許安易,李 鵬,孫培杰,來霄毅,侯凌霄
(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109)
載人登月任務(wù)經(jīng)歷月面極端熱環(huán)境,對(duì)熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了很大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外對(duì)載人登月艙熱控系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究。阿波羅登月任務(wù)是目前唯一成功實(shí)施的載人登月任務(wù),阿波羅任務(wù)登月艙支持月面兩人三天的任務(wù)需求,熱控方案采用流體回路及水升華器方案,流體回路收集登月艙內(nèi)熱量并傳輸至水升華器,水升華器利用水的相變作用將熱量排散至空間[1]。美國星座計(jì)劃研制了獵戶座(Altair)月面著陸器[2],熱控設(shè)計(jì)適應(yīng)全月面可達(dá),支持四名航天員月面工作七天的需求,熱控方案采用流體回路及輻射器散熱方案,在月午極端高溫環(huán)境下利用水升華器輔助散熱。為滿足未來載人月面及火星探測的需求,NASA與普渡大學(xué)提出了混合單相回路、兩相回路及熱泵的熱控系統(tǒng)[3],對(duì)熱泵系統(tǒng)選用不同工質(zhì)下系統(tǒng)工質(zhì)流量、最大壓力、輻射器面積、壓縮功、COP 等性能進(jìn)行了對(duì)比研究,其中R134a被確定為最合適的工質(zhì);該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)空間熱泵適應(yīng)微重力工作需求,研究了微重力下工質(zhì)沸騰的臨界熱流密度[4],并在2021 年8 月將流動(dòng)沸騰與冷凝實(shí)驗(yàn)裝置(FBCE)發(fā)射至國際空間站(ISS)開展了一系列微重力下流體沸騰及冷凝試驗(yàn)[5],為蒸汽壓縮式熱泵空間應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
隨著我國載人月球探測任務(wù)的推進(jìn),國內(nèi)對(duì)載人登月艙熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)也開展了相關(guān)研究。文金遠(yuǎn)等[6]對(duì)月球居住艙熱控系統(tǒng)基于單相回路及熱泵回路兩種方案進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明:當(dāng)輻射器-電源系統(tǒng)質(zhì)量系數(shù)比大于某一臨界值時(shí),熱泵外回路方案對(duì)單相外回路方案有質(zhì)量優(yōu)勢(shì),且該臨界值隨壓縮機(jī)絕熱效率的提高而降低。付振東等[7]對(duì)月面可居住移動(dòng)平臺(tái)熱控系統(tǒng)進(jìn)行了研究,提出采用熱泵系統(tǒng)作為熱控手段并進(jìn)行了理論分析,對(duì)比了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,提出采用R134a工質(zhì)的單機(jī)壓縮熱泵系統(tǒng)為最佳方案。壓縮機(jī)為熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,付振東等[8]研究了月面重力下熱泵壓縮機(jī)油氣分離性能,為研制月面重力下熱泵壓縮機(jī)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
