0 引 言
月球作为地球的唯一天然卫星，可长期、稳定、大尺度且实时监测地球，同时它也是对外太空观测站和深空探测技术的演练场。月球是中国航天迈向深空的基石，对人类探索宇宙具有重要的科学价值，是人类开展太空探索的重要目标之一。现有研究表明，月球极区永久阴影区内的温度基本维持在极低水平，以“冷阱”形式捕获和保存挥发水分，因此存在大量的水冰资源[1]。月球上的水冰资源是重要的空间战略资源，寻找水资源并在航天器内构建环控生保系统（Environment Control and Life Support System，ECLSS）是未来解决外太空探索中生命保障问题的根本途径，也是实现载人空间站长期在轨运行以及地外定居的关键技术之一。
在极区环境条件下，月球作业设备的能源动力有限，而含冰月壤的机械强度极高[2]。月壤颗粒的热导率极低，其多孔结构也增加气体流动的阻力，且在真空环境下高效收集挥发气体的难度极大，这些因素使得月球水资源的采集非常困难。哈尔滨工业大学正在研制的月壤水冰原位热提取装置，如图1 所示。该装置基于月球永久阴影区内表面霜层及剖面富集冰层的高效开采需求，由钻入单元、加热单元和冷凝器等部分组成。钻入单元利用钻针钻入月壤水冰，钻入后加热单元开始加热钻针。在月球低温真空的环境下，水冰挥发为水蒸气，挥发的水蒸气进入到冷凝器，并附着在水汽收集单元内部，从而完成气固相变收集。该装置的研制，不仅可以为我国未来月球极区水资源原位利用任务提供一种可行方案，也可以实现月球水冰资源的有效提取与转化利用，为我国后续探月工程提供技术支撑。
1 水汽冷凝影响因素分析
在月面极端环境（真空、低重力、极端温度）下，冷凝器的设计需借助理论模型来明确关键参数的影响机制。本文基于热力学、传热传质学及相变动力学理论，构建了水汽相变动力学模型和冷凝霜层生长模型，系统分析了水汽冷凝效率与温度梯度、介质特性等参数的定量关系，为冷凝器优化提供了理论依据。
1.1 水汽相变动力学模型
冷凝过程本质是水蒸气通过相变释放潜热，温度梯度是驱动冷凝的核心动力。根据牛顿冷却定律[6]，冷凝速率与温度梯度成正比：
式中，Q表示冷凝热流量，单位为W；Tc表示冷凝面温度，单位为K；Tv表示水蒸气温度，单位为K；h表示传热系数，单位为W/m2·K，与冷凝面材料、表面特性相关；A表示冷凝面积，单位为m2。
为实现水蒸气冷凝，冷凝温度应低于此饱和蒸汽压对应的温度。饱和蒸汽压与温度的关系可由克劳修斯-克拉佩龙方程[7]确定：
式中，Psat表示饱和蒸汽压，单位为Pa；Lv表示汽化潜热，单位为kJ/kg；R表示理想气体常数，单位为J/（mol·K）。
1.2 冷凝霜层生长模型
1.2.1 热量传递过程
在冷凝过程中，传热主要包括多孔介质的导热和相变潜热2种机制。综合考虑2种机制对传热过程的影响，根据能量守恒定律及傅里叶定律，建立传热模型[10]如下：
式中，$ {\rho _e} $ 表示多孔介质等效密度，单位为kg/m3；Ce表示多孔介质等效比热容，单位为kJ/（kg·℃）；keff表示有效导热率，单位为W/（m·K）。
由于涉及多孔介质，其热导率需进行修正：
式中，$ \varepsilon $ 为孔隙率，$ {\mathrm{\lambda }}_{{g}} $ kg和$ {\mathrm{\lambda }}_{{s}} $ ks分别为气相与固相热导率。
由于相变过程的存在，相变界面会释放大量热量但温度保持不变，该部分作为热源项可由式（5）得到：
式中，$ \dot m $ 表示单位体积冷凝质量流率，单位为kg/（m3·s），由式（6）确定；Lv表示汽化潜热，单位为kJ/kg。
水汽凝结速率可由Hertz-Knudsen方程确定：
