薄膜二次表面镜热控涂层的辐射物性分析.pdf

航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷第 2 期 188 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2013 年 4 月 舱外航天服舱外航天服冷热电一体化冷热电一体化系统系统性能性能分析分析 周国栋1，高 峰1，李运泽2，王胜男2，周 航 （1. 中国航天员科研训练中心，北京 100094；2. 北京航空航天大学，北京 100191） 2 摘要：文章提出了一种舱外航天服冷热电一体化（Combined Cooling-Heating-Power, CCHP）系统，该系统 的主要组件有质子交换膜燃料电池、热驱制冷装置、金属氢化物储氢装置和辐射器等。在冷热电一体化系统的 冷电匹配方法上提出了“以电定冷”方案，按照该方案计算了一组典型工况下系统的工作状态，分析了燃料电 池的工作温度、工作电流密度和工作压力对系统质量和消耗性工质损失的影响。结果表明，该舱外航天服冷热 电一体化系统在质量大小方面可以接受，在消耗性工质损失方面比水升华器冷源/蓄电池电源方案小得多；且 降低燃料电池工作温度和压力、 增大燃料电池工作电流密度， 均能够减小系统质量、 降低系统消耗性工质损失。 关键词：舱外航天服；冷热电一体化；燃料电池；热驱制冷；金属氢化物储氢；辐射散热 中图分类号： V445.3 文献标志码： A 文章编号： 1673-1379(2013)02-0188-08 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2013.02.016 0 引言引言 舱外航天服在航天员执行出舱任务时为航天 员提供必要的环境防护和生命保障支持，热管理 功能是其环境防护功能的一个重要部分，而完成 热管理功能需要有冷源的支持，局部还需要加热； 电源也是舱外航天服实现其功能的必要基础。 现阶段，舱外航天服主要采用水升华器作为 冷源，采用锌银电池、锂电池等二次电池作为电 源。虽然水升华器冷源是目前舱外航天服所用冷 源中体积和质量最小的1，但其消耗性工质水的 消耗量较大，国际空间站上每次典型的出舱活动 需要消耗 2.73.6 kg的水2。二次电池电源储能 密度（30120 Wh/kg）3提升空间有限，且其 充/放电循环使用次数少。 处在研究阶段的舱外航 天服冷源包括动态开式膜分离器、辐射器、金属 氢化物热泵、冰（石蜡）蓄冷，以及相变储热/ 辐射器混合式冷源等4-5； 舱外航天服电源有燃料 电池等3 。这些冷源和电源均采用冷源、电源分 开设计的方案，没有进行冷热电一体化设计，客 观上限制了系统综合性能的提高。 1 冷热电冷热电一体化一体化系统思路系统思路及工作机理及工作机理 1.1 系统思路 舱外航天服冷热电一体化系统（图 1）总体 思路核心是采用金属氢化物储氢装置及热驱制 冷装置作为液冷服冷源，采用质子交换膜燃料电 池 （ Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为舱外航天服电源。 图 1 舱外航天服冷热电一体化系统总体思路 Fig. 1 Schematic diagram of combined cooling system 金属氢化物储氢装置既可以为燃料电池提 供氢气，也可以作为液冷服的冷源，其工质消耗 量仅为水升华器的 1/91/56 ；燃料电池能量密 度明显高于普通二次电池，效率也高达 50%左 右，其发电的“废热”通过热驱制冷装置还可为 液冷服提供冷量，反应副产品（水）可以补充到 航天服的水源系统；液冷服排热温度经过热驱制 收稿日期：2013-01-07；修回日期：2013-04-08 基金项目：人因工程重点实验室开放基金资助项目（课题号：HF2011-K-05） 作者简介：周国栋（1990） ，男，硕士研究生，从事舱外航天服环境控制与生命保障技术研究；E-mail：bozhouzgd 。 高 峰， （1969） ，男，研究员，硕士生导师，研究方向为航天器环境控制与生命保障工程；E-mail: gf117 。 第2期 周国栋等： 舱外航天服冷热电一体化系统性能分析 189 冷装置的热泵效应后随之提高，最终通过辐射散 热的方式排放到空间环境中。一体化系统的发电 单元和制冷单元之间有很强的物质和能量互补 性，为系统综合性能的提高创造了条件。 1.2 核心部件工作机理及接口关系 1）质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池能够将氢气与氧气的化 学能直接转化为电能，且具有能量密度高、供电 时间长、 启动快速、 工作温度较低 （约 70100 ） 等优点。其工作原理如图 2 所示，发电所需的氢 气由金属氢化物储氢装置提供，所需氧气由舱外 航天服的高压储氧瓶提供，产生的水收集起来补 充到舱外航天服的水源系统，产生的热量用于驱 动热驱制冷装置为液冷服制冷。 图 2 质子交换膜燃料电池工作原理 Fig. 2 Operating principle of PEMFC 2）热驱制冷装置 热驱制冷装置利用吸收式制冷循环原理（见 图 3） ：由发生器接收高温热源（燃料电池）热量 Qd，驱动冷剂工质的循环；由蒸发器为低温物体 （液冷服）提供冷量Qe；同时，冷凝器和吸收器 分别排放出热量Qc和Qa。 外部冷却回路通过串联 的方式依次经过吸收器和冷凝器， 将Qc和Qa带到 辐射器，并最终通过辐射散热的方式排放到空间 环境中。 图 3 热驱制冷装置工作原理 Fig. 3 Operating principle of heat-driven cooling device 热驱制冷在建筑的中央空调等领域应用相 当普遍，在汽车废热制冷和单兵便携式制冷方面 均已研制出原理样机7-8。 美国太平洋西北国家实 验室（Pacific Northwest National Laboratory， PNNL）基于微槽道内的传热、传质技术实现了 热驱制冷装置的微型化，成功研制出具有 350 W 制冷能力的工程样机，质量仅为 1 kg左右9 3）金属氢化物储氢装置 。 金属氢化物释放氢气时需要从外界吸收热 量。利用其吸热放氢的性质，不仅可以为燃料电 池提供氢气，也能为液冷服提供部分冷量。利用 开式的金属氢化物储氢装置，每次出舱活动仅需 排出 0.230.68 kg氢气4。出舱活动完成后，又 可以通过加压重吸氢的方法实现氢化物的再生。 