nasa空间探索工程生命保证之空气净化系统

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1、NASA——空间探索工程生命保证之空气净化系统NASA马歇尔空间宇航中心研究员JimKnox和DavidHoward报道了在长距离太空飞行中飞行舱内的大气再生系统研究成果，这项成果利用COMSOLMultiphysics研究如果通过管理舱内热量和设计吸附剂结构来改善吸附过程的性能。对于所有的空间航行来说，工程师都需要尽量的减少飞船的动力、重量、体积，因为这三项性能指标对发射系统来说都会转化为质量。相比近地球轨道航行任务，如国际空间站、载人月球前哨基地，长距离空间飞行对于压力系统工程有更苛刻的要求。在这些要求中最主要的是所有的系统必须足够健全，在长时间的飞行中能

2、够满足保证全体宇航员的绝对安全，而不用进行二次补给和搭载增加额外的救援设备。生命保障系统当然也不能例外。位于亚拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔空间宇航中心生命保障系统研发小组的任务就是为长距离空间飞行研发健全、轻便的生命保证系统，包括月球探险计划和火星探测计划。合作单位还有Vanderbilt大学的M.DouglasLeVan小组和SouthCarolina大学JamesRitter小组吸附方面的研究人员。他们正在研发下一代大气再生系统，通过高效率的闭路循环系统将系统资源利用效率提升到一个新的高度。举例来说，宇航员呼出的绝大部分二氧化碳（CO2）通过化学反应生

3、成纯净水，不用再处理代谢废气和补充生活用水。在这些新的封闭循环系统中，吸附过程起到了非常关键的作用。而工程结构吸附剂（ESS）技术在减少系统复杂度和资源使用量方面表现出很大的潜在优势。这项ESS新技术包括热涂层和含有分子筛吸附剂的导电基片（金属）。金属基片可以直接有效的对吸附剂加热，同时还具有减少吸附过程中吸附热对吸附效率的影响。但是这项技术会对飞船的运行、质量和体积方面产生影响。这项技术是否值得投入引起了人们的质疑。为了弄清楚这个问题，COMSOLMultiphysics仿真在设计和过程分析中起到了关键的作用。加热和冷却的平衡ESS技术可以减少长距离太空航行

4、中生命保障系统的资源消耗，从物理学中吸附和解吸附过程可以很容易的解释。在吸附过程中产生热量，随着温度的升高会影响吸附剂的效率从而抑制吸收过程。低温会增加吸附剂的效率，但是却会影响解吸附的进行。如果吸附过程中同时存在加热和冷却作用，实际的效果会影响大气再生系统的工作量。一个可行的解决办法就是让吸附材料和解吸附材料之间热量转移过程接近等温过程。这促使研究人员比较了来自PrecisionCombustion公司的Microlith基片和Arcam公司利用电子束熔融技术（EBM）制造的基片在加上沸石类涂层后的性能。Microlith是在吸附剂上添加的金属网（图1）。当

5、利用电进行加热后，与吸附剂密切接触的Microlith金属网形成了高效的热传输网络。Arcam公司的EBM快速制作过程利用电子束熔融金属粉末然后发生合并，这对于机器加工来说是完全不可能实现的。图2中就是NASA马歇尔空间宇航中心制作的样本图。随着这些技术的成熟，下一个面临的挑战就是如何优化金属涂层吸附剂的去除率和减少总系统的体积。另一个面临的问题就是在二氧化碳和水分移走的过程消除吸附作用产生的热量中对提高多少系统性能？图1Microlith覆盖的吸附剂显微图图2NASA马歇尔空间宇航中心Arcam快速制作系统生产的基片内部结构（左）和有沸石类涂层结构（右）。高

6、温吸附床研究人员使用COMSOLMultiphysics建立吸附床模型来研究各种吸附剂在经历不同的吸附过程时的热特性。线性主动力（LDF）系数是表征吸附剂到空气之间的质量转移速率。为了获得这个系数，研究人员建立了一个充满吸附剂的热交换器模型来测试等温吸附过程。由于容器处于恒温状态，吸附热可以忽略，这样就可以在绝热的状态下研究质量转移过程。模拟开始前在干净的吸附床中冲入二氧化碳和氮气。初始阶段没有二氧化碳从吸附床上脱离，随着时间的增加，CO2开始离开吸附剂，到达经典S型曲线的拐点。通过调整LDF系数，研究人员发现仿真数据和实验数据重合。由于这些模拟证实了吸附模型

7、的正确性，所以研究人员下一步就要研究吸附剂容器的热特性，以及获得流体和吸附剂之间以及流体和容器壁之间的转移系数。下面气相的热平衡的情况。仿真从干净的吸附床开始，加入450K氮气之后，从图3可以看出温度有很大幅度的变化。随着热转移系数的调整，模拟结果和实验结果曲线重合。从而找到了描述吸附系统的可行方法。图3热转移特性的实验结果和COMSOLMultiphysics模拟结果的比较。在进行完一系列的实验测试和仿真之后，研究人员发现吸附热的消除会推迟初始拐点延迟一小时左右出现。如果能利用这个延时调整实际吸收循环，就可以提高吸附性能进而提高工作量。在一个缩比测试设备（图

8、4）中，研究人员证实在一个真空变压吸附