過(guò)銅10倍［23-25］。PRAMANAND和PRATHEEP等將石墨烯用作導(dǎo)熱添加劑，合成氧化石墨烯-氧化銅和氧化鋅-石墨烯材料均顯著提高了材料的導(dǎo)熱效率，實(shí)現(xiàn)能量的高效傳遞［26-27］。石墨烯薄膜的制備方法包括化學(xué)氣相沉積（CVD）法、自組裝法、印刷法等［28-30］。在石墨烯電熱膜兩端通電后，材料中分子相互摩擦、碰撞產(chǎn)生熱量，熱能以波長(zhǎng)8～15 μm的遠(yuǎn)紅外線形式向周圍環(huán)境輻射熱量，其有效電熱能轉(zhuǎn)換率達(dá)到99%以上，并且發(fā)熱性能穩(wěn)定［31-32］。因此可利用石墨烯的高導(dǎo)熱性能，研制體積小、重量輕的石墨烯加熱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)航天食品的高效加熱。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

4種包裝食品：米飯類主食（EVOH包裝），重量200 g；粥類主食（多層復(fù)合材料包裝），重量200 g；肉類副食（鋁箔包裝），重量100 g；菜類副食（多層復(fù)合材料包裝），重量100 g。

PAS40-18型輸出可變型開(kāi)關(guān)電源（日本菊水電子工業(yè)株式會(huì)社）；testo-925型單通道測(cè)溫儀（德國(guó)德圖公司）；testo-869型紅外熱成像儀（德國(guó)德圖公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 石墨烯加熱裝置搭建

石墨烯加熱裝置如圖1所示，包括直流穩(wěn)壓電源、溫控器，石墨烯加熱板和測(cè)溫儀。石墨烯加熱板是將石墨烯油墨印刷在基底材料上，并設(shè)有導(dǎo)熱層，加熱板尺寸為40×19 cm，質(zhì)量約105 g，外層使用保溫材料進(jìn)行隔熱處理。加熱板連接溫控器，為滿足航天食品包裝耐溫限值，控制加熱板溫度最高不超過(guò)95 ℃，裝置由24 V直流穩(wěn)壓電源供電。測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量、記錄加熱食品溫度。

圖1 石墨烯加熱裝置Fig.1 Graphene heating device

1.2.2 空載升溫速率評(píng)價(jià)

升溫速率是指在一定電壓下，石墨烯加熱板溫度上升隨時(shí)間變化情況。測(cè)試時(shí)輸入24 V直流電壓，電流限值為5 A，使用測(cè)溫儀測(cè)量加熱板中間溫度。

1.2.3 食品加熱速率評(píng)價(jià)

加熱速率是指在一定電壓下，被加熱航天食品溫度隨時(shí)間變化情況。測(cè)試時(shí)輸入24 V直流電壓，電流限值為5 A，使用測(cè)溫儀測(cè)量航天食品溫度。

1.2.4 加熱均勻性評(píng)價(jià)

加熱均勻性是指加熱后航天食品各個(gè)部位溫度分布情況。利用測(cè)溫儀測(cè)量航天食品中心和四周5個(gè)采樣點(diǎn)的溫度，采樣位置如圖2所示。

圖2 溫度采樣點(diǎn)位置Fig.2 Graphene temperature sampling point

溫度分布系數(shù)是描述加熱均勻性的指標(biāo)，系數(shù)越小，說(shuō)明溫度差別越小，加熱越均勻。溫度分布系數(shù)如下式［33］：

式中 α——溫度分布系數(shù)；

Tz——航天食品中心溫度，℃；

Ti——航天食品第i點(diǎn)的溫度，℃；

n——除中心外的測(cè)溫?cái)?shù)目。

2 結(jié)果與分析

2.1 空載升溫速率

空載測(cè)量時(shí)，加熱板幾何中心溫度上升曲線如圖3所示。初始階段加熱板升溫速率非?？?，10 s后升溫速率基本成線性關(guān)系，在95 s時(shí)達(dá)到設(shè)定的最高溫度95 ℃，升溫速率為0.68 ℃/s?？梢?jiàn)石墨烯加熱裝置能夠在低電壓下保持優(yōu)良的升溫速率，可滿足航天食品在軌加熱需求。

圖3 石墨烯加熱裝置空載升溫速率Fig.3 Graphene heating device heating rate at no load

2.2 食品加熱速率

針對(duì)不同類型的航天食品，測(cè)量其溫度隨時(shí)間的變化情況。

2.2.1 鋁箔包裝肉類副食和多層復(fù)合材料包裝菜類副食加熱

副食食品抽真空后與包裝緊密貼合，并且形狀是比較規(guī)則的矩形，能夠與加熱板緊密貼合，便于熱傳導(dǎo)，加熱升溫曲線如圖4所示。副食類食品能夠在15 min內(nèi)快速達(dá)到指定溫度（60 ℃以上）。多層復(fù)合材料包裝袋食品加熱效率先低于鋁箔包裝袋食品后又高于鋁箔包裝袋食品。主要原因：（1）多層復(fù)合材料包裝袋食品含水量較高，可近似于純水體系，在能量輸入速率恒定條件下，溫度幾乎與時(shí)間呈線性相關(guān)；（2）鋁箔包裝食品內(nèi)容物主要是肉類，肉類固形物含量遠(yuǎn)高于多層復(fù)合材料包裝袋食品，內(nèi)部不同導(dǎo)熱系數(shù)的固形物分布不均勻?qū)е铝藴囟壬仙^(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)；（3）鋁箔包裝食品肉類固形物導(dǎo)熱系數(shù)低于水，導(dǎo)熱效率低，最終導(dǎo)致在15 min左右時(shí)溫度低于多層復(fù)合材料包裝袋食品。

