杨宝山 张文瑞 朱建炳 于凯盈 于锟锟

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室 兰州 730000)

1 引言

飞行器在低气压高空环境中飞行时,处于气动加热的环境中,当飞行器马赫数等于3 时,其头部的驻点温度达到400 ℃[1];当马赫数大于等于10 时,其头部的驻点温度高达2 000 ℃[2]。气动加热会引起飞行器的结构刚度下降,强度减弱,并产生热应力、热应变和材料烧蚀等现象[3],更会使得飞行器内部温度快速升高,超出内部电子元器件的正常工作范围。通常的电子元器件工作范围为:-55—150 ℃[4],而处于气动加热环境下,内部温度会超过正常工作范围。因此,需要采用合理的制冷方式,保证飞行器内部电子设备工作在适宜的温度区间范围内至关重要。

飞行器内部通常的温控方式采用存贮制冷剂蒸发吸热,而氟利昂类制冷剂蒸发潜热小,制冷系统重、应用受到限制。水的蒸发潜热约为氟利昂类制冷剂的10 倍,可以大大降低存贮式制冷系统的重量,使得存贮制冷剂蒸发冷却技术在高速飞行器的温控中应用变为可能。同时,水作为自然界最环保、最清洁、最易得、最廉价的制冷工质,通过合理的制冷系统结构设计,代替氟利昂类合成工质制冷,可以有效降低制冷系统的成本,保护大气环境。

在航空航天温控领域,国外研究者关于膜式水蒸发(Water membrane evaporation,WME)公开发表的文章很少。NASA 约翰逊空间中心[5-7]在2009 年的航天服的温控中应用了第一代的航天服膜式水蒸发器装置(spacesuit water membrane evaporator,SWME),它包含14900 根聚丙烯纤维束;并在2010 年研发出第二代SWME,该装置不仅实现对人体800 W 的散热量,而且有良好的耐脏和耐寒性能。……