式中，M表示水分子的摩尔质量，单位为g/mol；R表示理想气体常数，单位为J/（mol·K）；$ \mathrm{\alpha } $ 表示适应系数，无量纲，$ 0\leqslant \mathrm{\alpha }\leqslant 1 $ ，反映气体分子在界面处交换能量的程度。
1.2.2 质量传递过程
式中，C为水汽浓度；u为达西流速，与压力梯度有关；Deff为有效扩散系数，修正多孔介质对扩散的阻碍：
式（8）中τ为曲折因子（τ>1，表示孔隙路径的弯曲程度）。综合以上模型的建立，结合热量传递过程与质量传递过程，建立冷凝霜层生长模型如下：
根据水汽相变动力学模型及冷凝霜层生长模型，由式（1）可知，冷凝速率与温差成正比，温差越大，热流量越高。因此，应尽可能降低冷凝面的温度，为冷凝过程提供更大的驱动力。此外，由式（6）可得，α适应系数越大，水蒸气的冷凝质量流率越高。因此，冷凝器应采用亲水性材料或结合表面改性提高适应系数。同时，冷凝器的高比表面积能提供更多的冷凝位点，促进霜层的生成，从而提高冷凝效率。
2 水汽冷凝收集效能验证
2.1 冷凝效能仿真分析
水汽冷凝器的设计思路是在水蒸气以一定流速进入冷凝器时，尽可能地通过冷凝器内部结构降低水蒸气流速，延长水蒸气在冷凝装置内部的时间，并且通过结构设计增加水蒸气与装置内表面的碰撞次数。因此，冷凝器采用铝珠作为收集结构，利用铝珠的堆积效应扰动水蒸气气流，降低水蒸气流速，从而提升水汽的收集效率。针对这一特性，对不同粒径大小的铝珠进行水汽流动仿真，仿真模型如图2 所示。仿真结果表明，选用8 mm和10 mm直径的铝珠作为冷凝收集结构时，水汽在流经不同粒径铝珠的流动速度存在差异。流速越低，水蒸气与冷凝器壁面的换热时间越长，相应的收集效率越高。
仿真模型的上表面设置为水汽入口，下表面为出口。除了模型中铝珠直径大小不同外，其余参数相同。入口处的压强设置为202 Pa，出口与水蒸气流通域均为200 Pa，入口处水蒸气浓度初步设置为0.0645 mol/m3。利用压差的存在驱动水蒸气在装置内部流通。水蒸气在冷凝器内部的速度场切面如图3 （a）和图4 （a）所示，在0.2 s时的装置内部浓度变化如图3 （b）和图4 （b）所示。
由理论可知，在其他条件不变的情况下，水汽流动速度越低，水蒸气在装置内停留时间就越长，冷凝收集效率越高。通过对比水汽流动仿真结果可以发现，当使用直径8 mm铝珠作为收集结构时，冷凝器内水汽流动速度低于使用直径10 mm铝珠时的速度。因此，对仿真结果分析表明，采用小粒径铝珠作为内部结构时，水汽收集效率更高。
2.2 效能验证平台的搭建
为了有效单独验证水汽收集装置的收集效率，设计并构建了月面水汽收集装置效能验证平台。该平台各项参数尽量接近月面真实工作环境。作为地面验证平台，它可以在常规环境下对不同收集结构进行独立测试。与采用模拟月壤进行全流程月壤水冰资源原位热提取试验相比，单独验证水汽收集装置的收集效能更加高效。
水汽收集装置效能验证平台的方案示意如图5 所示。该平台主要由热挥发单元、管路输送单元、状态监测单元与水汽收集单元4个部分组成。
热挥发单元由加热组件与缠绕在管路上的玻璃纤维加热带组成，加热带可以实现自由调控温度；管路输送单元由各段真空管路与真空阀门组成，用于输送来自热挥发单元产生的水汽；状态监测单元由真空规与测温单元组成，其中真空规用于监测整个试验平台内部的气压变化，测温单元用来监测装置上各个关键位置的温度变化；冷凝收集单元由冷凝容器与冷凝器组成，冷凝容器中注入液氮，将水汽收集装置放入容器内，起到低温收集作用。效能验证平台的实物如图6 所示。
2.3 水汽收集效能验证试验
为了验证水汽冷凝收集的效能，本文采用铝珠作为收集结构。在相同容积的条件下，铝珠的直径越小，其间的缝隙就越小，排布方式越密集，从而使冷凝器的比表面积增大。因此，收集结构的铝珠粒径应该越小越好。本文使用8 mm、9 mm和10 mm粒径的铝珠作为收集结构进行对比验证实验。所有试验采用相同的试验规程。
