舱外航天服热控系统研究进展
作者：吴志强 沈力平 袁修干
单位：吴志强 袁修干 北京航空航天大学人-机-环境系统工程研究所，北京 100083；沈力平 航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：热控系统；航天服；生命保障系统
航天医学与医学工程990417摘要：综述了国外舱外航天服热控系统研究的新进展，着重分析了利用质量传递、相变储热及辐射等机理设计热控系统的特点，探讨了值得注意的研究动向和存在问题。
中图分类号：R852.81 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)04-0303-05
Research Progress of Thermal Control System for Extravehicular
, http://www.100md.com
Activity Space Suit
WU Zhi-qiang,SHEN Li-ping,YUAN Xiu-gan
Abstract：New research progress of thermal control system for oversea Extravehicular Activity (EVA) space suit is presented. Characteristics of several thermal control systems are analyzed in detail. Some research tendencies and problems are discussed，which are worthwhile to be specially noted. Finally，author's opinion about thermal control system in the future is put forward.
, 百拇医药
Key words:thermal control system;space suits;life support systems
Address reprint requests to:WU Zhi-qiang.Institute of Man-Machine-Environment,Beijing University of Aeronautics & Astronautics,Beijing 100083,China
热控系统是舱外航天服便携式生保系统(PLSS)的一个重要组成部分。其主要作用是排除航天服内的多余热量，包括航天员自身生理产热、机电装置产热、二氧化碳去除系统产热和来自外部环境的热负荷等，保持航天员的热舒适性，从而保证航天员较高的工作效率。美国和前苏联对适用于舱外航天服的各种热控系统进行了大量的研究。进入80年代以后，特别是随着航天飞机计划的开展和国际空间站计划的提出，美国等在舱外航天服热控系统的研制和开发方面出现了一些引人注目的变化。认真分析其中的技术特点和研究动向，对于舱外航天服的热控系统的研制无疑具有借鉴意义和参考价值。本文介绍了国外舱外航天服热控系统的研究新进展，重点分析了几个热控系统的特点，并提出了值得注意的研究动向和存在问题。
, 百拇医药
几种热控系统
适用于舱外航天服的散热方式主要有三种：辐射、储热和质量传递。利用辐射和储热机理进行设计的系统称之为闭式热控系统。利用质量传递机理进行设计的系统称之为开式热控系统。图1说明了三种方式之间的关系。
图1 舱外航天服的散热方式
Fig.1 Heat rejection modes for EVA space suit
利用质量传递机理设计的系统
水升华器 美国从60年代就开始进行水升华器的研究,阿波罗(Apollo)计划中得到第一次实际应用[1，2]。美国航天飞机使用的EMU和俄罗斯使用的Orlan航天服均采用这一技术作为热控系统的主冷源[3]。90年代初，欧洲进行Hermes计划时，舱外航天服热控系统准备采用的也是水升华器[4]。水升华器主要包括气-液换热器和多孔板两部分。
, 百拇医药
在Apollo计划中，四块镍制多孔板与换热器焊接成一体。在使用过程中，发现这一结构存有弊端。镍制多孔板的孔径一般为微米级的，长时间使用可能造成性能严重下降。需要替换整个升华器。在后来的EMU研制过程中，NASA改进了水升华器的结构，采用一块高性能多孔板来代替四块镍板，它由不锈钢丝网压制而成，并进行了憎水性涂层处理。这块多孔板与换热器的连接采用的是可替换结构，当水升华器性能下降时，仅替换一块多孔板就可重新使用，这项工作在轨期间就可完成。美国在70年代还曾研究过一种低背压的水升华器[5]，但其性能没有可替换式多孔板升华器优越，所以，这项研究计划最终未能实施。
动态开式膜分离器 这是一项正在研究的新技术[6]，主要包括空心纤维净气器和空心纤维分离器两部分，利用压力-波动吸收和温度-控制蒸发将舱外航天服内的热量和二氧化碳、湿气及各种难闻气味等排向太空。动态开式膜分离器内气/液和液/真空界面是由憎水性多孔空心纤维组件维持的，亲水性溶剂选用的是碱性水溶剂，当它流经纤维孔时，不会从憎水性纤维孔的壁面渗出。溶剂循环回路通过一换热器从液冷回路和通风回路吸收热量，在一分离器内利用水的蒸发将热量排向太空，同时可将溶剂内所吸收的各种气体排向太空。