金属氢化物储氢装置如图 4 所示：反应床中 均匀安置多根管道，管道内填充金属氢化物；传 热流体经管道外流过，通过管道壁与金属氢化物 发生热交换，实现热量的传递；管道中央安置的 过滤管供氢气通过并且阻止金属氢化物粉末通 过；氢气流出反应床后供燃料电池发电使用或直 接排放到太空。 图 4 金属氢化物储氢装置示意图 Fig. 4 Illustration of metal hydrogen device 2 一体化系统性能分析方法一体化系统性能分析方法 2.1 “以电定冷”方案 一体化系统要求能够达到一定的供电功率Pe 和制冷功率Pc，为了匹配系统的供电指标和制冷 指标，提出了“以电定冷”的方案。所谓“以电 定冷” ，即在储氢装置释放氢气的过程中，优先按 照燃料电池发电功率达到Pe的速率释放，计算这 个放氢过程中吸收的热量Qc1与发电废热驱动热 驱制冷装置提供的制冷量Qc2之和是否满足液冷 服的制冷要求。实际情况若不能满足要求，则由 储氢装置额外释放氢气到太空以提供不足的制 190 航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷 冷量，最终达到制冷量Pc 2.2 一体化系统分析计算模型 （如果液冷服的排热量 不足以满足储氢装置释放氢气的要求，则需要考 虑电加热等方式对储氢装置进行加热，实际计算 过程中并没有出现这种情况，这里不予考虑） 。 1）质子交换膜燃料电池 燃料电池的单体电压为 cactohmic VE=+ 10 ， () 22 1/ 2 stdHO fc (298.15)ln 22 =+ RTS EETP P FF (1) 式中：E 为燃料电池开路电压，可由 Nernst 方程 表示为 。(2) 其中：Estd为标准状态下燃料电池的可逆电动势， 1.229 V；TfcS为燃料电池工作温度；为反应产物与反 应物之间的熵差；R为理想气体常数，8.314 J/(molK)； F为法拉第常数，96 485 2 H PC/mol；、 2 O P分别为 燃料电池工作时的氢气压力和氧气压力， bar； act 2 act123O4 lnlnTTcTI=+ 为活化极化压降，可表示为 ； (3) ohmic electronicprotoninternal ohmic -I( RR)-IR=+= 为欧姆极化压降，可表示为 。 (4) 燃料电池产热速率及需要的供氢和供氧 速率分别为 e c 1.48 (1) = 2 2. Beijing University of Aeronatical and Astronatical, Beijing 100191, China） Abstract: A combined cooling, heating and power (CCHP) system for extravehicular activity (EVA) space suit is proposed in this paper. The CCHP system mainly consists of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), a heat driving cooling device, a metal hydride hydrogen storage device and a radiator. A Power Supply Priority scheme is proposed for the CCHP system in order to match both the power supply and the cooling request. Based on the PSP scheme, the operation state parameters and the mass of the CCHP system are calculated under a typical working condition. Influences of the PEMFCs working temperature, the current density and the pressure on the system mass and the expendable material loss are analyzed. The results show that the mass of the EVA space suit CCHP system is acceptable, and the expendable material loss is much less than that of the water sublimator/storage battery scheme. Lowering the PEMFC working temperature and pressure, or raising the PEMFCs current density, would lead to a lighter system and less expendable material loss. Key words: extravehicular activity space suit; combined cooling; fuel cell; heat driving cooling; metal hydride hydrogen storage; radiation cooling （编辑：冯 妍） 技术沙龙技术沙龙 本刊主编参加联合国外层空间委员会科技小组委员会 第 50 届会议并作大会报告 联合国和平利用外层空间委员会科技小组委员会第 50 届会议于 2013 年 2 月 1122 日在维也纳联 合国总部举行。来自 74 个国家、地区和相关国际组织的官员和专家 500 多人出席了本次会议。中国政 府派出了由国家航天局牵头、国家航天局系统工程一司李国平副司长担任团长，以及分别来自国家航天 局系统工程一司等单位共计 20 人组成的中国政府代表团参加了本次会议。其中，北京卫星环境工程研 究所龚自正首席研究员（本刊主编）任参会专家组组长，并在会上作专题报告。 本次会议的主题是“空间活动长期可持续性”，内容涉及：空间碎片、空间操作、空间态势感知； 空间核动力源；空间天气；近地物体；全球卫星导航系统；对灾害管理的支持；空间应用等。龚自正研 究员在大会上作了CASCs efforts on dealing with space debris tow