唐 旭，季啟政，馮 娜，張 宇，李 犇，高志良，楊 銘，王 海

（1.北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100086； 2.陸軍工程大學(xué)，石家莊 050003；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

在航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)，空間等離子體環(huán)境與航天服相互作用會(huì)導(dǎo)致航天服帶電[1-2]，同時(shí)航天器運(yùn)行時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)尾流、材料放氣等會(huì)釋放空間塵粒等污染物?？臻g塵粒會(huì)在庫(kù)侖引力作用下附著于航天服[3]，一旦隨航天服進(jìn)入氣閘艙會(huì)擴(kuò)散到空間站內(nèi)，對(duì)航天員的健康及儀器設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅[4]。

對(duì)此，主要應(yīng)對(duì)技術(shù)方案是電除塵。在舊式電集塵器研究上，Navarrete[5]等研究了特定應(yīng)用的電除塵設(shè)計(jì)和尺寸規(guī)范，并得到了有利于實(shí)際效率提高的寬板間距、新電極幾何形狀等參數(shù)；ABB 公司[6]研究開發(fā)了一種先進(jìn)的數(shù)值模型，能通過(guò)電除塵器的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)推演出其塵粒捕集性能，并使用可視化工具顯示相應(yīng)結(jié)果。而較為前沿的靜電場(chǎng)除塵（electrostatic field precipitation, EFP）技術(shù)[7]是一種通過(guò)放電等離子體對(duì)塵粒荷電，并由電場(chǎng)收集模塊去除空氣中的被荷電塵粒的方法。應(yīng)用該技術(shù)的集塵器通常分為前后兩段，在前段通過(guò)電暈放電產(chǎn)生等離子體對(duì)空氣中的塵粒進(jìn)行預(yù)荷電，被荷電的帶電塵粒飛入后面的集塵段后，經(jīng)電場(chǎng)作用被收集到集塵極上進(jìn)而被清除。

本文主要以空間站運(yùn)行時(shí)周圍存在的發(fā)動(dòng)機(jī)尾流、剝蝕效應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化物及發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生并隨航天器進(jìn)入空間中的自然塵等空間塵粒為研究對(duì)象，分析空間塵粒的靜電荷電與靜電吸附機(jī)理；并引入多依奇（Deutsch）捕集效率模型[8]，以提高空間塵粒捕集效率為目標(biāo)，對(duì)影響捕集效率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)電壓參數(shù)進(jìn)行仿真研究，得到具有最優(yōu)捕集效率的EFP 模塊設(shè)計(jì)參數(shù)；然后對(duì)依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)加工得到的EFP 模塊開展驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 空間塵粒的組成及介電參數(shù)

航天員出艙活動(dòng)時(shí)面臨的空間環(huán)境污染一般包括：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)尾流，多為未完全燃燒的燃料肼、液態(tài)氫及其燃燒產(chǎn)物等；

2）電推進(jìn)劑，包括Ne、Ar 離子等；

3）空間原子氧剝蝕產(chǎn)生的金屬氧化物等；

4）航天器運(yùn)輸、發(fā)射過(guò)程中沾染的自然塵等。

空間塵粒典型物質(zhì)的粒徑范圍一般在0.01～10 μm[3]，其相對(duì)介電常數(shù)εr如表1 所示。

表1 空間塵粒典型物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)Table 1 Relative permissivity of typical space dust particles

2 EFP 前段塵粒荷電

EFP 前段電暈放電等離子體的離子荷電區(qū)內(nèi)存在2 種不同的對(duì)塵粒荷電機(jī)理：1）離子在靜電力作用下做定向運(yùn)動(dòng)，與塵粒碰撞使塵粒荷電，稱為場(chǎng)致荷電；2）離子的擴(kuò)散現(xiàn)象導(dǎo)致塵粒荷電，稱為擴(kuò)散荷電[9]。這2 種荷電機(jī)理在原理上與電暈放電等離子體及空間塵粒的性質(zhì)有關(guān)，由于EFP 模塊擬設(shè)計(jì)在空間站氣閘艙內(nèi)使用，其環(huán)境大氣組成與地面大氣基本相同，故電暈放電性質(zhì)與地面相同，場(chǎng)致荷電與擴(kuò)散荷電分析基本方法與地面一致。