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利用相变储热机理设计的系统
选择具有更大储热能力的材料，可以减小热控系统的体积和重量。Hale等[7]在70年代就开始对相变材料的选择进行了研究，但由于当时材料科学本身的限制，适用于热控系统的材料受到了很大的局限。90年代，Selvaduray等[8]再次对相变材料进行了研究，其中有59种备选材料的相变潜热比水大，但它们的热物性还有待于进一步测量来获得可靠数据。目前在热控系统领域研究较多的相变材料是水、石蜡和金属氢化物。
冰蓄冷 冰蓄冷分非直接接触和直接接触两种形式。非直接接触冰蓄冷在70年代美国就进行了研究[9]，液冷服内的冷却液体和冰之间是通过一换热器来进行换热的。这类系统的最大缺点是装置的体积过大。直接接触式冰蓄冷允许冷却液体与冰直接接触，通过强迫对流来换热。设计直接接触式冰蓄冷的主要困难有：建立一个初始的通道；避免冷却液体在低流量时发生再凝固。Lomax等[10，11]研制出了一种直接接触式冰蓄冷装置并进行了测试。该装置利用两个快速断接器给冷却液体在冰容器内提供一个初始通道。测试表明这一设计是成功的，靠航天员的代谢产热来启动这一装置无任何问题。直接接触式冰蓄冷的优点是不再使用体积较大且低效的换热器。其缺点是再生时间长，通常需要十几个小时。出于体积约束的限制，穿着以冰蓄冷为主热控方式的舱外航天服的航天员，其出舱时间必须在4 h以内。
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石蜡储热 石蜡的单位体积能量密度较低。若单独使用石蜡储热来吸收航天服内的热量，就使得热控系统的体积，远远超过实际使用所能接受的水平,所以一般是以石蜡与辐射器联合使用，研究较多的是热电式热泵-石蜡-辐射器(TE-WAX-RAD)系统[12]。所用的石蜡有两种：高熔点石蜡(C16H34)和低熔点石蜡(C14H30)。出舱活动期间，航天服内的热量可以利用辐射器以辐射方式立即散失到太空中去，也可被石蜡暂时吸收。进行出舱活动时，石蜡可当作一个热容，吸收瞬态的峰值热负荷，当条件适于辐射时，可将热量传给辐射器。出舱活动完成后，可通过一低温装置来吸收石蜡的热量，恢复其储热能力，完成再生过程。
金属氢化物热泵 金属氢化物的单位体积能量密度是冰的5倍，是石蜡的8倍，因此它是一种非常好的相变储热材料[13]。金属氢化物热泵就是一种利用这种材料设计的热控系统。它可以有两种工作方式：闭式和开式。当以闭式循环工作时，要求有两个反应器，内装两种不同的金属氢化物。反应器A中的金属氢化物从液冷回路吸收热量，分解放出氢气。氢气又被反应器B中的金属氢化物所吸收，放出的热量经辐射器排到空间环境中去。待出舱活动完成后，可在母体飞行器进行再生。再生时利用电能或太阳能加热反应器B，使它放出氢气，氢气又被反应器A所吸收，放出的热量可由母体飞行器热控系统带走。金属氢化物热泵可在30 min内完成再生，这是其它再生型热控系统所不具备的。但由于该系统要求必须有两个大小相同的反应器，使得整个装置体积过于庞大，对8 h出舱活动来说，是不可取的。美国已研制出一用于4 h任务的金属氢化物热泵[13]。
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若允许进行开式操作，系统的体积和重量就可大大降低。因为只使用一个反应器，放出的氢气直接排向太空，而剩下的金属氢化物仍可再次使用。再生时所需的氢气可由电解水得到，另一副产品——氧气可供航天员使用。每次出舱活动时大约要排出0.23～0.68 kg的氢气，它一般不会污染飞行器的外部装置。
利用辐射机理设计的系统
辐射器 辐射器既没有质量损失，也不需再生。它可利用舱外航天服生保系统(PLSS)背包的五个表面作为辐射面。为了增加有效辐射面积，背包表面可采用翅片结构。辐射面的内部设有冷却流体管路，当循环流体流经辐射板时，热量先后通过对流、传导和辐射等方式传给太空热沉。在对辐射器进行具体化设计时，必须考虑航天员的峰值代谢率和从环境吸收的热量。当代谢率变化时，调节流体回路循环泵的功率来满足要求。辐射器系统的优点有：①结构简单，所含部件较少；②它的体积仅占PLSS体积的很小一部分，质量也较小。其缺点有：①在日照区和阴影区的散热能力差别较大；②辐射器存在微流星体碰撞的风险。为了满足今后星际探索的需要，美国NASA希望采用一种闭式热控系统，并要求在出舱活动完成后不需要进行再生，辐射器正符合这一要求，Stuckwisch等已进行了一些前期研究工作[14]。
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几种热控系统比较
