泄压条件下绝热多孔材料的水蒸发速率研究

泄压条件下绝热多孔材料的水蒸发速率研究
王黎静１，黄晨旭１，傅 岚２，邰全亲２
（１．北京心，北京 １０００９４）
摘 要：航天器泄压过程中水分蒸发在低于 ２ｋＰａ时对气闸舱泄压速率影响较大，并且影响泄压 时间这一出舱活动指标，而检索后未见泄压条件下多孔材料水蒸发的研究。文中设计实验研究 了航天器内壁铺设的绝热多孔材料在泄压条件下的水蒸发速率。实验参考目前气闸舱的地面 试验方法搭建泄压环境，将试验舱分为主副舱，通过将主舱抽真空，副舱向主舱泄压来模拟超临 界泄压状态。同时，为了与泄压工况进行对比，实验还进行了不同定压下的绝热多孔材料的蒸 发实验。定压工况各压力间隔设置为 １０ｋＰａ，低压状态设置为 ２ｋＰａ到 ０ｋＰａ的中点 １ｋＰａ．通过 测量放置于舱内的吸水多孔材料的质量，实验获得了不同工况下多孔材料的蒸发规律。实验结 博看网 . All Rig果ht表s明R，e在se泄rv压ed工. 况下，泄压全过程中水的蒸发速率均为定值，为 ２．１７１ｇ／（ｍｉｎ·ｍ２），与压力值 等因素无关。在定压工况下，在 １０ｋＰａ向 １ｋＰａ转变时会出现拐点，拐点两边的蒸发速率均为定 值，分别为 ０．８７０和 ２．１４１ｇ／（ｍｉｎ·ｍ２）．实验结果可为研究水蒸发对气闸舱泄压时间的影响提 供支持。 关键词：人机与环境工程；水蒸发；蒸发实验；绝热多孔材料；不同工况 中图分类号：Ｖ４１６ 文献标志码：Ａ
试验中，构建如图 １所示小型测量系统（以将 电子秤置于副舱为例）。
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图 １ 试验装置 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ
图 １中，在主舱和副舱连接的管道处放置一个 挡板，挡板上有 ２个直径 ６．５ｍｍ的孔，可通过控 制管道 中 阀 门 的 开 闭 来 控 制 挡 板 是 否 联 通 主 副 舱；主舱和副舱的压力通过 ＭＫＳ压力传感器测量， 测量精度为 ０．０１ｋＰａ，副舱的压力传感器安装在舱 顶，主舱的压力传感器安装在舱后侧；电子天平型 号为梅特勒托利多公司的 ＰＬ－２００２，置于舱内，用 于测量绝 热 材 料 重 量；绝 热 材 料 面 积 为１９４０．８１ ｃｍ２（４６．１ｃｍ×４２．１ｃｍ），绝热材料通过胶粘置于 塑料板上，试验时使绝热材料自然吸水，将绝热材 料及附着 的 塑 料 板 置 于 电 子 天 平 上；同 时 舱 内 布 置 Ｐｔ１００铂电阻，测量精度为 １℃，用于测量舱内 温度；电子 天 平 通 过 ＲＳ２３２Ｃ接 口 与 计 算 机 端 连 接，计算机 端 运 行 的 数 据 通 讯 处 理 程 序 读 取、处 理、记录、存 储 天 平 重 量 数 据；铂 电 阻 测 量 的 温 度 值通过昆仑海岸公司开发的调理电路和数据采集 测试软件 进 行 记 录 存 储，对 采 集 的 数 据 处 理 后 每 分钟记录一次。所有测量信号通过穿舱法兰于舱 外记录。
文中设计实验研究了泄压条件和定压条件下 的绝热多孔材料的水蒸发速率。实验参考目前气 闸舱的地面 试 验 方 法 搭 建 泄 压 环 境 ［１６－２１］，将 试 验 舱分为主副舱，通过将主舱抽真空，副舱向主舱泄 压来模拟 超 临 界 泄 压 状 态。 同 时，为 了 与 泄 压 工 况进行对 比，实 验 还 进 行 了 不 同 定 压 下 的 绝 热 多 孔材料的蒸发实验。定压工况各压力间隔设置为 １０ｋＰａ，低压状态设置为 ２ｋＰａ到 ０ｋＰａ的中点 １ ｋＰａ．通过 测 量 放 置 于 舱 内 的 吸 水 多 孔 材 料 的 质 量，实验获得了不同工况下多孔材料的蒸发规律， 得到 了 泄 压 条 件 下 绝 热 多 孔 材 料 的 水 蒸 发 速 率值。
以“蒸发、多 孔 材 料、泄 压、低 压 ”为 关 键 词 进 行检索，以相关性排序的前 ５０篇文献中，多孔材料 蒸发研究 １６篇 （３２％），低压下水蒸 发 研 究 ９篇 （１８％），多孔材料物理性质 １４篇（２８％），多孔材 料应用及相关研究 １１篇（２２％）。经过检索，未发 现针对多孔材料泄压条件下水蒸发率的研究。目 前针对多孔材料水蒸发的研究多见于建筑领域中 多孔饰砖的蒸发以及土壤在气候条件下的蒸发规 律［８－１２］。张玉和孟庆林（２００７）在针对多孔材料气 候蒸发实验模型的研究中将吸水后的多孔材料置 于可以模拟空气温度、太阳辐射、相对湿度和风速 等室外因 素 的 风 洞 中，使 用 风 洞 模 拟 室 外 一 天 内 各参数的变化并通过测量多孔材料的质量变化来 确定多孔材料气候条件下的蒸发规律［１０］。从实验 结果中可 以 看 出，辐 射 照 度 对 多 孔 饰 砖 的 蒸 发 量 影响较大，在 无 辐 射 的 时 间 段，当 相 对 湿 度、温 度 和风速分别在 ２０％，８℃和 ０．５ｍ／ｓ的范围内变化 时，对多孔饰砖的每小时蒸发量影响不大，多孔饰 砖的每小时蒸发量维持在 １ｇ左右。
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０ 引 言
载人航天器气闸舱是航天员进行出舱活动的 门户 ［１－５］，泄压是 平 衡 气 闸 舱 内 外 的 压 力，保 证 航 天员及舱内设备的安全的重要手段之一［６］。在载 人航天器 气 闸 舱 中，由 于 舱 内 绝 热 多 孔 材 料 吸 湿 的原因，泄 压 时 多 孔 材 料 内 水 分 蒸 发 对 舱 内 压 力 博看网 . All的R影ig响ht在s低R于ese２rｋvＰeａd.的低压阶段不可忽略［７］，会导 致泄压时间这一出舱程序中的重要参数延长。而 水蒸发率数值的大小将决定其对气闸舱泄压时间 的影响程度，水蒸发率越大，对气闸舱泄压时间影 响越大。