2.1 場(chǎng)致荷電

在不考慮塵粒碰撞及離子二次效應(yīng)的情況下，在電暈放電的遷移區(qū)，等離子體中的正離子受電場(chǎng)力作用會(huì)沿著電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)塵粒進(jìn)入電場(chǎng)后，塵粒周圍的電場(chǎng)線將正離子偏轉(zhuǎn)到塵粒上，未荷電塵粒能把離子吸向自身，繼而產(chǎn)生排斥電場(chǎng)阻止離子向塵粒運(yùn)動(dòng)，直至荷電飽和。圖1 為場(chǎng)致荷電情況下塵粒流經(jīng)的電暈放電區(qū)域的離子分布；圖2 為塵粒荷電初始狀態(tài)和飽和狀態(tài)時(shí)塵粒周圍的電場(chǎng)線和等電位線分布情況。

圖1 電暈放電區(qū)域的離子分布Fig.1 Ion distributions in corona discharge area

塵粒荷電前、后均滿足拉普拉斯方程

在極坐標(biāo)系中，通過(guò)求解具有邊界條件的拉普拉斯方程，可得塵粒周圍r方向和θ方向的電場(chǎng)（參圖3所示）分別為：

圖3 未荷電的球形塵粒Fig.3 An uncharged spherical dust particle

當(dāng)θ=-π 處的Erp=0 時(shí)，塵粒荷電飽和。此時(shí)的荷電飽和量qp和荷電的電子數(shù)ne分別為：

式(1)～式(5)中：ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；qe為單位電子的電荷量，qe=1.60×10-19C；εr為塵粒的相對(duì)介電常數(shù)；d為塵粒直徑（粒徑）；E0為放電極周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度。

將EFP 荷電區(qū)域中的電場(chǎng)設(shè)計(jì)為針尖-極板電場(chǎng)，在計(jì)算時(shí)假設(shè)E0為勻強(qiáng)電場(chǎng)。利用電場(chǎng)分析軟件對(duì)電場(chǎng)E0的取值進(jìn)行模擬分析，得到如圖4 所示的電場(chǎng)分析圖?？梢钥吹?，荷電部分的電場(chǎng)強(qiáng)度最小值為1.287×104kV/m，最大值為3.719×106kV/m。根據(jù)電場(chǎng)的分布情況，在計(jì)算荷電量時(shí)取電場(chǎng)典型值為E0= 7.541×105kV/m。在此條件下，對(duì)有關(guān)空氣潔凈度標(biāo)準(zhǔn)[10]關(guān)注的0.2 μm、0.5 μm 和1.0 μm 粒徑的典型空間塵粒進(jìn)行仿真計(jì)算，其飽和荷電電子數(shù)（取整數(shù)）與粒徑的關(guān)系如表2 所示，其中空間塵粒的相對(duì)介電常數(shù)參表1 給出?？梢钥吹剑鞣N空間塵粒的飽和荷電電子數(shù)均隨粒徑的增大而增加。

表2 典型空間塵粒飽和荷電電子數(shù)（取整數(shù)）與粒徑的關(guān)系Table 2 Relationship between the numbers of saturated charged electrons (rounded to an integer) and sizes for typical space dust particles

2.2 擴(kuò)散荷電

擴(kuò)散荷電是電暈放電等離子體作熱運(yùn)動(dòng)與塵粒相碰撞產(chǎn)生的塵粒荷電形式，不依賴于外加電場(chǎng)，只與離子熱運(yùn)動(dòng)的速度以及塵粒周圍的離子密度有關(guān)。場(chǎng)致荷電時(shí)塵粒的荷電量和外加電壓密切相關(guān)，且隨粒徑的減小荷電量迅速減小，因此在涉及弱電場(chǎng)或微小塵粒的問(wèn)題時(shí)必須考慮擴(kuò)散荷電。

