贲勋 张少华 张晓屿 刘欣 （中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

美国新一代航天服热控系统简析

An introduction for thermal control system of NASA's new generation spacesuit

贲勋 张少华 张晓屿 刘欣 （中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

随着载人航天技术的发展，航天员的出舱活动变得越来越频繁，如载人登月探测、“国际空间站”维护以及未来的载人火星探测等，宇宙空间的深冷背景及环境的复杂多变性，给航天员的出舱活动造成了严重的阻碍。为保证航天员顺利开展空间工作，必须针对空间热环境进行相应的热设计。同时，由于航天员新陈代谢产生的热量需要排散，因此需要做好舱外航天服的热控系统设计，以保证航天员在合适的温湿度下完成出舱任务。

1 概述

各国的载人航天研究机构先后开发了多种舱外航天服的热控系统，目前较为成熟的技术是以水升华器为散热部件的航天服热控系统。该技术将新陈代谢和设备产生的废热通过水来吸收，并通过水升华器利用水的升华将废热排散到太空中。对于未来长期的空间探索任务来说，该方法非常浪费携带的水资源，随着水的持续大量损失，探索任务将变得不可维持。未来的空间生命保障系统需要更先进的技术来进行热控，其中大体实现水的守恒是一个很重要的挑战。依靠水升华散热意味着每位航天员进行一次典型的出舱活动操作大约要将3.6kg水排入太空。对于长期探索任务来说，将会有许多出舱活动，经常进行出舱活动的太空任务与很少或者没有出舱活动的任务相比，环境控制和生命保障系统的质量载荷几乎翻倍，而增加的主要质量是出舱活动热控系统消耗的水。

面对需求，美国航空航天局（NASA）设计了一套航天服蒸发-吸收-辐射系统（SEAR），该系统可以满足未来生命支持系统的性能需求。一套航天服蒸发-吸收-辐射系统包含一个用来散热的氯化锂吸收辐射器（LCAR）和一个用来获取热量的空间水膜蒸发器（SWME）。该系统与传统的航天服热控系统相比，可对航天服和空间飞行器的温度进行精确控制，其最大的优点是水损失非常少，是目前最先进的生命保障系统技术，引领着未来的发展趋势。航天服蒸发-吸收-辐射系统的主要组件是氯化锂吸收辐射器和空间水膜蒸发器。空间水膜蒸发器通过多孔渗水纤维蒸发水来形成冷量；氯化锂吸收辐射器通过氯化锂水溶液来吸收水蒸气，并在较高的温度下（典型情况下为50℃）向环境中辐射热量。氯化锂吸收辐射器是一个多用途组件，氯化锂嵌入在一个蜂窝式的平板结构中，该结构具有坚固、轻质且接触面积大的特点。

2 航天服蒸发-吸收-辐射系统原理简介

航天服蒸发-吸收-辐射系统利用氯化锂水溶液独特的性质来解决在热控系统中保存水的问题。氯化锂是高效的干燥剂，与水蒸气有非常高的亲和度，利用其高效吸水的特点，可以驱动热量传递，并有效向空间辐射散热。一方面通过氯化锂吸收水蒸气可以有效减少生命支持系统向空间排出的水的质量；另一方面在合适的温度下（120℃）加热氯化锂又可以重新获得再生水。从空间水膜蒸发器中吸收热蒸发的水蒸气，在50℃条件下被氯化锂吸收辐射器吸收，并向空间辐射散热；在120℃条件下加热辐射器又可以获得再生水。

