航天大氣儲存設備

航天大氣儲存設備（Space air storage facility）即是航天飛行器（載人飛船）上的低溫氣體貯存系統。由於航天員的代謝消耗、密閉艙的泄漏以及應急情況下恢復艙壓的需要，載人飛船必須設有氧氣、氮氣貯存系統。貯存方法有常溫高壓氣態貯存、超臨界壓力單相低溫貯存、亞臨界壓力兩相低溫貯存、固態貯存和化學貯存。

基本介紹

• 中文名：航天大氣儲存設備
• 外文名：Space air storage facility
• 定義：載人飛船上貯存氣體的系統設備
• 貯存方法：常溫高壓氣態貯存等
• 一級學科：航天科技
• 二級學科：太空飛行器

系統簡介

為保證太空人的安全並為他們提供相對舒適的工作與生活環境，在飛船上和空間站上都設定有專門的環境控制系統、電源系統等，有些飛船還設定有再啟動航行的推進劑箱增壓系統。環境控制系統為太空人的座艙、工作間提供氧氣、氮氣，以保持艙內適度的大氣環境，如調節座艙及航天服內溫度、濕度和氧氣、氮氣分壓，吸收人體新陳代謝的產物等。電源系統則為燃料電池提供氫氣、氧氣，以便與太陽能電池帆板交替保證飛船或空間站上的用電，而增壓系統為飛船轉軌航行提供氦氣對推進劑進行增壓。這些系統在飛船長期航行與空間站長期運行中都需要大量的各種氣體。因此，各種氣源系統是載人飛船和空間站必不可少的重要組成部分。飛船本身必須貯存有足夠的各種所需氣源，空間站則還需要定期的氣源補給，這樣才能保證飛船和空間站的安全和可靠地運行。

隨著氣體貯存技術的發展，飛船與空間站上氣體的貯存方式有多種，如氣體高壓貯存，氣體低溫或液態貯存及化學貯存等。美國水星飛船採用高壓氧氣貯存，雙子星座及阿波羅飛船採用氣體低溫貯存，阿波羅計畫的登月艙採用超臨界氦貯存。而前蘇聯的飛船和空間站則均採用化學貯存氧源。至於究竟選擇哪一種貯存方法，要根據飛船類型或空間站飛行任務、時間以及技術基礎等諸多因素來決定。

貯存方法

高壓氣體貯存

該方法是將需要的氣體在環境狀態下高壓貯存在氣瓶里，需要用氣體時，從高版氣瓶引入系統。這種貯存系統簡單、可靠，但是由於高壓貯存，氣瓶結構質量較大。隨著飛行任務時間的增長，氣瓶的容積和結構質量相應增大，並民高壓貯存還受到氣體壓縮性的限制。高壓氣體貯存系統質量與有效的氣體質量之間呈斜率較大的線性關係，如圖1所示。

圖1

低溫氣體貯存

這種貯存方式是利用氣體在其臨界壓力和溫度狀態下液化而獲得相對高的密度和低於高壓氣體貯存的工作壓力的一種低壓貯存方法。低溫氣體貯存有兩種熱力學條件：即超臨界貯存與亞臨界貯存。在這些條件下，氣體可以作為低溫低壓液態貯存。宇宙飛船常用的低溫氣體的臨界性能見表1。

表1

（1）超臨界貯存

這是低溫氣體在大於其臨界壓力的壓力與臨界溫度狀態下貯存，在整個飛行任務工作期間，液化的流體處於單相熱力學狀態。超臨界貯存系統的熱力學過程如圖2所示。圖中的點1表示低溫液體初始充填狀態，這是在大氣壓力下飽和液體與蒸氣的混合物，加注以後，熱量的輸入引起在恆定溫度(密度以容器容積為基準)下的壓力升高。從點1到點2的過程中間，液體膨脹和氣枕氣體冷凝，直到整個容積被液體充滿。從點2到點3，熱能由貯存流體吸收，因此，壓力升高到臨界壓力以下。工作時，低溫流體流出期間，由加熱(箱內加熱器或換熱器)貯存液體來完成恆壓超臨界工作，路線從點3到點4。在超臨界壓力下工作，低溫氣體貯箱裡保持均勻的單相流體和液態排擠。