擴(kuò)散荷電作用下，荷電的電子數(shù)為

式中：k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為溫度；t為擴(kuò)散荷電的作用時(shí)間；qi為離子電荷量；N0為未受干擾處的離子數(shù)密度；m為電暈放電的離子質(zhì)量。

T取室溫300 K；N0為荷電模塊內(nèi)的離子數(shù)密度，取為1016/m3；空氣經(jīng)電離放電后的離子主要為，帶單位電荷正電，m為4.65×10-26kg。如此，按式(4)計(jì)算得到t時(shí)刻典型空間塵粒上的擴(kuò)散荷電電子數(shù)，如表3 所示。

表3 t 時(shí)刻空間塵粒上的擴(kuò)散荷電電子數(shù)Table 3 Number of diffused charged electrons on space dust particles at time t

2.3 綜合作用

綜合場(chǎng)致荷電與擴(kuò)散荷電作用的最簡(jiǎn)單方法是將場(chǎng)致荷電接近飽和時(shí)的飽和荷電量與擴(kuò)散荷電量相加，即

而荷電飽和時(shí)間與t0有關(guān)，

式中ki為離子遷移率[12-14]，空氣中取2.2×10-4m2/(s·V)。當(dāng)t=20t0時(shí)，場(chǎng)致荷電達(dá)到飽和值的99%，可近似認(rèn)為達(dá)到了荷電飽和。

CORTéS 研究團(tuán)隊(duì)[5]對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于直徑為0.04～1 μm 的塵粒，其直徑與離子的平均自由程λ具有同一數(shù)量級(jí)，在綜合考慮場(chǎng)致荷電和擴(kuò)散荷電的作用時(shí)，塵粒的荷電電子數(shù)可按

計(jì)算。該理論計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖5 所示，可以看到二者相當(dāng)吻合。

圖5 塵粒荷電電子數(shù)的實(shí)測(cè)值與綜合理論計(jì)算值對(duì)比Fig.5 Comparison between measured values and theoretical values of charged electron numbers of dust particles

3 EFP 后段荷電塵粒收集

被荷電塵粒在電場(chǎng)力的作用下驅(qū)向集塵極。集塵模塊以電介質(zhì)材料包裹電極片，形成蜂窩狀中空微通道；電極片交替接通直流電壓（+）與接地端子（GND），在中空的微通道內(nèi)形成強(qiáng)電場(chǎng)，如圖6 所示。在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，含有預(yù)荷電顆粒污染物的空氣進(jìn)入高壓介質(zhì)場(chǎng)集塵部分。在高壓介質(zhì)場(chǎng)微通道中，荷電顆粒將電荷交給集塵電極并沉附在集塵電極上，實(shí)現(xiàn)顆粒污染物凈化的效果。

圖6 EFP 模塊結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structure diagram of EFP module

3.1 Deutsch 捕集效率公式

EFP 集塵模塊為管式集塵，忽略電風(fēng)的影響，并假設(shè)塵粒是球形且塵粒密度在垂直于氣流的截面上處處相等。在塵粒粒徑固定的條件下，基于上述假設(shè)，Deutsch 推導(dǎo)出著名的捕集效率計(jì)算公式[8]

式中：A為通道集塵極的面積；Q為單位時(shí)間的進(jìn)風(fēng)量；w為驅(qū)進(jìn)速度，w=[(qEp)/(6πμr])C，其中，q為塵粒荷電量；Ep為集塵極內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度；μ為氣體的內(nèi)摩擦系數(shù)[7]，常溫下取值為1.84×10-5kg/(m·s)；r為塵粒的半徑；C為大氣中分子滑動(dòng)系數(shù)。

EFP 集塵模塊的通道單元結(jié)構(gòu)如圖7 所示。圖中，V1為激勵(lì)高壓、V0接地，在介質(zhì)微通道中形成均勻電場(chǎng)；通道的高度為D、寬度為b、長(zhǎng)度為l，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為v，則有：

