美国舱外航天服热控技术研究进展

丰茂龙 黄家荣 范含林 钟 奇

（中国空间技术研究院总体部）

1 引言

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，如登月探测、火星探测及建立国际空间站等，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（Extravehicular Activity，EVA）带来了严重的阻碍，必须进行隔热处理，但航天员的新陈代谢热量需要排散，所以要做好舱外航天服的热控系统设计，保证航天员在合适的温湿度下完成出舱任务。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方法，其中最主要的就是以水升华器为散热部件的热控系统，水升华器具有体积小、重量轻[1]，在失重和热负荷变化的条件下能够可靠工作等优点，因此深受热控研究者的青睐。图1为水升华器示意图。但是水升华器是消耗性热控部件，其使用在一定程度上受环境的影响，于是产生了利用辐射器进行散热或者两者耦合的航天服热控系统。

图1 水升华器结构示意图

目前各航天大国均在进行水升华器系统的研究开发，美国是舱外航天服热控技术最先进的国家，本文查阅了美国近年发表的相关文献，对其舱外航天服热控系统的研究做了调研，给出了美国舱外航天服热控制技术研究的最新进展。本文对我国的舱外航天服热控技术研究及热控系统设计工作具有一定的指导作用和借鉴意义。

美国从20世纪50年代就开始进行舱外航天服热控技术的研究，早期主要是水升华器热控系统的研究，并在随后的“阿波罗”计划中得到第一次实际应用[2,3]。美国航天飞机，“阿波罗”登月舱、“双子星”探测等都有水升华器的身影，俄罗斯Orlan及欧洲Hermes计划的热控系统采用的也是水升华器系统[4]。

水升华器主要部件为换热器、多孔板及循环制冷工质（一般为水或水、乙二醇溶液）。水升华器与其他组件，如泵、水分离器等组成完整系统。而在火星探测中，鉴于火星的环境稳定性，美国Rini公司与NASA合作，研发了辐射器热控系统，还开发了最新型的航天服凹槽式薄膜蒸发器等，各种系统的研究现状将在下面进行详述。

2 舱外航天服热控原理及应用

舱外航天服热控系统的主要组件是水升华器或者辐射器。其中水升华器的主要工作原理是通过蒸发或升华一种消耗性物质进入太空，利用这种物质的相变潜热，来调节航天服的温度。目前使用较多的消耗性物质是水，也有水和乙二醇溶液或者氨水溶液。

图2为水升华器热控系统简化示意图，其在“阿波罗”登月及航天飞机中都有应用，给水在气-液换热器和多孔板之间以一定的压力引入，通过换热器从循环冷却回路吸收所要排散的热量。由于多孔板的外表面暴露在真空之中，当不断渗透进多孔板内的给水达到三相点压力时，水将凝固成冰，并同时进行升华，因此冷却了循环水和循环氧。

另一种热控方法是采用辐射器，辐射器热控系统不需要消耗，只需通过载冷工质将热量导入辐射器，然后辐射到外部空间，其简化原理图如图3所示，在航天服中设置了流体回路，工质流经人体表面，带走人体新陈代谢的热量，然后流经辐射器，通过辐射器将热量辐射排散。此系统是火星及航天飞机出舱任务的一个备用方案。

图2 航天飞机舱外航天服散热系统简化示意图

图3 航天服辐射器散热系统简化图

美国舱外航天服热控系统先后应用或即将应用于多个载人深空探测任务，如航天飞机,“阿波罗”登月任务，“双子星”探测任务，火星探测Altair登月舱等。文献[7]概括论述了EVA热控系统在“阿波罗”号飞船、“双子星”探测、航天飞机及空间站等任务中的应用的细节。

目前美国舱外航天服的热控研究主要有三个研究方向：

热控系统的工质研究，尤其是水升华器系统内部的消耗工质，目的是开发出一种热容量较大，升华效果好，能防腐蚀且能适应超低温的工质，如美国多数研究机构将载冷工质由水、酒精溶液代替，还有一些研究机构在研究新的载冷工质，以提高水升华器系统的性能，其中防腐蚀是水升华器系统研究的一个热点和难点。

热控系统的研究，如用辐射器代替水升华器，或者水升华器与辐射器串联耦合散热或者建立双回路系统（载人舱内回路和外回路），水升华器安装在内回路或者外回路上。先后产生了多种结构形式。