部分热控系统比较情况如表1所示。从表1中可以看出，在所有参与比较的系统中，水升华器的体积最小、重量最轻。不论在硬件实现还是在机理研究方面，美国和俄罗斯对水升华器都有一套非常成熟的经验。动态开式膜分离器，这一研究的出发点非常具有新意，若能仅用这一装置就可完成热控、清除二氧化碳、除湿等重要生保功能，必将大大减少舱外航天服生保系统的硬件数目，从而减小生保系统的重量，提高其工作可靠性。但这一研究美国刚刚开始，可望在今后能得以突破。相变材料储热+辐射器这一方式的最大缺点是重量和体积偏大，今后研究的关键是寻找出一种比水和石蜡更适合的相变材料，来满足实际使用的要求。金属氢化物热泵是美国正在研究的一种新型热控方式，当它开式工作且与辐射器联合使用时，被认为可能是唯一一种可以替代水升华器的热控系统，但在一些方面还有待于进一步研究，如金属氢化物的选择、热泵系统传递与反应过程的强化等。辐射器是一种有效的被动式散热方式，但因为辐射面积受背包体积的制约，仅用辐射器很难满足任务要求。解决这一难题可从两个方面加以考虑：①设法增强单位面积的辐射能力；②与其它热控系统联合使用。
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表1 部分热控系统比较
Table 1 Comparison of several thermal control systems 系统(system)
体积(volume)(m3)
重量(weight)(kg)
备注(remarks)
升华器和相关硬件
0.009
9.07
航天飞机用
(sublimator and assoc.hardware)
, 百拇医药
(used in space shuttle)
冰蓄冷
0.058
88.00
非直接接触，可再生
(ice pack)
(indirect-interface, regeneration)
—
45.30
直接接触，可再生
(direct-interface, regeneration)
, 百拇医药
储热
0.055
68.00
单独使用，可再生
(heat storage)
(exclusive use, regeneration)
石蜡(低熔点)储热+辐射器
0.036
43.23
可再生
(wax radiator-low temp wax)
, 百拇医药
(regeneration)
石蜡(混合)储热+辐射器
0.024
36.83
可再生
(wax radiator-dual wax)
(regeneration)
石蜡(高熔点)储热+辐射器
0.048
62.57
可再生
(wax radiator-high temp wax)
, 百拇医药
(regeneration)
金属氢化物热泵(闭式)
0.023
128.82
可再生
(metal hydride-non-venting)
(regeneration)
金属氢化物热泵(开式)
0.015
63.50
可部分再生
, 百拇医药 (metal hydride-venting)
(partial regeneration)
金属氢化物热泵+辐射器
0.009
33.11
可部分再生
(metal hydride +radiator)
(partial regeneration)
国际空间站所用舱外航天服热控系统
国际空间站的建造过程中，预计需2000 h的EVA/年，来进行装配和维修，并且在开始的五年内，每年将以50%的量增加[15]。今后出舱的时间和频率都将大大增加，使用现行的热控技术，将不能满足要求。主要是因为：①每次典型EVA需要消耗水2.7～3.6 kg/人。使用消耗性物质增加了空间运输费用(6000美元/kg)；②升华所产生的水蒸气可能会对空间站外部设备和航天服配套仪器造成一定的污染。NASA 要求空间站的外部污染水平限制在1011分子/cm2以下。于是新型出舱热控系统的研制就列入了NASA的发展计划。这项工作开始于1984年，在整个出舱热控系统研制过程中，NASA从系统的观点提出了具体要求：强调在轨再生能力；降低消耗性物质的使用；能提供4～8 h的出舱活动；整个系统的体积和重量接近航天飞机所用的系统。1989年，NASA为了进一步减小PLSS的体积，重新评价了PLSS的设计准则。新准则更加强调了生命周期费用和便携式生保系统总体体积约束(0.08 m3)，闭式工作不再是主要目标，可以重新考虑一些开式技术。
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NASA的一些合同商据此提出了一些不同的热控系统。Hamilton Standard 公司最初提出的热控系统是一个混合系统，它由储热装置、蒸汽压缩热泵和辐射器组成[16]。利用储热装置来吸收峰值热负荷，蒸汽压缩热泵的工质选用R-12。这一系统的体积大约为0.037m3，不能满足NASA的要求。另外，蒸汽压缩热泵的耗能约为80～200 W，NASA也不能接受。McDonnell Douglas 公司提出了两种热控系统方案[17],一种是石蜡/辐射器混合系统，储热材料为16烷石蜡，使用热电式热泵来提高辐射散热能力。使用热电式热泵来代替蒸汽压缩热泵，可以消除蒸汽压缩热泵所带来的噪音问题和潜在的污染问题，而且可以增加系统的可靠性。另一种系统是在NASA新的设计准则指导下，采用了开式金属氢化物热泵系统，以减小系统的体积和重量。洛克希德公司(LESC)设计了另外两种热控系统[17],其中一种除了采用开式金属氢化物热泵系统外，还包括了一个辐射器。使用辐射器的优点在于较大一部分热负荷在到达氢化物容器之前将通过辐射器排散。这可减小氢气的消耗，从而降低热控系统的体积和重量。另外一种热控系统的设计思想则更关注系统水平的提高，它将热控系统与电能供应系统综合成一体。金属氢化物热泵所释放的氢气被燃料电池利用，直接产生电能，那些没被利用的氢气可排向太空。这样可保证系统效率最高，氢气得到最大程度的利用，同时可减小电池的体积和重量。