圖7 EFP 模塊的通道單元結(jié)構(gòu)參數(shù)及激勵(lì)電壓Fig.7 Structural parameters and excitation voltage of FEP module’s channel unit

將式(11)～式(13)代入式(10)，則有

3.2 風(fēng)速與捕集效率的關(guān)系

為研究風(fēng)速v與捕集效率η的關(guān)系，對(duì)風(fēng)速1～30 m/s 范圍進(jìn)行數(shù)值模擬（本文以下仿真均以0.5 μm 和1.0 μm 兩種直徑的塵粒為研究對(duì)象）。計(jì)算時(shí)，其他參數(shù)設(shè)定為集塵通道長(zhǎng)度l=5 cm、高度D=2 mm，激勵(lì)電壓V1=10 kV，得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 風(fēng)速v 與捕集效率η 的關(guān)系Fig.8 Relationship between wind speed v and trapping efficiency η

可以看出，在風(fēng)速為1～15 m/s 范圍內(nèi)，塵粒捕集效率達(dá)95%以上；在風(fēng)速15～20 m/s 范圍內(nèi)，塵粒捕集效率在90%以上，基本可滿足EFP 模塊作為亞高效除塵模塊使用的要求。

3.3 通道長(zhǎng)度與捕集效率的關(guān)系

在v=20 m/s 條件下仿真計(jì)算捕集效率η隨通道長(zhǎng)度l的變化。計(jì)算時(shí)，其他參數(shù)設(shè)定為集塵通道高度D=2 mm、激勵(lì)電壓V1=10 kV，得到仿真結(jié)果如圖9 所示?？梢钥吹?，η隨l的增加而增加，但增幅逐漸減小；若設(shè)計(jì)通道長(zhǎng)度在4～6 cm 范圍內(nèi)，則捕集效率可達(dá)85%～93%。

圖9 通道長(zhǎng)度l 與捕集效率η 的關(guān)系（v=20 m/s）Fig.9 Relationship between channel length l and trapping efficiency η when v is 20 m/s

3.4 通道高度、激勵(lì)電壓與捕集效率的關(guān)系

選取v=20 m/s、l=5 cm，仿真計(jì)算塵粒捕集效率η與通道高度D、激勵(lì)電壓V1之間的關(guān)系，得到典型直徑（0.5 μm 和1.0 μm）塵粒的捕集效率仿真結(jié)果分別如圖10 和圖11 所示。

圖10 通道高度D、激勵(lì)電壓V1 與捕集效率η 的關(guān)系（塵粒直徑0.5 μm）Fig.10 Influence of channel height D, excitation voltage V1 on trapping efficiency η when dust particle diameter is 0.5 μm

圖11 通道高度D、激勵(lì)電壓V1 與捕集效率η 的關(guān)系（塵粒直徑1.0 μm）Fig.11 Influence of channel height D, excitation voltage V1 on trapping efficiency η when dust particle diameter is 1.0 μm

分析圖中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，η隨D的減小及V1的增大而增加。但考慮到通道高度D減小的同時(shí)增大激勵(lì)電壓V1會(huì)產(chǎn)生極高電場(chǎng)，一旦造成材料擊穿則會(huì)導(dǎo)致集塵功能失效，因此設(shè)計(jì)通道時(shí)參數(shù)D與V1的取值應(yīng)綜合考慮空氣擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

4 EFP 模塊改進(jìn)與試驗(yàn)

根據(jù)第1 章和第2 章的仿真分析，設(shè)計(jì)EFP 模塊的各個(gè)參數(shù)，包括通道的高度D、寬度b、長(zhǎng)度l，以及進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速v和激勵(lì)電壓V1?？紤]到模塊實(shí)際工作時(shí)存在其他影響除塵效率的因素，采取以下手段意在提升EFP 模塊捕集效率——將集塵極由原來(lái)的平行極板改為復(fù)雜的高壓介質(zhì)場(chǎng)湍流微通道，增加氣流在通道內(nèi)的湍動(dòng)，以延長(zhǎng)塵粒在通道中的流經(jīng)時(shí)間，提高對(duì)污染物的捕集效率。普通中效過(guò)濾器除塵效率標(biāo)準(zhǔn)要求為60%～90%，根據(jù)前文分析，本EFP 模塊的集塵效率有望達(dá)到90%。