功能验证试验的样本采用10 ml去离子水。试验开始时，开启真空泵对装置内部进行抽真空。一段时间后，样本容器中水会自然凝结成冰。随后，依次启动加热带和加热台对样品进行加热，使其产生水蒸气。根据图7 所示的水的三相图，水的三相点为0.01 ℃、610.5 Pa。由于水汽收集装置浸泡在液氮中，因此需要保证装置内部的压强低于610.5 Pa，才可以保证气体在收集装置内壁发生气固相变。由于水的状态会随着压强和温度的变化而改变，为了最大限度减少样品在抽真空过程的损失，对试验规程进行了优化。优化后的试验流程如图8 所示。
铝珠粒径越小，其堆积越密集，收集结构的比表面积也越大。因此，通过对比试验结果，可以得出比表面积与水汽收集率之间的关系。装置内部压强随时间变化曲线如图9 所示。
由于试验过程中抽真空对于容器中水的状态有影响，同时为了验证试验结果的准确性，以五水硫酸铜（CuSO4）为样本。利用CuSO4状态不随压强变化，加热后可产生水蒸气这一特性进行试验，压强变化曲线如图9 所示。选择8 mm、9 mm与10 mm粒径铝珠的水汽收集试验，共同验证比表面积与收集效能的关系。
铝珠作为收集结构时的无堵塞试验现象如图10 所示。去除顶层未达冷凝温度且无冷凝现象的铝珠后，剩余的凝结铝珠呈凹坑形状。液氮首先与冷凝器内壁面接触并发生冷凝，未发生气固相变的水蒸气进一步扩散，当达到冷凝温度后，便附着在铝珠表面并转变为冰。
结合样本为水与CuSO4的对比验证试验共同进行分析，得到水汽收集率与铝珠粒径的关系，如图11 所示，铝珠粒径越小，水汽收集效率越高。
2.4 铝珠收集结构未来优化方向
由水汽收集效能验证试验可知，水汽冷凝收集的凝结区域不是呈水平状态，而是以凹坑形式存在。因此，在效能验证试验后，对铝珠的排布方式进行了调整，采取“上疏下密”的新方案。排布方案如图12 所示。
采用上述排布方式进行试验，试验结束后，对水汽收集装置的内部状态进行处理，装置内部状态如图13 所示。图13 （a）为全部铝珠状态，图13 （b）为去除顶层松散铝珠后状态，图13 （c）为剩余铝珠状态。观察后发现，水蒸气的气固相变主要发生在直径为8 mm的铝珠区域。装置底部为松散铝珠，中部出现堵塞现象，水汽在下半部未发生大量相变，堵塞区域位于直径8 mm铝珠与直径6 mm铝珠的交界处。
由上述试验可知，以铝珠作为冷凝收集结构时，铝珠直径越小，冷凝收集效率越高。然而，铝珠直径过小会造成堵塞现象。因此，在未来的研究中，将进一步优化铝珠的排布方式，以提升水汽冷凝收集效能，同时对由于粒径过小造成的堵塞问题的边界条件进行探究。
3 结 语
本文通过分析水汽冷凝的影响因素及其效能，验证了以铝珠作为收集结构的月球极区水冰原位热提取中水汽冷凝收集装置的可行性，具体有以下4点：
（1）理论分析表明，霜层的生长过程是传热与传质相互耦合的过程，其生长受到环境（如压力、温度）的显著影响。同时，冷凝器的高比表面积能提供更多的冷凝位点，从而促进霜层的生成，并提高冷凝效率。
（2）水汽冷凝器的设计思路是在水蒸气以一定流速进入冷凝器时，通过优化冷凝器内部结构来降低水蒸气流速，延长水蒸气在装置内部停留的时间，并通过结构设计增加水蒸气与装置内表面的碰撞次数。通过仿真分析可以得出，当铝珠作为收集结构时，铝珠粒径越小，水汽流动速度越慢，换热时间越长，冷凝收集效率也越高。
（3）实验验证表明，在采用铝珠作为收集结构进行效能验证试验时，铝珠粒径越小，装置内比表面积越大，水蒸气分子与装置内表面碰撞次数越多。然而，粒径过小会造成通路过于狭窄，容易造成水汽收集装置内部堵塞。
（4）研究证实，优化收集装置的比表面积与孔隙分布之间的平衡是提升水汽冷凝收集效能的关键。因此，未来研究将从收集结构形状、通路大小及内表面微结构等方面入手，采用理论分析、仿真与试验相结合的方式，对水汽收集结构进行优化，为月球水冰资源原位热提取装置的设计提供更完善的优化思路。