氯化锂水溶液与纯水相比有更低的水蒸气压，而纯水和溶液达到两相平衡需要更高的温度，利用该特点，可以进行热量的驱动。举例来说，在20℃时，空间水膜蒸发器里的蒸汽压比在45℃时45%氯化锂溶液的蒸汽压高。因此，当氯化锂吸收辐射器中的氯化锂溶液浓度超过45%且温度为50℃时，水蒸气将会从20℃的空间水膜蒸发器中流向氯化锂吸收辐射器。这是航天服蒸发-吸收-辐射系统在吸收工况时的基本工作原理。当这个过程继续时，氯化锂溶液浓度会降低，并且温度会下降。为使这个过程可以持续进行，需要保证在吸收工况结束时，溶液温度降低到仍然可以向环境中散出足够的热量。

为了回收被氯化锂吸收辐射器吸收的水，需要对氯化锂溶液加热以驱动水再生流回。对于航天服蒸发-吸收-辐射系统来说，浓缩溶液需要在120℃温度下加热数小时以获得再生水。

压力服内，航天员新陈代谢产生的热量被水吸收并在液体冷却服（LCG）内循环流动。液体冷却服与空间水膜蒸发器构成循环回路，温暖的液体离开液体冷却服流经空间水膜蒸发器。空间水膜蒸发器与传统的升华器相比，是更加轻便的生命支持系统。空间水膜蒸发器的核心是疏水多孔空心纤维，液体在纤维束内部循环流动，水蒸气在纤维束的外壁流动。纤维束上的小孔可以降低蒸发作用和水蒸气流通时的阻力，该微小阻力可以阻止纤维束内部液体泄露出去。由于空间水膜蒸发器壳壁上的水蒸气压力非常低，因而循环水会蒸发，通过蒸发可以使得流动液体在返回液体冷却服之前温度降低。

空间水膜蒸发器较低的水蒸气压力可以使得水在20℃时蒸发，该温度对于人体新陈代谢降温来说非常合适。较低的水蒸气压力是通过氯化锂吸收辐射器来维持的，氯化锂吸收辐射器是一个紧凑的热量/质量交换器。在氯化锂吸收辐射器里，吸收单元里面存储着氯化锂的浓溶液，并通过一个辐射表面来进行散热。因为溶液对于水蒸气具有极高的吸附力，在30℃或者更高循环水温度条件下，可以维持氯化锂吸收辐射器内部的水蒸气压力远低于空间水膜蒸发器内部压力。所以，压力服内产生的热量会被水蒸气带走，并被氯化锂溶液吸收且通过辐射器辐射到太空中。由于辐射器温度较高，其辐射热流密度也较大（比典型的非吸收式辐射器大50%～100%，视环境条件而定）。

在出舱活动中，随着水的吸收，氯化锂吸收辐射器里的溶液浓度逐渐降低。为了保证在出舱活动结束前溶液浓度降低的时候仍然能够制冷，氯化锂吸收辐射器的尺寸需要设计得足够大。下一次出舱活动前，氯化锂吸收辐射器必须在120℃条件下加热几个小时，使得浓溶液中的水蒸发出来，让氯化锂吸收辐射器回到初始状态。

需要指出的是，氯化锂吸收辐射器并不能绝对阻止水的损失。在极端的热条件下或者出舱活动时间太长而超出了计划时，通过直接向环境排散空间水膜蒸发器中的水蒸气仍然能够完成降温。尽管有时候需要排散水蒸气，但与仅仅通过排散水来制冷的系统相比，使用氯化锂吸收辐射器可以从根本上解决水的消耗问题。

3 氯化锂吸收辐射器内部结构设计

基于上述原理，NASA设计生产了一个面积约为0.0929m2的氯化锂吸收辐射器面板原型。该面板结构强度足够大，满足预期的压力载荷指标。该面板内部为蜂窝式结构，并在其中填充海绵状的氯化锂。氯化锂吸收辐射器由2块机械加工的石墨平板嵌入一组吸热海绵体构成，厚的平板包括辐射面（外表面）。辐射表面的蜂窝单元通过薄壁进行分隔，热量可以通过薄壁从吸热海绵体传导到辐射表面。薄的平板内壁与辐射面有相同的结构，用于封装氯化锂吸收辐射器，并使得整体结构维持一定的刚度。蜂窝单元侧壁是有孔的，允许水蒸气流动穿过氯化锂吸收辐射器。在薄的平板表面，设计有简单的集流管，允许水蒸气在其中流动，并用来去除不可压缩气体。