新型热控技术开发代表性的是新型薄膜蒸发器，可代替水升华器进行热控，此技术由Jacobs技术公司和NASA的约翰逊航天中心（JSC）合作开发，在散热性能及防腐蚀有较好效果。

3 美国舱外航天服热控技术研究

3.1 水升华器散热系统研究

水升华器系统是目前载人航天设计中最常用的舱外航天服热控方案。美国很多研究机构都在进行水升华器的研究，包括水升华器本身性能的研究和水升华器系统组成的研究。

NASA的JSC一直是世界上航天技术研究最先进的机构。该机构致力于研发提高水升华器性能及防腐蚀的技术[8,9]。JSC开发的先进的两级给水式水升华器如图4所示，其多孔板分为两层，上层为大孔板，用于直接向外空间升华水汽，下层为小孔板层，进行水的渗透。水进入小孔板，然后在大孔介质中升华。此水升华器能够有效的防止空间污染物对水源的污染，从而减轻了水升华器的腐蚀问题，腐蚀是水升华器损坏的主要方式之一。

图4 二级给水的水升华器

JSC还同时开展了防污染水升华器及两步给水式水升华器的研究，目前正进行用于载人航天器外部活动水升华器系统的自我调节能力的研究，使水升华器能够在冷热环境中自我调节。

Paragon空间技术公司与NASA合作，对水升华器的工作过程进行了仿真试验，给出了计划用于火星探测的水升华器的热负荷状况[10]。并给出了试验简化图，如图5所示，其中图5a中，旁路设在辐射器和水升华器外，而图5b中，旁路设在辐射器外，然后和水升华器连接。试验结果表明，其散热性能受环境的影响很大，而两种系统的散热性能基本相同，散热性能良好，但图5b结构能够进一步节约水升华器中的工质，属于改进型结构，通过与辐射器合理的搭配，能满足月球或火星探测任务要求。

图5 a 水升华器散热系统试验简化图

图5 b 水升华器散热系统试验简化图

文献[11]进行了水升华器与辐射器串联结构的分析计算，分别分析了其在火星及月球环境中的散热性能，并将火星环境中的结果与Campbell结果[12]进行了对比，其所建立的热控系统如图6所示。

图6 串联式热控系统示意图

文献[11]通过对上述结构在月球及火星环境中的运行的性能分析，得出了系统在人体休息状态（产热PCM=275W）及在剧烈运动状态（产热PCM=400W）时，辐射器及水升华器的散热能力。文献还对水升华器的水耗散速率进行了计算，该模型在8h的出舱活动中，共消耗2.9kg的水，此值与出舱移动单元（Extra Vehicular Mobility Units，EMU）试验结果（3kg）非常接近。结果表明此系统可应用于航天员的散热系统，同时提供了热系统设计的一种全新的设计思路。

TDA研究所与约翰逊空间中心合作，研究开发了一种新的水升华器系统（Radiator And Freeze Tolerant Heat Exchanger，RAFT-X），用于月球和火星探测[13]，其通过增加一个辐射器减少水升华器的水消耗量。其实物及原理见图7-8。

图7 RAFT-X系统安装尺寸示意图

此系统通过一个换热器和热管辐射器连接起来，RAFT-X换热器能在低热负荷时选择性的结冰来减少翅面积，可适应多变热负荷，在低热负荷下，控制阀减少流入换热器的水量，冷环境下，换热器低于水的冰点，于是被动控制热量排散率来允许换热器中最冷的水流管路结冰。结冰后，换热器部件停止工作，防止向热管散热，在最低热负荷下，除了旁路，所有的管路结冰，在旁路中，流动水进入水升华器从而保持持续的散热调节。循环热管即使在最低的温度下也不会结冰。在EVA热系统设计中，水升华器重量约为1.58kg，内部蓄水容量3.6kg，大部分水将蒸发到太空中，在TDA公司的设计中，通过增加一个小型换热器实现辐射器和水升华器的散热互补。

图8 TDA新型RAFT-X系统原理示意图

2004年，TDA研究所开始RAFT-X的设计及初步测试，RAFT-X用于载人登陆器的热控制，辐射器是特制的，连接防冻坏的换热器。

测试是在NASA约翰中心热真舱间进行，测试表明在月球及火星环境中辐射器排散热量功率260w（900Btu/h）。RAFT-X经历了几次结冰/融冰的循环，换热器完全结冰3次而未损坏。水升华器的水耗能通过辐射方式散热大幅度减少。水升华器功能良好，散热效率稳定，RAFT-X设计可很好的适应航天员散热变化大(70w～730w)的要求。

