空间气液分离技术及其应用

　　从地面环境与空间环境的比较，引入空间微重力环境气液分离技术的难点及气液分离的途径。对国内外现已研制的气液分离器进行了分类，并对不同种类的气液分离技术的原理、组成结构及性能作了分析介绍。最后结合实例说明空间气液分离技术的应用及重要性。

1、引言

　　地面环境与空间环境之间最大的差异之一是重力场的强弱，地面环境中重力场强度为g軆，而在空间环境中重力场很小，几乎为零，称为微重力环境。

　　在地面环境重力场的作用下，为了使重力势能(能量)最小，密度(质量)小的在上、大的在下将处于稳态。在地面环境的气液混合体中，密度小的气体会自发上升，而密度大的液体会自发下降，并形成明确的界面，自然实现气液分离。因此地面应用的气液分离技术都利用了这个自然现象，即气体出口在上，液体出口在下，并且气液分离装置较简单。

　　空间环境没有重力场这样的优越条件，要实现气液分离必须利用其他途经创造条件。空间气液分离技术主要利用亲水/憎水材料、电机旋转或涡旋管路产生的离心力场等来实现气液分离。空间气液分离技术主要可分为两大类。1)静态分离技术：气液分离设备中不存在运动部件，利用管路的几何形状、材料的亲水/憎水特性等，实现气液分离。2)动态分离技术：气液分离设备中存在运动部件，利用运动产生对流体的力场作用，如离心力等，而实现气液分离。

　　静态气液分离技术又可分为以下3 种：基于毛细作用的气液分离技术，主要利用亲水/憎水材料的特性和表面张力产生的毛细管效应；旋流气液分离技术，主要利用气液混合流在设计好的涡旋管路中流动产生的离心作用；惯性气液分离技术，主要利用气体与液体的惯性差异很大，液体不易改变运动方向而被亲水膜收集。动态气液分离技术主要是离心气液分离技术，利用电机带动流体旋转产生的离心力场实现气液的分离。作者将具体介绍各种空间气液分离技术及其在空间研究与探索中的应用。

2、空间气液分离技术原理

2.1、毛细作用的气液分离技术原理

　　液体水会在亲水材料表面展铺，如果用亲水材料做成多孔结构(孔与孔之间有间隙相连)，此多孔结构就像由很多的毛细管组成一样，将成为液体水的专用通道。同理，憎水材料做成的多孔结构将成为气体的专用通道。这样利用材料的亲水/憎水特性实现气液分离。图1 是这种气液分离技术的示意图。

4、空间气液分离技术应用及展望

　　空间气液分离技术主要用于空间站物化再生环控与生保系统，以及未来的深空探测活动。现介绍美国NASA 国际空间站设计的水再生系统。舱内大气经过压缩热交换器水蒸气凝结成液滴，再经过惯性气液分离器，干燥大气经过二氧化碳移除设备和除去微量污染物的热催化滴，再经过惯性气液分离器，干燥大气经过二氧化碳移除设备和除去微量污染物的热催化设备送入舱内，液体进入污水存储箱。尿液经过气相压缩蒸馏设备(VCD)，得到的馏分水进入污水存储箱，VCD 设备中为了实现气体与液体的分离，采用了离心气液分离技术。这样冷凝水、利用VCD 技术得到的馏分水与卫生污水混合在一起经过污水处理组件后，就得到足以饮用的洁净水。污水处理过程要经过除去自由气体，过滤掉固体微粒(毛发等)，再经过离子交换过滤床进一步净化，最后经过高温催化消除有机污染物及微生物等步骤，其中不可缺少气液分离器。

未来航天科技的发展趋势是载人航天及深空探测。航天器中人类活动区域的环境要求将更严厉，温度、湿度等的控制，人类赖以生存的氧气、水的获得等，都需要气液分离装置，特别是水循环再生系统气液分离装置是必不可少的。空间气液分离器是物化再生环控生保系统的关键组成部分，空间气液分离技术的研究无疑将对我国未来航天事业更好的发展奠定基础。