4 航天服蒸发-吸收-辐射系统性能真空测试

为考察航天服蒸发-吸收-辐射系统的性能，NASA对其进行了地面真空测试。该测试由内外2个循环构成，外部循环生成水蒸气，内部循环检测氯化锂吸收辐射器对于水的吸收和再生性能。在外部循环中，通过加热器使得水蒸气温度维持在20℃。外部循环生成的水蒸气流入真空罐进入内部循环，依次流经一组氯化锂吸收辐射器样板，其中的不可压缩气体会通过毛细管流过干燥床，最后被真空泵排出。

在氯化锂吸收辐射器的表面贴有9个热电偶，用来精确测量氯化锂吸收辐射器的温度。测量数据显示，氯化锂吸收辐射器表面的温度非常均匀，氯化锂吸收辐射器平板在325K（52℃）开始吸热，稳定运行超过3h。在平均温度316K（43℃）时结束吸热。冷却套的温度变化非常平稳，在测试开始的时候大约为180K，在试验中逐渐降低到170K（温度变化仅在2%左右，与氯化锂吸收辐射器不同）。蒸发器入口温度在整个测试中大约维持在25℃。蒸发器的温差从循环开始时的2℃逐渐降低到1.5℃。蒸发器的流量为380g/min，意味着传热功率从测试开始的53W逐渐降低到结束时的40W。蒸发器效率降低的原因是氯化锂溶液浓度的降低。

蜂窝式氯化锂吸收辐射器可以在一个较短的时间内完成水再生，原因是蜂窝式的设计增加了水蒸气的接触面积。为了水再生，加热过程中氯化锂吸收辐射器中产生的水蒸气通过一个真空泵抽出，并在一个低压容器中集中，一个液氮冷却装置在低压容器和真空泵之间用来冷却水蒸气。在整个测试过程中，加热器的温度稳定在120℃，在3h以后，氯化锂吸收辐射器温度逐渐升高到85℃。随着水蒸气的蒸发并被抽走，氯化锂吸收辐射器内的压力逐渐降低，而氯化锂溶液的浓度逐渐升高。由于蜂窝式的设计增大了接触面积，进而提高了效率。与NASA早先设计的氯化锂吸收辐射器相比，蜂窝式氯化锂吸收辐射器仅用3h就完成了水再生测试，再生时间大大缩短了。

鉴于上述地面测试的成功完成，NASA计划在“国际空间站”进行新一代航天服热控系统的飞行演示验证，该计划将在2017年实施。

5 结束语

我国航天事业发展迅猛，目前正在积极开展空间站及月球探测的研究工作，航天员将会进行长期的出舱探测活动，因而必须加强舱外航天服热控技术的研究和系统开发。但我国的载人航天技术起步较晚，与美国等西方发达国家还存在一定差距，航天服热控技术的研究差距更大。因此，要充分借鉴西方在航天服热控方面的先进技术和经验，并不断地进行自主创新。一方面，加强针对空间环境的专项研究工作，获得不同层次空间环境的不同特点，做到有的放矢；另一方面，采用试验与理论研究相结合的方法，加强新型航天服热控技术的研究，如此才能实现我国航天服技术的快速发展。

航天服蒸发-吸收-辐射系统是一种最新的航天服热控方案，在减轻质量、散热效果方面效果良好，尽管尚未实际应用，但设计思路对我国舱外航天服的热控设计都有很好的借鉴意义。我国航天员尚未经历长期在轨任务考验，对于携带的水资源的质量方面考虑较少，而利用水的循环再生来达到减轻质量的设计思想，对于未来我国航天服和长期在轨航天器的设计具有重要的启示。