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目前，关于国际空间站所用舱外航天服热控系统，NASA还未最终定型，但上面提到的五种热控系统方案是NASA比较关注的。在空间站的开始阶段，舱外航天服热控系统可能还会采用水升华器作为过渡。
研究动向分析及讨论
从热控系统的发展，特别是从国际空间站所用舱外航天服热控系统的研制情况可以发现如下的研究动向和发展趋势。
强调在轨的可再生性 考虑到未来载人航天活动正逐渐由地基向轨道基转化，出舱活动将非常频繁，热控系统不但需要高性能、高可靠性和高维修性，在轨的可再生性也正在变成一条基本要求，再生系统的选定及其再生时间的长短是今后选择热控系统的重要原则之一。
重视混合系统 与辐射器联合使用的混合系统的研制得到了高度重视。随着航天服关节活动性能的不断改善及地面训练手段的改进，出舱期间航天员的平均代谢率正在逐步下降[18]。使用辐射器这一被动散热方式，可以基本满足正常代谢率下的散热要求，再利用升华器或储热系统来处理峰值热负荷。这种混合系统最大限度地利用了背包表面和外部环境，同时也减小了消耗性物质或相变材料的使用。
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综上所述，国外的研究经验和实际飞行都已证明，水升华器完全满足舱外航天服热控要求，具有很高的工作可靠性。目前，在美国和俄罗斯的航天中正在使用的唯一热控方案就是水升华器系统。当出舱频率不太高时，开式工作所消耗的水量在可以接受的范围内。在选择舱外航天服热控系统时，一般均将水升华器作为首选方案，这是各国科学家所达成的共识。多孔板的开发 和研制则是水升华器研究中一项非常关键的技术，只有建立一套多孔板的规范，才能为全面开展水升华器研究打下基础。当然从长远角度考虑，有必要开展新型热控系统的研究，如金属氢化物热泵系统及一些混合系统的研究等。
参考文献
[1]Graumann DW，Woods GR.Research study on instrument unit thermal conditioning heat sink concepts[R].NAS-8-11291,1968
[2]Hamilton Standard.Phase 1 engineering and technical data report for the thermal control extravehicular life support system[R].N75-24360
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[3]Sulzman FM，Genin AM.SPACE BIOLOGY AND MEDICINE Ⅱlife support and habitability[M].Moscow:Nauka Press，1993：283～315
[4]Skoog AI.The EVA space suit development in Europe[J].Acta Astronautica，1994,32：25
[5]Curtis DL，Oelker CE.An advanced sublimator for active space heat rejection[R].AIAA-73-1337
[6]Noyes GA.Mobile liquid venting membrane separator for carbon dioxide，humidity，and waste heat removal from spacesuits and manned spacecraft[R].SAE 932185
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[7]Hale LV，Hoover MJ，Oneill MJ.Phase change materials handbook[R].1971，NASA CR-61363
[8]Selvaduray G，Lomax C.Fusible heat sink materials:an identification of alternate candidates[R].SAE911345
[9]Roebelen GJ. Ice pack heat sink subsystem[R]. 1973，NASA-CR114624
[10]Lomax WC，Webbon BW.A direct-interface fusible heat sink for astronaut cooling[R].SAE901433
[11]Lomax WC，Kader MB.Direct-interface fusible heat sink performance tests[R].SAE941384
, 百拇医药