本文基于月球赤道附近著陸任務(wù)需求,對(duì)載人月球探測登月艙在月晝高溫環(huán)境下的熱排散方案進(jìn)行了初步設(shè)計(jì);熱控方案設(shè)計(jì)基于流體回路進(jìn)行熱量傳輸,并以可展開式輻射器作為熱量排散的主要手段,以水升華器進(jìn)行熱量排散的輔助手段;分析了月面月晝期間輻射器散熱能力及水升華器輔助散熱需求,并對(duì)月晝期間熱控系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真分析。
航天器熱控設(shè)計(jì)主要是通過設(shè)計(jì)合理的熱控手段滿足飛行器設(shè)備和人員工作溫度要求,航天器所經(jīng)歷的外部熱環(huán)境是航天器熱控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵外部條件。為此本文首先對(duì)月面熱環(huán)境進(jìn)行分析。
月面環(huán)境相比地球環(huán)境更加極端,本文月面探測主要針對(duì)月面赤道附近,因此主要列舉月面赤道附近的熱環(huán)境特征[9]:
1)月球表面晝夜溫差大,白天溫度高達(dá)120 ℃,夜間溫度低至-170 ℃,晝夜間隔時(shí)間長達(dá)29.5 個(gè)地球日[10]。圖1為一個(gè)月球日赤道處月表溫度隨時(shí)間的變化曲線[11]。
圖1 月球赤道表面處溫度變化Fig.1 Surface temperature changes at the moon’s equator
2)月球沒有大氣,無法通過空氣對(duì)流散熱,也沒有大氣層的保溫作用。
3)月球軌道太陽輻射外熱流在近日點(diǎn)取最大值1414±7 W/m2,在遠(yuǎn)日點(diǎn)取最小值1323±7 W/m2,平均為1368±7 W/m2[12]。
4)月表土壤的導(dǎo)熱系數(shù)很低,約為0.7~1.5 mW/m·K[13];月表紅外發(fā)射率較高(0.92)。月球正面和背面的反射率不同,正面的平均反射率約為0.09,其中月海區(qū)為0.07,月陸區(qū)為0.15,背面的平均反射率0.22[14],即月球表面太陽吸收比大。
5)月表土壤為粉塵狀,月塵附著在輻射器表面會(huì)提高輻射器表面的太陽吸收比,減小輻射器的散熱性能[15]。
載人登月艙一般包括上升級(jí)和下降級(jí),上升級(jí)為密封艙,在下降段、月面工作段及上升段時(shí)為航天員提供居住的環(huán)境。下降級(jí)主要包括貯箱和下降級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),在下降段及著陸月面時(shí)提供動(dòng)力。上升級(jí)在航天員完成月面任務(wù)后與下降級(jí)分離并上升至環(huán)月軌道,隨后與環(huán)月軌道上的載人飛船進(jìn)行對(duì)接,航天員從上升級(jí)轉(zhuǎn)移到環(huán)月軌道的載人飛船里返回地球。載人登月艙對(duì)熱控設(shè)計(jì)的主要需求如下:
1)載人登月艙需要實(shí)現(xiàn)在月表赤道附近著陸工作,具備月午期間(太陽高度角80°~100°)總熱量排散4kW的能力。
2)保證三名航天員艙內(nèi)生活所需的溫濕度環(huán)境,艙內(nèi)空氣溫度19~26℃,艙內(nèi)設(shè)備溫度10~50℃。
3)艙內(nèi)濕度20%~70%,露點(diǎn)溫度不高于10℃。
根據(jù)任務(wù)要求,載人登月艙的熱控系統(tǒng)以流體回路作為熱量收集、傳輸及排散的手段,且采用內(nèi)外兩個(gè)回路的方案。登月艙流體回路方案如圖2所示。
圖2 登月艙熱控雙流體回路方案Fig.2 Double-loop system architecture of the Lunar Lander thermal control system
