多孔介质内真空水升华行为中交变相变界面移动规律及"击穿"抑制方法研究

Water sublimator is an essential thermal control method in the thermal control design of spacecraft with short period large heat load. Sublimator utilizing water sublimation in the porous medium to reject spacecraft waste heat, which is an endothermic process. The work mechianism of sublimator is a complex heat and mass flow problem, including basic physical issues such as gas-liquid-solid phase change and multi-phase flow, moving alternative phase change interfaces and rarefied gas flow, which received more and more attention recently.But the water icing and sublimation mechanisms in porous medium is not adequately researched. The present investigation is aimed to study the mechanism and the related properties of water sublimation into the vacuum through the porous medium,the equations which describe the water's alternative phase change interfaces moving in the porous medium and the judging criteria of the phase transition will be established. Then, the methods of inhibiting "breakthrough" in the water sublimation through the porous medium will be presented. The present investigation will be carried out through on-orbit experimental verification in the future lunar exploration program. The present investigation involves multidisciplinary sciences, such as classical multi-phase flow and vadose, rarefied gas flow, heat and mass transfer, computational methods, etc., and is an advanced studies in the international aerospace and related field.The research results will provide technical supports and basis for the water sublimation thermal control technique.

作为短时大功率航天器一种必不可少的热控手段，水升华器在利用固态水（冰）真空升华吸热现象实现航天器废热排散过程中，涉及多孔介质内气-液-固多相流、交变相变界面移动以及高真空下稀薄气体流动等流体力学基础理论问题，已成为国内外空间热物理领域近期的研究热点。然而水升华器多孔介质内结冰与升华机理非常复杂，目前缺乏相应的基础研究。本课题拟通过理论与实验研究进一步认识多孔介质内真空水升华行为中的机理和相关特性规律，建立描述水在多孔介质内的交变相变界面移动方程及其形态转变的判断准则，进而提出多孔介质内水升华"击穿"抑制方法，并结合我国探月三期工程开展一定的在轨验证。本课题涉及经典多相流与渗流、稀薄气体流动、传热传质学与计算方法等多个学科的交叉，是国际上航空航天及相关领域的前沿课题，具有重要的理论意义与实际价值，可为水升华热控技术的在轨应用提供理论与实验依据。

水升华热控技术属于消耗性热控技术的一种，可作为空间辐射散热方式的有益补充。水升华器运行过程中涉及多孔介质内气-液-固多相流、交变相变界面移动以及高真空稀薄气体流动等流体力学基础理论问题。如果不研究清楚其运行机理，空间应用时可能会存在一定的风险，特别是启动过程中的“击穿”风险。本课题通过理论分析与实验研究进一步认识了多孔介质内真空水升华行为中的机理和相关特性规律。.国内外首次推演出水升华器的工作形态及其演变关系，并利用水升华器启动过程给水质量流量变化进行了验证。通过引入多孔介质内的蒸发/升华移动相变界面连续条件和真空稀薄气体流传热传质关系，导出了基于压力、毛细力、阻力等作用下多孔介质内蒸发、凝固/融化、升华相变界面移动方程，解决了相变传热传质过程研究中移动相变界面确定的难题，弥补了现有理论分析方法的不足。.采用一种具有变质量特性的温度集总参数法，首次构建出描述水升华器启动过程的集总参数模型，并拓展应用到水升华器及其回路系统的耦合启动特性研究中，弥补了现有方法不能反映水升华器内相变界面温度变化及其移动特性的不足。依据“击穿”、“蒸干”的物理意义，建立了水升华器启动过程中不发生“击穿”的基于热负荷-给水压力-多孔板参数等的综合判据，研究了热负荷、多孔板厚度、孔径等因素对水升华器启动特性的影响规律。.采用电镜扫描及XCT对多孔板原始加工件与完成升华实验后两种状态进行了研究，还在此基础上开展了“基于相似原理”的可视化研究，获得了一定的研究成果，其中基于“相似原理”真空水升华机理可视化研究可作为一种有益的尝试。在理论分析基础上，提出疏水涂层处理水升华器多孔板、水升华器“自强化”、变压力式分步启动、变温度式分步启动、间歇给水式分步启动5种“击穿”抑制方法，并结合探月三期嫦娥五号开展了地面验证工作。并成功将一种基于压力的水升华器在轨“击穿”判读方法应用到嫦娥五号任务中。