[科普中国]-航天大气储存设备

简介

为保证宇航员的安全并为他们提供相对舒适的工作与生活环境，在飞船上和空间站上都设置有专门的环境控制系统、电源系统等，有些飞船还设置有再启动航行的推进剂箱增压系统。环境控制系统为宇航员的座舱、工作间提供氧气、氮气，以保持舱内适度的大气环境，如调节座舱及航天服内温度、湿度和氧气、氮气分压，吸收人体新陈代谢的产物等。电源系统则为燃料电池提供氢气、氧气，以便与太阳能电池帆板交替保证飞船或空间站上的用电，而增压系统为飞船转轨航行提供氦气对推进剂进行增压。这些系统在飞船长期航行与空间站长期运行中都需要大量的各种气体。因此，各种气源系统是载人飞船和空间站必不可少的重要组成部分。飞船本身必须贮存有足够的各种所需气源，空间站则还需要定期的气源补给，这样才能保证飞船和空间站的安全和可靠地运行。

随着气体贮存技术的发展，飞船与空间站上气体的贮存方式有多种，如气体高压贮存，气体低温或液态贮存及化学贮存等。美国水星飞船采用高压氧气贮存，双子星座及阿波罗飞船采用气体低温贮存，阿波罗计划的登月舱采用超临界氦贮存。而前苏联的飞船和空间站则均采用化学贮存氧源。至于究竟选择哪一种贮存方法，要根据飞船类型或空间站飞行任务、时间以及技术基础等诸多因素来决定。2

气体贮存方法高压气体贮存该方法是将需要的气体在环境状态下高压贮存在气瓶里，需要用气体时，从高版气瓶引入系统。这种贮存系统简单、可靠，但是由于高压贮存，气瓶结构质量较大。随着飞行任务时间的增长，气瓶的容积和结构质量相应增大，并民高压贮存还受到气体压缩性的限制。高压气体贮存系统质量与有效的气体质量之间呈斜率较大的线性关系，如图1所示。2

低温气体贮存这种贮存方式是利用气体在其临界压力和温度状态下液化而获得相对高的密度和低于高压气体贮存的工作压力的一种低压贮存方法。低温气体贮存有两种热力学条件：即超临界贮存与亚临界贮存。在这些条件下，气体可以作为低温低压液态贮存。宇宙飞船常用的低温气体的临界性能见表1。

（1）超临界贮存

这是低温气体在大于其临界压力的压力与临界温度状态下贮存，在整个飞行任务工作期间，液化的流体处于单相热力学状态。超临界贮存系统的热力学过程如图2所示。图中的点1表示低温液体初始充填状态，这是在大气压力下饱和液体与蒸气的混合物，加注以后，热量的输入引起在恒定温度(密度以容器容积为基准)下的压力升高。从点1到点2的过程中间，液体膨胀和气枕气体冷凝，直到整个容积被液体充满。从点2到点3，热能由贮存流体吸收，因此，压力升高到临界压力以下。工作时，低温流体流出期间，由加热(箱内加热器或换热器)贮存液体来完成恒压超临界工作，路线从点3到点4。在超临界压力下工作，低温气体贮箱里保持均匀的单相流体和液态排挤。

（2）亚临界贮存

这是低温气体在小于其临界压力的压力与临界温度状态下贮存，其液化流体呈液体一蒸气两相处于饱和平衡状态。亚临界贮存系统的热力学过程如图3所示。图中的点1表示低温液休初始加注状态，它是在大气压力的饱和液体与蒸气的混合物。容器加注以后，因加热使流体压力升高到工作压力点2。工作时，流体流出，流体的平均密度减少，以等压和等温的形式穿过两相区，直到全部流体被排空，或汽化完了为止，如饱和蒸气线上点3。

低温气体贮存方法使得贮存容器的体积大为减小，结构质量大为降低，并且由于避免了较高的工作压力，从而提高飞船和空间站的安全性。但是，这种方法也有一定的缺点，如系统较复杂，对环境漏热敏感，维修要求较高。

超临界贮存与亚临界贮存相比，超临界贮存要求设计压力稍高，热漏较低，因而要求容器壁稍厚，绝热更严。因此，超临界贮存容器的质量稍大于亚临界贮存容器的质量。但是，在低垂力或失重环境状态下，亚临界贮存却带来更加复杂的两相分离问题，造成其可靠性不能很好确定，亚临界贮存系统正在研究发展中。2

低温气体贮存系统低温气体贮存的核心部件是低温气体贮箱，低温气体贮存系统一般有以下几种型式：

杜瓦瓶式贮存系统杜瓦瓶式贮箱采用双层结构，环状空间用镀铝聚脂薄膜充填绝热，并将内外壳之间的环状空间抽真空，以便消除由于其气体对流及幅射引起的热漏，使传入贮箱的环境热量减少到最低限度。内球贮箱由几个玻璃纤维衬座支承在外壳里，尽量减少传导热漏。典型的宇宙飞船杜瓦瓶式低温气体贮存系统如图4所示。目前，美国所有的宇宙飞船都采用杜瓦瓶式贮存系统。2

液体防护式贮存系统为了进一步减少辐射和传导热漏，国外研制了一种液体防护式贮存系统，即在杜瓦瓶式结构贮存主低温气体的最内层外面加一同心容器，两层之间贮存低温防护液体，使进入系统的热量在其可能到达主低温流体以前，必须通过真空环、常规绝热层和防护流体。典型的液体防护式低温贮存贮箱如图5所示。

液体防护杜瓦瓶式方案是一种有效的热障系统，对损失率要求特别低的系统是有效的。不确定的保持时间可以通过控制防护流体的温度或再充填防护流体来实现。2

单壁贮箱低温气体贮存系统单壁贮箱由一个包含两种不同用途的绝热层的压力容器构成。一种绝热层用作为发射前环境设计的地面贮存绝热，由一厚50.8毫米的聚氨脂泡沫塑料层粘贴到压力容器的外壁。另一种绝热层用作为空间环境设计的轨道绝热，由包缠在泡沫塑料绝热层外的总厚度为25.4毫米的100层镀铝聚脂薄膜组成。单壁贮箱低温气体贮存系统结构比较简单，质量轻，已由美国载人宇宙飞船中心进行试验。法国阿里安运载火箭第三级也采用了这一技术，在增压氦气瓶外贴覆一层20毫米厚的聚氯乙烯泡沫塑料绝热层，气瓶中贮存19.6兆帕压力的低温氦气(90K)，为液氧箱氦气增压。2