登月艙流體回路方案包括內(nèi)回路及外回路,其中內(nèi)回路主要解決登月艙上升級(jí)設(shè)備和人員的熱控,通過冷板及冷凝干燥器等收集密封艙內(nèi)設(shè)備和人員的熱量,并通過中間換熱器傳輸至外回路。外回路通過中間換熱器收集內(nèi)回路的熱量,并通過輻射器將熱量排散至空間,外回路上布置了冷板以收集艙外設(shè)備熱量,輻射器布置在下降級(jí)側(cè)面。
1)內(nèi)回路
① 內(nèi)回路工質(zhì)選用濃度20%的乙二醇水溶液。
② 內(nèi)回路的控溫采用旁路的方式,通過溫控閥調(diào)節(jié)進(jìn)入中間換熱器的流量,使得混合后的溫度達(dá)到設(shè)定值。
③ 內(nèi)回路流體從中間換熱器混合后首先經(jīng)過水升華器,再依次經(jīng)過空氣冷凝干燥器、冷板,返回泵前的工質(zhì)可以為舷窗等可能導(dǎo)致結(jié)露的部位加熱,防止結(jié)露。水升華器可以在月午期間輻射器散熱性能下降時(shí)作為輔助散熱手段,同時(shí)在登月艙上升級(jí)與下降級(jí)分離后返回過程中作為主要的散熱手段。
④ 空氣冷凝干燥器為一個(gè)氣液換熱器,冷凝回收人產(chǎn)生的水蒸氣,通過調(diào)節(jié)艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)量維持艙內(nèi)的濕度。
⑤ 艙內(nèi)并聯(lián)兩組冷板對(duì)設(shè)備熱量進(jìn)行收集。
2)外回路
① 工質(zhì)選用全氟三乙胺。
② 輻射器采用多組并聯(lián),每組前設(shè)截止閥,當(dāng)部分輻射器支路故障時(shí)可關(guān)閉相應(yīng)支路上的截止閥,隔絕故障部分對(duì)系統(tǒng)的影響??紤]到艙體輻射器布置空間有限,采用可展開式輻射器,月面著陸階段將輻射散熱面展開朝天。輻射器散熱面表面采用OSR,背面包覆多層隔絕月面紅外輻射的影響。
③ 外回路溫控方式采用回?zé)崞鞣绞?。即工質(zhì)經(jīng)過泵后首先進(jìn)入回?zé)崞鳎c從輻射器出來的較冷工質(zhì)換熱,然后進(jìn)入輻射器;從輻射器出來的工質(zhì)經(jīng)過溫控閥,部分進(jìn)入回?zé)崞鳎硗獠糠峙c從回?zé)崞鞒鰜淼墓べ|(zhì)混合后進(jìn)入中間換熱器,吸收內(nèi)回路的熱量,最后返回泵完成循環(huán)?;?zé)崞骷訙乜亻y的方式使得外回路的所有工質(zhì)都能以相對(duì)較低的溫度進(jìn)入輻射器,在月晝?cè)绯考鞍硗鉄崃鬏^小時(shí)降低輻射器入口的工質(zhì)溫度,有利于調(diào)節(jié)輻射器散熱能力,防止輻射器旁路控溫方式因輻射器工質(zhì)少而易于凝結(jié)的情況出現(xiàn)。
④ 外回路的溫控閥根據(jù)混合點(diǎn)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),使得進(jìn)入中間換熱器的外回路工質(zhì)溫度達(dá)到設(shè)定溫度。
登月艙在月球表面,為達(dá)到其良好的散熱效果,輻射器面板朝天,根據(jù)輻射散熱理論,輻射器散熱公式如下:
式中:α為太陽吸收比;ε為紅外輻射率;σ=5.67×10-8為Stefan-Boltzmann 常數(shù),單位為W/(m2·k4);Tr為輻射器表面溫度(K);qsolar為太陽直射熱流(W/m2);qIR紅外直射熱流(W/m2);Qr為輻射器單位面積的向外凈散熱量(W/m2)。
式(1)中令Qr=0,此時(shí)可寫為
式中:Ts為熱沉溫度,熱沉溫度為輻射器在不散熱時(shí)放置在外界輻射環(huán)境下所達(dá)到的一個(gè)平衡溫度,當(dāng)輻射器溫度高于熱沉溫度時(shí)輻射器便能向外界排散熱量。熱沉溫度可作為評(píng)估輻射器散熱環(huán)境的指標(biāo)。
式(2)中,α、ε與輻射器表面的涂層有關(guān),因此熱沉溫度也與表面涂層的太陽吸收比和紅外輻射率有很大的關(guān)系。計(jì)算了輻射器選用OSR熱控涂層(α=0.1,ε=0.82)時(shí)熱沉溫度隨太陽高度角的變化,如圖3 所示。