[12]Bayes SA.A non-venting cooling system for space environment extravehicular activity using radiation and regenerable thermal storage[R].SAE 881063
[13]Lynch FE. Metal hydride heat pump engineering demonstration and evaluation model[R].1993，NAS-9-17819
[14]Stuckwisch S，Carrion CA，Francois J et al.The embodiment design of the heat rejection system for the portable life support system[R].1994，NASw-4435
, 百拇医药
[15]Ciocca JA.Evaluation of regenerative portable life support system options[R].SAE860948
[16]Roebelen GJ Regenerable non-venting thermal control subsystem for extravehicular activity[R].SAE 860943
[17]Wilson JL，Lawson BM.Investigation into venting and non-venting technologies for the space station freedom extravehicular activity life support system[R].SAE 901319
[18]Thomas GA，Trevino LA.Extravehicular activity metabolic profile development based on Apollo，Skylab，and Shuttle Missions[R].SAE 972502
收稿日期：1998-10-21, http://www.100md.com
单位：吴志强 袁修干 北京航空航天大学人-机-环境系统工程研究所，北京 100083；沈力平 航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：热控系统；航天服；生命保障系统
航天医学与医学工程990417摘要：综述了国外舱外航天服热控系统研究的新进展，着重分析了利用质量传递、相变储热及辐射等机理设计热控系统的特点，探讨了值得注意的研究动向和存在问题。
中图分类号：R852.81 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)04-0303-05
Research Progress of Thermal Control System for Extravehicular
, http://www.100md.com
Activity Space Suit
WU Zhi-qiang,SHEN Li-ping,YUAN Xiu-gan
Abstract：New research progress of thermal control system for oversea Extravehicular Activity (EVA) space suit is presented. Characteristics of several thermal control systems are analyzed in detail. Some research tendencies and problems are discussed，which are worthwhile to be specially noted. Finally，author's opinion about thermal control system in the future is put forward.
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Key words:thermal control system;space suits;life support systems
Address reprint requests to:WU Zhi-qiang.Institute of Man-Machine-Environment,Beijing University of Aeronautics & Astronautics,Beijing 100083,China
热控系统是舱外航天服便携式生保系统(PLSS)的一个重要组成部分。其主要作用是排除航天服内的多余热量，包括航天员自身生理产热、机电装置产热、二氧化碳去除系统产热和来自外部环境的热负荷等，保持航天员的热舒适性，从而保证航天员较高的工作效率。美国和前苏联对适用于舱外航天服的各种热控系统进行了大量的研究。进入80年代以后，特别是随着航天飞机计划的开展和国际空间站计划的提出，美国等在舱外航天服热控系统的研制和开发方面出现了一些引人注目的变化。认真分析其中的技术特点和研究动向，对于舱外航天服的热控系统的研制无疑具有借鉴意义和参考价值。本文介绍了国外舱外航天服热控系统的研究新进展，重点分析了几个热控系统的特点，并提出了值得注意的研究动向和存在问题。