如前所述，这种方案有很多优点。首先，使用两种独立的流体回路，从而有效的利用制冷剂性质，流体选择对其他部件无影响；再者，由于两套管路互不影响，不会成为致命的安全隐患；还有就是换热器较小，重量的增加较小，包括水循环和制冷剂循环1.48kg。

3.2 舱外航天服辐射器热控系统研究

在火星车计划中，载人探测器中的水必须保证航天员的使用，同时考虑到水升华器系统中水的消耗及水升华器的腐蚀问题，因此，采用水升华器散热系统将不再现实，文献[6]给出了载人航天器热控系统及生保分系统的替代方案，但是，火星表面的温度稳定且较低，采用图3所示结构时，辐射器表面的辐射温度较低，散热效率较小，当航天员或者登陆舱系统散热要求较高时，不能满足系统的热控要求。最近Rini公司与NASA合作研发了一种双回路系统，增加微型压汽机系统（miniature vapor compression system，MVCC）来实现系统的散热，如图9所示。

图9 航天员双回路微型压气机散热系统原理图

该系统分内外两个回路，内回路在载人舱内，外回路安装了辐射器。系统先通过压缩机将回路中的气体的温度升高，然后散到外部空间。其采用了轻型、高导热材料以及最新制作工艺，结构紧凑，总重量大约2.0kg，体积2.0L，性能系统达2.5，热负荷约250w。现在由RTI公司生产了改进系统的模型，并在地球环境中进行了初步试验，其中压缩机能实现温度从18℃升到55℃。NASA设计的该系统的辐射器面积为855m2。由于火星特殊的热环境，该系统还在进一步设计中。

3.3 薄膜蒸发器热控系统研究

JSC与其他研究部门合作开发了一种全新的航天服散热系统，称为航天服水膜蒸发器（spacesuit water membrane evaporator，SWME）[14,15]。并制作了光纤水膜蒸发器模型，在JSC进行了大量的试验。SWME实物如图10所示。

其内部是由多条管路组成，管路材料是一种隔水透气薄膜组成，将水流管路和蒸汽管路分割开来，当水流经SWME时，蒸发进入蒸汽流道然后通过气体出口进入外部太空。

SWME相对于水升华器系统有很多优点：可在火星低重力环境和月球真空环境中在水的三相点以上工作；能将水通过流体管路直接蒸发散热，不需要给水室；对水质要求不高，包括便携的水质要求；可使水汽从水流管路中直接蒸发掉，而不需要专门的蒸汽阀。

在JSC的真空试验室中进行的真空试验的系统图如图11所示。试验验证的内容包括：水出口10℃，流量为0.025kg/s时，系统散热能力为810W以上；在真空环境中持续工作8h活动时的工作状态；进口水压为68kPa～145kPa时的工作性能；采用不同进口温度的水流（1.7℃～38℃）时的工作性能；在月球真空环境及火星低重力环境的工作性能；除气水循环的工作性能；采用含有或不含油净化剂的水作为工质的工作性能等。

图10 SWME结构示意图

图11 SWME试验系统示意图

试验结果表明，SWME在散热性能，耐腐蚀性能上都有很好的效果，能适应月球及火星的复杂环境，是一种很好的热控方案。

3.4 总结

随着载人航天技术的发展，必然对航天员的出舱活动（EVA）提出更高的要求，从而对舱外航天服生保系统及热控系统的设计提出了更高的要求，以适应各种舱外空间环境。本文通过对美国舱外航天服热控技术的调研，论述了其舱外航天服热控技术的最新成果，尤其是水升华器设计及水升华器、辐射器耦合设计，已成功用于月球探测及其他深空探测。

水升华器与辐射器耦合散热的系统将是舱外航天服热控系统发展的主流，通过两者的耦合作用，可很好的起到散热控温效果。因此，我国舱外航天服的设计可以借鉴这种耦合设计方案，既能实现热控需求，又能满足长寿命的需求。此外，水膜蒸发器是一种最新的航天服热控方案，在防污、散热效果方面效果良好，尽管技术上不成熟，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。

4 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，航天员必将进行出舱探测活动，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，如水升华器、辐射器耦合热控技术，水膜蒸发器热控技术等，并不断的进行自主创新。一方面，加强针对空间环境的专项研究工作获得不同层次的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。 ◇

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