圖3 輻射器背景熱沉溫度隨太陽高度角的變化Fig.3 Heat sink temperature of radiator varies with the altitude angle of sun
從圖3可以看出,月晝正午由于太陽直射(太陽高度角90°),熱沉溫度最高,達(dá)到235 K。隨著太陽角的偏轉(zhuǎn),吸收的太陽輻射降低,熱沉溫度也隨之降低。
為防止月球紅外對(duì)輻射器散熱性能的影響,增大整體的輻射散熱能力,采用可展開式輻射器。在月面著陸前將輻射器豎直布置在艙體側(cè)面,著陸后通過可展開機(jī)構(gòu)將其旋轉(zhuǎn)至水平方向,輻射面朝天向深空散熱,輻射散熱器背面包覆多層以隔絕月面紅外輻射的影響。輻射器水平朝天布置時(shí)的散熱能力分析如下。
由于月面駐留期間,隨著太陽光照角的變化,輻射器表面所受的太陽輻射會(huì)發(fā)生變化。在月晝正午時(shí)刻,太陽光線與輻射器表面垂直,輻射器的散熱量在正午時(shí)最低,處于最嚴(yán)酷的工況。計(jì)算輻射器管路流體平均溫度為8 ℃、12 ℃、16 ℃下輻射器散熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系,如圖4所示。
圖4 輻射器熱排散熱流隨時(shí)間的變化Fig.4 The heat dissipation of radiator changes with time
從圖4可以看出,隨著月晝時(shí)間的變化,太陽高度角增大,輻射器散熱熱流降低,在月晝正午時(shí)最小,隨后隨太陽高度角降低而增大。輻射器流體平均溫度越高,輻射器散熱熱流越大,但過高的溫度會(huì)超過內(nèi)回路除濕要求。因此,輻射器管路流體平均溫度取12 ℃,此時(shí)輻射熱排散量為136.7 W/m2,熱排散總量4 kW需要的輻射器面積為29.3 m2。
水升華器在登月艙月面駐留階段的需求取決于輻射器面積的約束,通過輻射器散熱設(shè)計(jì)可知:要滿足系統(tǒng)4 kW 的月午期間散熱需求,需要的輻射器面積為29.3 m2。當(dāng)輻射器布置面積不足時(shí),需要采用其他輔助散熱手段。由于上升級(jí)在著陸上升過程中需要通過耗散型散熱裝置進(jìn)行熱量排散(可為水升華器)。下面主要對(duì)不同輻射器面積下月面駐留階段水升華器作為輔助散熱手段時(shí)其補(bǔ)充的熱排散量及耗水量進(jìn)行分析。
水升華器輔助散熱量為
式中:Qreq=4 kW,為系統(tǒng)的總熱排散需求;Qrad為輻射器可以提供的散熱量;Qd為需要水升華器的輔助散熱量。輻射器面積分別為25 m2、26 m2、27 m2、28 m2、29 m2下所需的水升華器輔助散熱量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
圖5 水升華器輔助熱排散量隨時(shí)間的變化Fig.5 The supplemental heat-rejection of sublimator changes with time
從圖5可以看出,當(dāng)輻射器散熱面積不足時(shí),月午期間需要水升華進(jìn)行輔助散熱,輻射器面積越小,月午期間需要水升華器輔助散熱的時(shí)間越長,輔助散熱量需求也越大。以7 天工作時(shí)間需要過月午為例,分析極端任務(wù)工況下需要的水升華器耗水量最大值。水升華器耗水量計(jì)算由式(4)進(jìn)行,其中,η為水升華器效率,h為水升華潛熱(kJ/kg),Mw為水升華器耗水量(kg)。
經(jīng)計(jì)算得出水升華器耗水量隨輻射器面積的變化關(guān)系如圖6所示,輻射器面積越大,所需要的水升華器耗水量越小。需要綜合考慮輻射器布局和水升華器耗水量的重量代價(jià),實(shí)現(xiàn)任務(wù)總體最優(yōu)。若載人登月艙采用燃料電池作為輔助能源供應(yīng)設(shè)備,則水升華器可以充分利用燃料電池工作所產(chǎn)生的水進(jìn)行輔助散熱,實(shí)現(xiàn)熱控和能源的綜合利用。