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几种热控系统
适用于舱外航天服的散热方式主要有三种：辐射、储热和质量传递。利用辐射和储热机理进行设计的系统称之为闭式热控系统。利用质量传递机理进行设计的系统称之为开式热控系统。图1说明了三种方式之间的关系。
图1 舱外航天服的散热方式
Fig.1 Heat rejection modes for EVA space suit
利用质量传递机理设计的系统
水升华器 美国从60年代就开始进行水升华器的研究,阿波罗(Apollo)计划中得到第一次实际应用[1，2]。美国航天飞机使用的EMU和俄罗斯使用的Orlan航天服均采用这一技术作为热控系统的主冷源[3]。90年代初，欧洲进行Hermes计划时，舱外航天服热控系统准备采用的也是水升华器[4]。水升华器主要包括气-液换热器和多孔板两部分。
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在Apollo计划中，四块镍制多孔板与换热器焊接成一体。在使用过程中，发现这一结构存有弊端。镍制多孔板的孔径一般为微米级的，长时间使用可能造成性能严重下降。需要替换整个升华器。在后来的EMU研制过程中，NASA改进了水升华器的结构，采用一块高性能多孔板来代替四块镍板，它由不锈钢丝网压制而成，并进行了憎水性涂层处理。这块多孔板与换热器的连接采用的是可替换结构，当水升华器性能下降时，仅替换一块多孔板就可重新使用，这项工作在轨期间就可完成。美国在70年代还曾研究过一种低背压的水升华器[5]，但其性能没有可替换式多孔板升华器优越，所以，这项研究计划最终未能实施。
动态开式膜分离器 这是一项正在研究的新技术[6]，主要包括空心纤维净气器和空心纤维分离器两部分，利用压力-波动吸收和温度-控制蒸发将舱外航天服内的热量和二氧化碳、湿气及各种难闻气味等排向太空。动态开式膜分离器内气/液和液/真空界面是由憎水性多孔空心纤维组件维持的，亲水性溶剂选用的是碱性水溶剂，当它流经纤维孔时，不会从憎水性纤维孔的壁面渗出。溶剂循环回路通过一换热器从液冷回路和通风回路吸收热量，在一分离器内利用水的蒸发将热量排向太空，同时可将溶剂内所吸收的各种气体排向太空。
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利用相变储热机理设计的系统
选择具有更大储热能力的材料，可以减小热控系统的体积和重量。Hale等[7]在70年代就开始对相变材料的选择进行了研究，但由于当时材料科学本身的限制，适用于热控系统的材料受到了很大的局限。90年代，Selvaduray等[8]再次对相变材料进行了研究，其中有59种备选材料的相变潜热比水大，但它们的热物性还有待于进一步测量来获得可靠数据。目前在热控系统领域研究较多的相变材料是水、石蜡和金属氢化物。
冰蓄冷 冰蓄冷分非直接接触和直接接触两种形式。非直接接触冰蓄冷在70年代美国就进行了研究[9]，液冷服内的冷却液体和冰之间是通过一换热器来进行换热的。这类系统的最大缺点是装置的体积过大。直接接触式冰蓄冷允许冷却液体与冰直接接触，通过强迫对流来换热。设计直接接触式冰蓄冷的主要困难有：建立一个初始的通道；避免冷却液体在低流量时发生再凝固。Lomax等[10，11]研制出了一种直接接触式冰蓄冷装置并进行了测试。该装置利用两个快速断接器给冷却液体在冰容器内提供一个初始通道。测试表明这一设计是成功的，靠航天员的代谢产热来启动这一装置无任何问题。直接接触式冰蓄冷的优点是不再使用体积较大且低效的换热器。其缺点是再生时间长，通常需要十几个小时。出于体积约束的限制，穿着以冰蓄冷为主热控方式的舱外航天服的航天员，其出舱时间必须在4 h以内。
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石蜡储热 石蜡的单位体积能量密度较低。若单独使用石蜡储热来吸收航天服内的热量，就使得热控系统的体积，远远超过实际使用所能接受的水平,所以一般是以石蜡与辐射器联合使用，研究较多的是热电式热泵-石蜡-辐射器(TE-WAX-RAD)系统[12]。所用的石蜡有两种：高熔点石蜡(C16H34)和低熔点石蜡(C14H30)。出舱活动期间，航天服内的热量可以利用辐射器以辐射方式立即散失到太空中去，也可被石蜡暂时吸收。进行出舱活动时，石蜡可当作一个热容，吸收瞬态的峰值热负荷，当条件适于辐射时，可将热量传给辐射器。出舱活动完成后，可通过一低温装置来吸收石蜡的热量，恢复其储热能力，完成再生过程。
金属氢化物热泵 金属氢化物的单位体积能量密度是冰的5倍，是石蜡的8倍，因此它是一种非常好的相变储热材料[13]。金属氢化物热泵就是一种利用这种材料设计的热控系统。它可以有两种工作方式：闭式和开式。当以闭式循环工作时，要求有两个反应器，内装两种不同的金属氢化物。反应器A中的金属氢化物从液冷回路吸收热量，分解放出氢气。氢气又被反应器B中的金属氢化物所吸收，放出的热量经辐射器排到空间环境中去。待出舱活动完成后，可在母体飞行器进行再生。再生时利用电能或太阳能加热反应器B，使它放出氢气，氢气又被反应器A所吸收，放出的热量可由母体飞行器热控系统带走。金属氢化物热泵可在30 min内完成再生，这是其它再生型热控系统所不具备的。但由于该系统要求必须有两个大小相同的反应器，使得整个装置体积过于庞大，对8 h出舱活动来说，是不可取的。美国已研制出一用于4 h任务的金属氢化物热泵[13]。