圖4 石墨烯加熱裝置對(duì)2種包裝副食加熱升溫曲線Fig.4 Graphene heating device heating curve of 2 kinds of non-staple food

2.2.2 EVOH包裝主食加熱

對(duì)EVOH包裝主食進(jìn)行加熱試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。加熱板快速達(dá)到溫度限值（95 ℃）后自動(dòng)斷電，但食品溫度只有約37 ℃。

圖5 石墨烯加熱裝置對(duì)EVOH包裝主食加熱示意圖Fig.5 Graphene heating device heating diagram of EVOH staple food

根據(jù)傅立葉定律［34］，導(dǎo)熱基本方程式：

式中 Q——熱量，W；

A——導(dǎo)熱面積，m2；

dt/dn——溫度梯度，K/m；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·k-1。

在航天食品包裝材料和內(nèi)部食品原材料及規(guī)格不變的情況下，決定加熱效率的因素主要包括：加熱板升溫速率、加熱接觸面積。由于EVOH罐內(nèi)食品到罐最高邊緣有一定距離，同時(shí)EVOH罐底部也呈非平整狀態(tài)，導(dǎo)致加熱板無(wú)法與食品緊密貼合，降低了熱量傳導(dǎo)效率?？衫檬﹥?yōu)異的機(jī)械性能，選用柔性基底，設(shè)計(jì)柔性石墨烯加熱裝置，以匹配EVOH罐包裝食品的加熱需求。

2.2.3 多層復(fù)合材料袋包裝主食加熱

同樣方法，開(kāi)展多層復(fù)合材料包裝的粥類主食加熱試驗(yàn)，加熱升溫曲線見(jiàn)圖6。粥類食品能夠在13 min時(shí)達(dá)到60 ℃。

圖6 石墨烯加熱裝置對(duì)粥類主食加熱升溫曲線Fig.6 Graphene heating device heating curve of congee staple food

通過(guò)上述加熱試驗(yàn)可以看出，除EVOH包裝類主食外，其他食品在15 min內(nèi)能加熱到指定溫度（60 ℃以上）。從室溫加熱到35 ℃，溫度隨時(shí)間快速升高；35 ℃后，升溫速率有所下降。

2.3 加熱均勻性

加熱均勻性是評(píng)價(jià)預(yù)包裝航天食品加熱效果的重要因素，加熱不均勻，導(dǎo)致主食食品夾生，影響食品感官接受性，進(jìn)而影響進(jìn)食體驗(yàn)。影響加熱均勻性的主要因素是加熱板。在不限定加熱板溫度的情況下，使用紅外熱成像儀對(duì)加熱板進(jìn)行熱成像測(cè)溫，見(jiàn)圖7。

圖7 石墨烯加熱裝置發(fā)熱膜熱成像圖Fig.7 Graphene heating film thermography

加熱板發(fā)熱均勻，加熱溫度超過(guò)200 ℃，完全能滿足航天食品加熱需求。

以鋁箔包裝和多層復(fù)合材料包裝2種包裝形式副食為例，測(cè)量加熱后食品內(nèi)部5個(gè)點(diǎn)溫度，計(jì)算溫度分布系數(shù)，結(jié)果如表1所示。由數(shù)據(jù)可知，食品加熱效果均勻。

表1 副食食品溫度分布Tab.1 Non-staple food temperature distribution table

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)石墨烯加熱4種航天食品的加熱效率和均勻性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：石墨烯加熱板升溫速率快，熱響應(yīng)時(shí)間短；石墨烯加熱航天食品效率高，食品加熱均勻性好。綜上所述，利用高導(dǎo)熱性石墨烯作為航天食品加熱器的熱源能夠?qū)崿F(xiàn)航天食品的快速均勻加熱。本研究為石墨烯加熱裝置在航天中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持，為航天食品加熱器研制提供思路。但為滿足載人航天工程應(yīng)用，還需要進(jìn)一步改進(jìn)研制，獲得可靠性、安全性及能效比高的航天食品加熱裝置，滿足多人多餐同時(shí)加熱的需求：

（1）設(shè)計(jì)柔性石墨烯加熱裝置。選擇柔性材料作為基底層，如聚酰亞胺膜，其具有優(yōu)異的耐高溫、耐化學(xué)腐蝕和電絕緣性能，上面鋪設(shè)石墨烯加熱涂層，形成柔性加熱裝置?；蛘呃檬┏叩臒釋?dǎo)性和柔性，將其作為填料提高高分子材料導(dǎo)熱性，形成高導(dǎo)熱性能石墨烯復(fù)合涂料，如以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體的復(fù)合涂料。復(fù)合涂料附著力好，成膜性好，可適用于任何結(jié)構(gòu)面，設(shè)計(jì)不同類型食品的加熱結(jié)構(gòu)后涂布石墨烯復(fù)合涂料發(fā)熱層，從而使設(shè)備能夠匹配不同包裝規(guī)格的食品，實(shí)現(xiàn)加熱板與食品包裝緊密貼合，滿足不同食品的加熱需求。以達(dá)到既充分利用資源又節(jié)省空間的目的。

（2）優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。除加熱材料性能外，還應(yīng)對(duì)保溫結(jié)構(gòu)、加熱腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)約能源、提高效率的目的。