圖6 水升華器耗水量與輻射器面積關(guān)系Fig.6 Relation between water consumption of sublimator and area of radiator
熱控系統(tǒng)仿真主要關(guān)注系統(tǒng)內(nèi)外回路控溫點(diǎn)處溫度及熱負(fù)載相關(guān)溫度,系統(tǒng)中各部件的物理參數(shù)及計(jì)算模型詳細(xì)處理過程的內(nèi)容較多,本文因篇幅限制難以詳細(xì)介紹,僅給出系統(tǒng)基本的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
① 內(nèi)回路流量設(shè)計(jì)取 250 L/h,外回路流量設(shè)計(jì)取400 L/h;
② 輻射器滿足月晝正午太陽直射時(shí)的散熱需求,輻射器面積為29 m2;
③ 熱負(fù)載:設(shè)內(nèi)回路冷板熱負(fù)載1的熱載荷為1 600 W,內(nèi)回路冷板熱負(fù)載2的熱載荷為1 400 W,外回路熱負(fù)載為1 000 W;
④ 內(nèi)回路溫控閥控制進(jìn)入中間換熱器的工質(zhì)流量比例,外回路溫控閥控制進(jìn)入回?zé)釗Q熱器的流量比例,比例值為溫控閥的開度,開度越大,進(jìn)入換熱器支路的流量越大,溫控閥開度最小為0.05,最大可以為0.95。
內(nèi)回路控溫點(diǎn)為中間換熱器出口的混合點(diǎn),外回路控溫點(diǎn)為回?zé)釗Q熱器出口的混合點(diǎn)。內(nèi)回路的溫度控制目標(biāo)為280 K,外回路的控制目標(biāo)為276 K。
為分析月面極端高低溫環(huán)境下熱控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),選擇赤道處熱環(huán)境作為仿真分析外界環(huán)境,熱控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真包括整個(gè)月晝工作過程,總時(shí)長354 h。仿真初始太陽高度角為0°,這時(shí)月面處于月晝極端低溫環(huán)境,經(jīng)過177 h 后,太陽高度角為90°,這時(shí)月面處于月晝極端高溫環(huán)境。仿真初始溫度為290 K,初始溫控閥開度設(shè)置為0.5。
圖7為回路控溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化。在開始時(shí)刻太陽高度角為0°,外熱流極低,外回路控溫點(diǎn)溫度由初始計(jì)算溫度290 K 迅速下降至260 K 左右。隨后隨著太陽高度角的升高,外熱流不斷增大,外回路控溫點(diǎn)溫度也不斷升高,并在35 h 的時(shí)候達(dá)到設(shè)定的控溫點(diǎn)溫度276 K,此時(shí)太陽高度角達(dá)到18°。
圖7 流體回路控溫點(diǎn)溫度在月晝期間隨時(shí)間的變化Fig.7 Temperature change of fluid loop temperature control point during the moon day
由于采用雙回路形式,外回路控溫點(diǎn)溫度在太陽高度角小于18°時(shí)低于設(shè)定溫度,但內(nèi)回路控溫點(diǎn)溫度依然能保持280 K 的控溫要求,說明內(nèi)外回路雙級(jí)控溫能保證內(nèi)回路溫度穩(wěn)定。隨后外回路控溫點(diǎn)溫度保持穩(wěn)定。直到太陽高度角大于72°,內(nèi)回路控溫點(diǎn)的溫度偏離了設(shè)定值(280 K),最大偏離2 K 左右。這是由于外回路輻射器散熱能力下降,導(dǎo)致外回路控溫點(diǎn)溫度升高,內(nèi)回路控溫點(diǎn)隨之升高??販攸c(diǎn)溫度升高幅度較小,對(duì)設(shè)備工作溫度影響不大。從仿真結(jié)果可知,熱控系統(tǒng)熱排散能力及控溫能力能滿足月晝期間登月艙內(nèi)外回路溫度控制要求。
