中图分类号：R852.82文献标识码：A文章编号：1002-0837(2000)05-0355-05

Theoretical Analysis and Simulation Study of Dewing in Spacecraft

REN Jian-xun,JI Chao-yue,XU Xiang-hua,CHEN Ze-jing,LIANG Xin-gang,GUO Zeng-yuan

(Space Medicine & Medical Engineering)

Abstracts: Objective To study the method of preventing dewing on the cabin wall of a spacecraft.Method Theoretical analysis and experimental study of the factors and process of dewing on the cabin wall in a spacecraft were carried out according to principles of thermodynamics and heat transfer.Several factors relating to dewing were discussed and evaluated.Result Thermal insulation could be used to prevent dewing on the wall.Ventilation might be beneficial for suppressing the dewing.Effects of these methods were limited if they were used singly.Decrease of the emmisivity of the outer surface of the wall was favorable for preventing dewing on the inner surface of the cabin wall.Conclusion Dewing on the wall could be prevented effectively by thermal insulation together with local ventilation.

Key words:manned spacecraft;dew condensing;ventilation;emmisivity;thermodynamics;heat transfer theory

载人空间飞行器工作舱是一个对太空完全密闭的空间。航天员在其中生活和工作时，会不可避免的散发出水蒸汽到舱内大气环境中。当水蒸汽达到一定浓度时，会在舱内的某些表面凝结成液态水，即发生结露。结露给空间飞行器的运行带来极大的危害，会在微重力环境中造成空间飞行器的电器设备短路，工作失灵，危及空间飞行器的安全运行。而且，结露处易滋生细菌，航天员在这样的舱内环境下生活，其身体健康会受到影响。水分的凝结还会造成回收水困难，而空间飞行器上的水资源十分宝贵，必须重复利用。因此，防止结露是载人空间飞行器热控制和环控生保系统的设计目标之一。

隔热，即在工作舱的壁面上敷设绝热材料，是防止结露的基本措施，在空间飞行器的热设计中占有十分重要的地位^［1］。它可以减少壁面热流，提高表面温度，降低结露速度。不过，空间飞行器内有些较易结露的部位，是不能采用覆盖隔热材料的方法来防止结露的，如观察窗舷窗、光学及其它一些探测仪器窗表面。对于这些部位除了采用双层玻璃、中间真空结构等防止结露的措施外，还可以采用局部通风的方法来防止结露，以满足这些特殊部位的使用要求。Boeing公司在进行Freedom空间站工作舱内温控系统（TCS）冷水管表面的热设计时，采用过局部通风防结露的方案^［2］。但已有的文献没有给出隔热和通风措施的详细研究结果^［1，2］。本文将从热力学和传热学的角度对空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程进行理论分析和实验研究。

结露条件及过程的理论分析

由热力学原理，当一定温度的湿空气中水蒸汽的分压力P_v达到该温度下水蒸汽的饱和蒸汽分压力P_vb时，水蒸汽就会放出热量凝结成水。结露条件可以表示成：

P_v≥P_vb(1)

结露过程为一阶相变过程，空气中水蒸汽的饱和分压力仅与饱和温度有关系，一定饱和温度下饱和水蒸汽分压力P_vb为固定值，所以在一定的空气饱和温度下，结露是否发生则取决于湿空气中水蒸汽的分压力P_v，湿空气中的水蒸汽含量越高，即P_v越高，则条件(1)越容易满足，越容易结露。同样，当空气中的水蒸汽含量不变，即水蒸汽的分压力不变时，湿空气的温度逐渐降低达到该压力水蒸汽的饱和温度时，也会产生结露。该饱和温度为该压力下空气的露点T_l。特别是当湿空气与某一冷固体表面接触时，若表面温度为T_w，则壁面结露的条件可以写为：

T_w≤T_l(2)

由上式可知，影响T_w和T_l的因素均会影响结露的产生。因此，对结露的研究也必须着眼于对影响T_w、T_l因素的研究。

对于空间飞行器舱内的空气来讲，为了维持航天员工作生活所适宜的湿度条件，其平均含湿量d是一定的，其露点T_l也是一定的，所以壁温T_w就成为影响舱内壁面结露的主要因素。由于太空中的背景温度非常低，工作舱的内壁面温度有可能较低。同时，在空间飞行器内热控系统有不少冷媒管道，其表面温度也可能很低，结露有可能发生在这些低温表面上。这里将通过分析空间飞行器舱内壁的传热、温度分布来分析壁面的结露过程。

空间飞行器舱内壁的结露过程是一个复杂的传热传质过程。为了分析问题方便起见，将这一过程简化为一维的传热传质过程。图1所示为空间飞行器工作舱壁的局部剖面示意图。1为贴在舱内壁的隔热层，2为金属舱壁，3为贴在舱外壁的隔热层。当内壁温度低于空气露点时，舱内的湿空气以对流换热方式将显热量传递到1的内表面，同时以对流传质方式将水分传送到壁面，在壁面上结露，结露也伴随着水蒸汽的潜热释放给舱内壁面。这些热量通过导热穿过舱壁至舱外壁面，最后以辐射方式散发至太空。根据上述分析，可以分别写出上述过程的传热方程。

1.舱壁的导热方程为：

图1空间飞行器工作舱壁的局部剖面示意图

Fig.1Local section of spacecraft cabin wall

(3)

式中，R_c为舱壁的总导热热阻，T_w为1的内表面温度，T_c为3的外表面温度。

2.舱内湿空气与舱内壁之间的热交换方程为：

q=α(T_∞-T_w)+α_D(d_∞-d_w)γ(4)

上式中右边第一项为显热交换量，第二项为潜热交换量。T_∞为舱内空气的温度，γ为水蒸汽的冷凝潜热。α、α_D为对流换热系数和对流传质系数，其无量纲形式分别为Nu数和Sh数(Nu=αL/λ，Sh=α_DL/D，L为特征尺度，取内隔热层表面的单位长度，λ为空气的导热系数，D为湿空气的质量扩散系数)。根据传热传质比拟的刘易斯准则：

(5)

若Le已知，则根据α可以方便地得到对流传质系数α_D。式(4)中的d_∞、d_w分别为舱内湿空气与壁面饱和湿空气的含湿量，可由下式计算^［3］：

(6)

(7)

其中，μ_v、μ_a为水和空气的摩尔质量，p_b为大气压力，p_v∞、p_vw为舱内湿空气和壁面饱和湿空气中水蒸汽分压。p_v∞由Dolton分压定律和状态方程计算而得。p_vw与饱和温度的关系可以用Clausius-Clapeyron方程来描述：

(8)

式中，l为相变潜热，ν^(l)、ν^(ν)为水和水蒸汽的比容。根据它们与温度、压力的关系，可以得到：

(9)

式中的常数一般由实验确定^［4］。

3.舱外壁与太空之间的辐射换热方程为^［5］：

q=εσ［T⁴_c-C］(10)

式中，ε为黑度，σ为玻尔兹曼常数，C为与太空等效热沉温度有关的常数。

4.舱内壁的结露速度可以表示为：

(11)

由以上各式可知，结露过程与湿空气的状态、对流传热传质过程、舱壁的导热过程、舱外壁的辐射均有关系。通过求解方程(3)～(11)，可以得到有关因素的影响规律。这些方程为