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若允许进行开式操作，系统的体积和重量就可大大降低。因为只使用一个反应器，放出的氢气直接排向太空，而剩下的金属氢化物仍可再次使用。再生时所需的氢气可由电解水得到，另一副产品——氧气可供航天员使用。每次出舱活动时大约要排出0.23～0.68 kg的氢气，它一般不会污染飞行器的外部装置。
利用辐射机理设计的系统
辐射器 辐射器既没有质量损失，也不需再生。它可利用舱外航天服生保系统(PLSS)背包的五个表面作为辐射面。为了增加有效辐射面积，背包表面可采用翅片结构。辐射面的内部设有冷却流体管路，当循环流体流经辐射板时，热量先后通过对流、传导和辐射等方式传给太空热沉。在对辐射器进行具体化设计时，必须考虑航天员的峰值代谢率和从环境吸收的热量。当代谢率变化时，调节流体回路循环泵的功率来满足要求。辐射器系统的优点有：①结构简单，所含部件较少；②它的体积仅占PLSS体积的很小一部分，质量也较小。其缺点有：①在日照区和阴影区的散热能力差别较大；②辐射器存在微流星体碰撞的风险。为了满足今后星际探索的需要，美国NASA希望采用一种闭式热控系统，并要求在出舱活动完成后不需要进行再生，辐射器正符合这一要求，Stuckwisch等已进行了一些前期研究工作[14]。
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几种热控系统比较
部分热控系统比较情况如表1所示。从表1中可以看出，在所有参与比较的系统中，水升华器的体积最小、重量最轻。不论在硬件实现还是在机理研究方面，美国和俄罗斯对水升华器都有一套非常成熟的经验。动态开式膜分离器，这一研究的出发点非常具有新意，若能仅用这一装置就可完成热控、清除二氧化碳、除湿等重要生保功能，必将大大减少舱外航天服生保系统的硬件数目，从而减小生保系统的重量，提高其工作可靠性。但这一研究美国刚刚开始，可望在今后能得以突破。相变材料储热+辐射器这一方式的最大缺点是重量和体积偏大，今后研究的关键是寻找出一种比水和石蜡更适合的相变材料，来满足实际使用的要求。金属氢化物热泵是美国正在研究的一种新型热控方式，当它开式工作且与辐射器联合使用时，被认为可能是唯一一种可以替代水升华器的热控系统，但在一些方面还有待于进一步研究，如金属氢化物的选择、热泵系统传递与反应过程的强化等。辐射器是一种有效的被动式散热方式，但因为辐射面积受背包体积的制约，仅用辐射器很难满足任务要求。解决这一难题可从两个方面加以考虑：①设法增强单位面积的辐射能力；②与其它热控系统联合使用。
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表1 部分热控系统比较
Table 1 Comparison of several thermal control systems 系统(system)
体积(volume)(m3)
重量(weight)(kg)
备注(remarks)
升华器和相关硬件
0.009
9.07
航天飞机用
(sublimator and assoc.hardware)
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(used in space shuttle)
冰蓄冷
0.058
88.00
非直接接触，可再生
(ice pack)
(indirect-interface, regeneration)
—
45.30
直接接触，可再生
(direct-interface, regeneration)
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储热
0.055
68.00
单独使用，可再生
(heat storage)
(exclusive use, regeneration)
石蜡(低熔点)储热+辐射器
0.036
43.23
可再生
(wax radiator-low temp wax)
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(regeneration)
石蜡(混合)储热+辐射器
0.024
36.83
可再生
(wax radiator-dual wax)
(regeneration)
石蜡(高熔点)储热+辐射器
0.048
62.57
可再生
(wax radiator-high temp wax)
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(regeneration)
金属氢化物热泵(闭式)
0.023
128.82
可再生
(metal hydride-non-venting)
(regeneration)
金属氢化物热泵(开式)