圖8 為內(nèi)外回路控溫閥開度隨時(shí)間的變化情況,在開始時(shí)刻太陽高度角為0°。初始階段太陽高度角較低,輻射器散熱量能力強(qiáng),外回路溫度低于設(shè)定的控溫點(diǎn)溫度,此時(shí)溫控閥開度達(dá)到最大以降低輻射器入口溫度,減小輻射器散熱量。當(dāng)太陽高度角達(dá)到18°,外回路達(dá)到控溫點(diǎn)276 K,隨著太陽高度角的升高,為維持外回路控溫點(diǎn)溫度,外回路溫控閥開度下降以升高輻射器入口溫度,提高輻射器散熱能力。在太陽高度角大于72°時(shí),外回路溫控閥開度達(dá)到最小,回?zé)釗Q熱器冷側(cè)流量達(dá)到最小,最大限度地升高輻射器入口溫度,增大輻射器散熱能力。
圖8 流體回路溫控閥開度在月晝期間隨時(shí)間的變化Fig.8 Change of opening of temperature control valve of fluid loop during the moon day
內(nèi)回路溫控閥開度在太陽高度角低于18°時(shí),隨太陽高度角的升高,開度增大;當(dāng)太陽高度角大于18°時(shí),內(nèi)回路溫控閥開度達(dá)到最大,增大內(nèi)外回路的換熱。
圖9 為內(nèi)外熱負(fù)載的溫度變化情況,內(nèi)回路由于控溫點(diǎn)溫度穩(wěn)定,熱負(fù)載溫度也基本穩(wěn)定,只在月晝正午期間有2 K 左右的溫度升高,在月晝期間內(nèi)回路的熱負(fù)載溫度均在25~31 ℃,滿足設(shè)備工作溫度要求。在太陽高度角低于18°時(shí),外回路熱負(fù)載溫度降低,最低達(dá)到9 ℃左右,但能滿足一般電單機(jī)的溫度控制要求。仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)在內(nèi)外回路熱源溫度控制上能滿足要求。
圖9 熱負(fù)載溫度在月晝期間隨時(shí)間的變化Fig.9 Change of thermal load temperature during the moon day
根據(jù)仿真結(jié)果可知,在設(shè)計(jì)流量、熱負(fù)載及輻射器面積下,熱控流體回路能滿足內(nèi)外回路熱負(fù)載的熱量排散需求,內(nèi)外回路控溫點(diǎn)及熱源溫度均在合理范圍。
本文對(duì)月面熱環(huán)境進(jìn)行了調(diào)研和分析,對(duì)載人月球探測登月艙的熱控系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)和仿真分析,得到如下結(jié)論:
1)月球赤道月午期間太陽高度角較大,采用OSR涂層朝天布置的輻射器熱沉溫度最大達(dá)到235 K,輻射器在管路流體平均溫度為12 ℃時(shí)的散熱能力為136.7 W/m2。為滿足登月艙月午期間4 kW 的熱排散需求,所需輻射器面積為29.3 m2。
2)從水升華器輔助散熱分析可知,為減小輻射器面積,可以在月午期間采用水升華器進(jìn)行輔助散熱。
3)熱控系統(tǒng)采用內(nèi)外回路控溫,在設(shè)計(jì)流量、熱負(fù)載及輻射器面積下,月晝期間內(nèi)回路控溫點(diǎn)溫度能穩(wěn)定在設(shè)計(jì)控溫溫度。在太陽高度角高于72°時(shí),輻射器受照強(qiáng)烈,內(nèi)外回路控溫點(diǎn)溫度均略高于設(shè)計(jì)控溫溫度,但溫度偏離不超過2 K,控溫在合理范圍。熱控流體回路能滿足內(nèi)外回路熱負(fù)載的熱量排散需求,內(nèi)外回路控溫點(diǎn)及熱源溫度均在合理范圍。