為了驗(yàn)證EFP 模塊清除塵粒污染物的性能，開展凈化測(cè)試。設(shè)置30 m3測(cè)試艙，使用發(fā)煙片在艙內(nèi)產(chǎn)生煙霧顆粒（模擬空間塵粒，粒徑范圍覆蓋0.01～10 μm），并攪拌均勻；然后將EFP 除塵模塊安裝在風(fēng)道系統(tǒng)中，并按要求通電開始測(cè)試。測(cè)試時(shí)，通過(guò)粒子計(jì)數(shù)器監(jiān)視EFP 模塊工作時(shí)間內(nèi)艙內(nèi)0.5 μm 典型粒徑粒子濃度的變化情況，以測(cè)試艙內(nèi)初始的塵粒粒子數(shù)密度為基底，計(jì)算EFP 除塵模塊的凈化除塵效率，結(jié)果如圖12 所示：模塊的除塵效率達(dá)到了87.25%，與理論分析期望值90%相比略低。

圖12 顆粒物凈化效率測(cè)試結(jié)果Fig.12 Test result of particle removal efficiency

分析本次實(shí)驗(yàn)，塵粒捕集效率較上述仿真理論分析值有少許下降，其原因在于塵粒到達(dá)集塵電極以后并非 “將其電荷交給集塵電極并沉附在集塵電極上”那樣簡(jiǎn)單。在采用靜電除塵器捕集電阻率較低的塵粒（如石墨、炭黑和金屬粉末等）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如圖13 所示的周期性彈回?cái)_動(dòng)[15]，降低集塵極對(duì)塵粒的捕集能力。對(duì)于空間環(huán)境中存在的典型空間塵粒，發(fā)動(dòng)機(jī)尾流屬于高電阻率塵粒，周期性彈回?cái)_動(dòng)弱，且其相對(duì)介電常數(shù)較大、荷電量大，故集塵極對(duì)其吸引力大，EFP 模塊對(duì)其捕集效率較高；金屬氧化物等塵粒的電阻率低，周期性彈回?cái)_動(dòng)強(qiáng)，且其相對(duì)介電常數(shù)較小、荷電量小，故EFP 模塊對(duì)其捕集效率較低。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航天員在軌出艙活動(dòng)歸艙時(shí)，空間塵粒污染物可能會(huì)隨航天員進(jìn)入空間站內(nèi)造成的威脅，擬將靜電除塵方法用于空間站氣閘艙內(nèi)，在航天員歸艙階段復(fù)壓后進(jìn)行空間塵粒的清除。本文對(duì)污染清除的物理過(guò)程進(jìn)行了分析，并將空間塵粒的典型荷電參數(shù)引入捕集效率模型的仿真中，以空氣潔凈度標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)注的0.5 μm 和1.0 μm 兩種典型粒徑的塵粒為主要仿真對(duì)象，以模塊捕集效率在90%以上為分析目標(biāo)，得到了EFP 模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)和激勵(lì)電壓設(shè)計(jì)參數(shù)。使用30 m3地面測(cè)試艙進(jìn)行模塊功能驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明使用相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的EFP模塊的捕集效率達(dá)到87.25%（略低于預(yù)期目標(biāo)）；之后，分析了與仿真預(yù)期結(jié)果出現(xiàn)差異的物理因素，實(shí)現(xiàn)了捕集效率參數(shù)在有限制條件下的局部最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目前我國(guó)已完成空間站的發(fā)射，并多次完成航天員在空間站長(zhǎng)期駐留及出艙活動(dòng)。未來(lái)隨著出艙活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和頻次的增加，必然面臨空間塵粒污染物的威脅。本文開展的相關(guān)仿真及試驗(yàn)研究為空間塵粒污染清除提供了研究基礎(chǔ)和解決方案，可為后續(xù)試驗(yàn)及空間塵粒清除裝置的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供參考。