0.015
63.50
可部分再生
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(partial regeneration)
金属氢化物热泵+辐射器
0.009
33.11
可部分再生
(metal hydride +radiator)
(partial regeneration)
国际空间站所用舱外航天服热控系统
国际空间站的建造过程中，预计需2000 h的EVA/年，来进行装配和维修，并且在开始的五年内，每年将以50%的量增加[15]。今后出舱的时间和频率都将大大增加，使用现行的热控技术，将不能满足要求。主要是因为：①每次典型EVA需要消耗水2.7～3.6 kg/人。使用消耗性物质增加了空间运输费用(6000美元/kg)；②升华所产生的水蒸气可能会对空间站外部设备和航天服配套仪器造成一定的污染。NASA 要求空间站的外部污染水平限制在1011分子/cm2以下。于是新型出舱热控系统的研制就列入了NASA的发展计划。这项工作开始于1984年，在整个出舱热控系统研制过程中，NASA从系统的观点提出了具体要求：强调在轨再生能力；降低消耗性物质的使用；能提供4～8 h的出舱活动；整个系统的体积和重量接近航天飞机所用的系统。1989年，NASA为了进一步减小PLSS的体积，重新评价了PLSS的设计准则。新准则更加强调了生命周期费用和便携式生保系统总体体积约束(0.08 m3)，闭式工作不再是主要目标，可以重新考虑一些开式技术。
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NASA的一些合同商据此提出了一些不同的热控系统。Hamilton Standard 公司最初提出的热控系统是一个混合系统，它由储热装置、蒸汽压缩热泵和辐射器组成[16]。利用储热装置来吸收峰值热负荷，蒸汽压缩热泵的工质选用R-12。这一系统的体积大约为0.037m3，不能满足NASA的要求。另外，蒸汽压缩热泵的耗能约为80～200 W，NASA也不能接受。McDonnell Douglas 公司提出了两种热控系统方案[17],一种是石蜡/辐射器混合系统，储热材料为16烷石蜡，使用热电式热泵来提高辐射散热能力。使用热电式热泵来代替蒸汽压缩热泵，可以消除蒸汽压缩热泵所带来的噪音问题和潜在的污染问题，而且可以增加系统的可靠性。另一种系统是在NASA新的设计准则指导下，采用了开式金属氢化物热泵系统，以减小系统的体积和重量。洛克希德公司(LESC)设计了另外两种热控系统[17],其中一种除了采用开式金属氢化物热泵系统外，还包括了一个辐射器。使用辐射器的优点在于较大一部分热负荷在到达氢化物容器之前将通过辐射器排散。这可减小氢气的消耗，从而降低热控系统的体积和重量。另外一种热控系统的设计思想则更关注系统水平的提高，它将热控系统与电能供应系统综合成一体。金属氢化物热泵所释放的氢气被燃料电池利用，直接产生电能，那些没被利用的氢气可排向太空。这样可保证系统效率最高，氢气得到最大程度的利用，同时可减小电池的体积和重量。
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目前，关于国际空间站所用舱外航天服热控系统，NASA还未最终定型，但上面提到的五种热控系统方案是NASA比较关注的。在空间站的开始阶段，舱外航天服热控系统可能还会采用水升华器作为过渡。
研究动向分析及讨论
从热控系统的发展，特别是从国际空间站所用舱外航天服热控系统的研制情况可以发现如下的研究动向和发展趋势。
强调在轨的可再生性 考虑到未来载人航天活动正逐渐由地基向轨道基转化，出舱活动将非常频繁，热控系统不但需要高性能、高可靠性和高维修性，在轨的可再生性也正在变成一条基本要求，再生系统的选定及其再生时间的长短是今后选择热控系统的重要原则之一。
重视混合系统 与辐射器联合使用的混合系统的研制得到了高度重视。随着航天服关节活动性能的不断改善及地面训练手段的改进，出舱期间航天员的平均代谢率正在逐步下降[18]。使用辐射器这一被动散热方式，可以基本满足正常代谢率下的散热要求，再利用升华器或储热系统来处理峰值热负荷。这种混合系统最大限度地利用了背包表面和外部环境，同时也减小了消耗性物质或相变材料的使用。
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综上所述，国外的研究经验和实际飞行都已证明，水升华器完全满足舱外航天服热控要求，具有很高的工作可靠性。目前，在美国和俄罗斯的航天中正在使用的唯一热控方案就是水升华器系统。当出舱频率不太高时，开式工作所消耗的水量在可以接受的范围内。在选择舱外航天服热控系统时，一般均将水升华器作为首选方案，这是各国科学家所达成的共识。多孔板的开发 和研制则是水升华器研究中一项非常关键的技术，只有建立一套多孔板的规范，才能为全面开展水升华器研究打下基础。当然从长远角度考虑，有必要开展新型热控系统的研究，如金属氢化物热泵系统及一些混合系统的研究等。
参考文献
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收稿日期：1998-10-21, http://www.100md.com