１ 多孔材料蒸发试验
１．１ 试验装置 实验采用目前泄压地面试验常用的试验方法
１６４
西 安 科 技 大 学 学 报 ２０１８年
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进行实验，试验舱由主舱和副舱组成，主舱内压力 可在 １０１～０．６６７ｋＰａ范围内调节，增减压速率均 可调，极 限 压 力 为 ０．０６７ｋＰａ，压 力 控 制 精 度 为 ０３４ｋＰａ，压力测量精度为 ０．０１ｋＰａ．
在 泄 压 条 件 下，气 闸 舱 处 于 一 个 超 临 界 泄 压 状态，舱内 压 力 按 照 指 数 型 规 律 进 行 变 化 ［１４］。 泄 压孔径相 对 于 整 个 气 闸 舱 极 小，因 此 舱 内 风 速 可 以视 为 ０．泄 压 过 程 中 温 度 和 相 对 湿 度 变 化 不 大［１５］。根据张玉和孟庆林 （２００７）在无辐射 阶 段 对湿度、温 度 和 风 速 的 小 幅 变 化 对 多 孔 饰 砖 的 每 小时蒸发 量 影 响 不 大 的 研 究 结 果，气 闸 舱 泄 压 过 程中多孔 材 料 水 的 蒸 发 速 率 受 到 湿 度、温 度 和 风 速的影响很小［１０］。鉴于气闸舱内铺设的多孔材料 为绝热多孔材料，根据 Ｋａｚｅｍｉ（２０１７）低热导率的 蒸发器皿 限 制 蒸 发 速 率 的 研 究 结 果，绝 热 多 孔 材 料将极大 的 限 制 水 的 蒸 发 速 率，因 此 在 低 压 阶 段 绝热多孔材料水的蒸发速率受到压力变化的影响 很小。可以 推 出 在 泄 压 条 件 下，绝 热 多 孔 材 料 在 低压下的水蒸发率应为一个定值。
第 ３８卷 第 １期 ２０１８年 ０１月
西安科技大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ＤＯＩ：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０１８．０１２３ 文章编号：１６７２－９３１５（２０１８）０１－０１６２－０６
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ１ Ｊａｎ２０１８
在低压 蒸 发 相 关 研 究 中，Ｋａｚｅｍｉ（２０１７）针 对 低压下（１ｋＰａ下）的水蒸发速率进行了研究，研究 得出不同材料作为器皿时水的蒸发率随着压力变 化的蒸发曲线［１３］。实验结果表明在低压下（１ｋＰａ 下）水的蒸发率会随着压力的降低而升高，热导率
低的蒸发器皿的水蒸发曲线相比热导率高的水蒸 发曲线更加平缓。Ｋａｚｅｍｉ（２０１７）指出这是由于蒸 发器皿低热导率的蒸发器皿无法跟上水蒸发所需 的能源需求，会限制蒸发率，从而减弱压力降低对 水蒸发率的影响［１３］。
收稿日期：２０１７－０７－２０ 责任编辑：高 佳 通信作者：王黎静（１９６５－），女，山东淄博人，博士，副教授，Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｉｊｉｎｇ５０５＠１２６．ｃｏｍ
第 １ 期
王黎静等：泄压条件下绝热多孔材料的水蒸发速率研究
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ｕｅｆｏｒ２．１７１ｇ／（ｍｉｎｍ２），ｗｈｉｃｈｉｓｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖａｌｕｅａｎｄｏｔｈｅｒｆａｃｔｏｒｓ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎ ｄｉｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｗｉｌｌａｐｐｅａｒｂｅｔｗｅｅｎ１０ｋＰａａｎｄ１ｋＰａ，ａｎｄｔｈｅｅｖａｐｏｒａ ｔｉｏｎｒａｔｅｏｎｂｏｔｈｓｉｄｅｓｏｆｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｉｓｆｉｘｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ０．８７０ａｎｄ２．１４１ｇ／（ｍｉｎｍ２）．Ｔｈｅｅｘ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗａｔｅｒｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｔｉｍｅｏｆ ａｉｒｌｏｃｋ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｕｍａｎａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｗａｔｅｒｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ；ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｈｅａｔｉｎ ｓｕｌａｔｉｎｇｐｏｒｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
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ＷＡＮＧＬｉｊｉｎｇ１，ＨＵＡＮＧＣｈｅｎｘｕ１，ＦＵＬａｎ２，ＴＡＩＱｕａｎｑｉｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｈｉｎａＡｓｔｒｏｎａｕｔｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）