圖2

（2）亞臨界貯存

這是低溫氣體在小於其臨界壓力的壓力與臨界溫度狀態下貯存，其液化流體呈液體一蒸氣兩相處於飽和平衡狀態。亞臨界貯存系統的熱力學過程如圖3所示。圖中的點1表示低溫液休初始加注狀態，它是在大氣壓力的飽和液體與蒸氣的混合物。容器加注以後，因加熱使流體壓力升高到工作壓力點2。工作時，流體流出，流體的平均密度減少，以等壓和等溫的形式穿過兩相區，直到全部流體被排空，或汽化完了為止，如飽和蒸氣線上點3。

圖3

低溫氣體貯存方法使得貯存容器的體積大為減小，結構質量大為降低，並且由於避免了較高的工作壓力，從而提高飛船和空間站的安全性。但是，這種方法也有一定的缺點，如系統較複雜，對環境漏熱敏感，維修要求較高。

超臨界貯存與亞臨界貯存相比，超臨界貯存要求設計壓力稍高，熱漏較低，因而要求容器壁稍厚，絕熱更嚴。因此，超臨界貯存容器的質量稍大於亞臨界貯存容器的質量。但是，在低垂力或失重環境狀態下，亞臨界貯存卻帶來更加複雜的兩相分離問題，造成其可靠性不能很好確定，亞臨界貯存系統正在研究發展中。

貯存系統

低溫氣體貯存的核心部件是低溫氣體貯箱，低溫氣體貯存系統一般有以下幾種型式：

杜瓦瓶式貯存系統

杜瓦瓶式貯箱採用雙層結構，環狀空間用鍍鋁聚脂薄膜充填絕熱，並將內外殼之間的環狀空間抽真空，以便消除由於其氣體對流及幅射引起的熱漏，使傳入貯箱的環境熱量減少到最低限度。內球貯箱由幾個玻璃纖維襯座支承在外殼裡，儘量減少傳導熱漏。典型的宇宙飛船杜瓦瓶式低溫氣體貯存系統如圖4所示。目前，美國所有的宇宙飛船都採用杜瓦瓶式貯存系統。

圖4

液體防護式貯存系統

為了進一步減少輻射和傳導熱漏，國外研製了一種液體防護式貯存系統，即在杜瓦瓶式結構貯存主低溫氣體的最內層外面加一同心容器，兩層之間貯存低溫防護液體，使進入系統的熱量在其可能到達主低溫流體以前，必須通過真空環、常規絕熱層和防護流體。典型的液體防護式低溫貯存貯箱如圖5所示。

液體防護杜瓦瓶式方案是一種有效的熱障系統，對損失率要求特別低的系統是有效的。不確定的保持時間可以通過控制防護流體的溫度或再充填防護流體來實現。

圖5

單壁貯箱低溫氣體貯存系統

單壁貯箱由一個包含兩種不同用途的絕熱層的壓力容器構成。一種絕熱層用作為發射前環境設計的地面貯存絕熱，由一厚50.8毫米的聚氨脂泡沫塑膠層貼上到壓力容器的外壁。另一種絕熱層用作為空間環境設計的軌道絕熱，由包纏在泡沫塑膠絕熱層外的總厚度為25.4毫米的100層鍍鋁聚脂薄膜組成。單壁貯箱低溫氣體貯存系統結構比較簡單，質量輕，已由美國載人宇宙飛船中心進行試驗。法國阿里安運載火箭第三級也採用了這一技術，在增壓氦氣瓶外貼覆一層20毫米厚的聚氯乙烯泡沫塑膠絕熱層，氣瓶中貯存19.6兆帕壓力的低溫氦氣(90K)，為液氧箱氦氣增壓。