优化二氧化碳清除系统设计，让太空生活更舒适
美国国家航空航天局（NASA）将热仿真和实验测试相结合，对国际空间站内空气呼吸系统的压缩机设计方案进行探索和优化。
作者 Fanny Griesmer
2024 年 8 月
国际空间站（ISS）之所以适宜居住，在很大程度上要归功于从空气中捕集和清除二氧化碳（CO2）的系统，压缩机是其中的主力设备，用于系统内部捕集 CO2，但其运行会产生一定的代价：噪声大且需要频繁维护。NASA 的工程师借助仿真模拟并结合实验测试，对新一代的压缩机设计进行了分析和优化，以使其能以更小的噪声、更少的维护需求和更低的制造成本完成工作。
污染物去除技术让航天员在国际空间站自在呼吸
在国际空间站生活和工作的航天员，对负责研发清除舱内 CO2 污染物技术的工程师给予了极大的信任（图1）。NASA 艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）的航空航天系统工程师 Hannah Alpert 博士介绍：“当前使用的是一种被称为二氧化碳清除装置（Carbon Dioxide Removal Assembly, CDRA）的系统。”
“CDRA 吸收二氧化碳并将其从舱内清除。随后，这些二氧化碳被送入 Sabatier 反应器，与制氧系统产生的氢气结合生成水供航天员饮用。” Alpert 博士继续介绍。该系统还能产生甲烷，这些甲烷将被排入太空 （图 2）。“我们采用这种闭环系统来维持航天员的生命，但为了使二氧化碳能在 Sabatier 反应器中工作，其压力必须高于被吸收时的压力，所以我们在 CDRA 和 Sabatier 反应器之间设置了一个压缩机。” Alpert 博士补充说。目前，CDRA 正在被升级为一个新型四床分子蒸汽系统：四床 CO2 清除器（简称 4BCO2）。
Alpert 博士解释说，他们正在对新系统进行各种改进，旨在提高 CDRA 的可靠性和性能。首先，用于捕集 CO2 的吸附剂已经陈旧过时，需要更换。此外，他们还重新设计了一些组件。“我们的团队将矩形床改为圆柱形床，重新设计了加热器芯，以更好地分配吸附剂并消除空隙。目前正在增加过滤器以捕集灰尘，并安装新阀门以延长运行寿命。”Alpert 博士概括道。也就是说，该团队正在研究的 4BCO2 与压缩机集成方式的基本功能与现有系统基本相同。
重新设计压缩机
当前系统采用的机械压缩机不仅质量重、功率高、噪声大，而且大量机械旋转部件需要频繁维护。总之，制造和运行成本都很高。“因此，我们正在研究一些替代技术，其中风冷式变温吸附压缩机（AC-TSAC）是首选方案之一。”Alpert博士提出。
新型压缩机有望为国际空间站带来诸多益处。Alpert 博士解释说：“AC-TSAC 质量更轻、功率更低且噪声要小得多，不会对国际空间站上的宇航员造成困扰；它也没有旋转部件，因此可以减少更换部件的频率；它的制造成本较低，制造过程也更简单。”
AC-TSAC 是一个装满了能够捕集 CO2 的矿物质（沸石颗粒）床，在室温下的吸附效率更高。整个 150 分钟的 CO2 加压周期如下：首先，将 AC-TSAC 冷却到室温并吸收 CO2 。然后加热床以释放 CO2 ，增加罐中的压力。接着，将加压后的 CO2 输送到 Sabatier 反应器，转化为水。冷却时间约为 60 分钟，加热时间为 25 分钟，然后保持在加热阶段约 75 分钟。为确保 CO2 能够持续供应给 Sabatier 反应器，AC-TSAC 被分为两个床，其中一个床处于加热和吸附阶段，另一个床处于冷却和生产阶段，然后它们会进行互相切换（图 3）。
该团队已经开发了一个 AC-TSAC 系统的设计方案，现在正在通过热仿真进一步优化其设计。
热仿真为新一代设计决策提供依据
与以往其他项目一样，Alpert 博士再次选择 COMSOL Multiphysics® 仿真软件来开发 AC-TSAC 的设计模型。“近年来， COMSOL® 在我们的工作中发挥了极其重要的作用。我加入 NASA 后参与的第一个项目就是为火星 2020 热防护罩的热流计进行建模仿真。最近，我一直在使用优化模块，并利用嵌入式热电偶温度重建热防护罩的表面热通量。”Alpert 博士说道。
在压缩机项目中，她同时建立了三维和二维模型，并在确认二者产生的结果相同且均能达到预期后，选择了二维模型，因为后者的运行时间更短。如模型所示（图 4），AC-TSAC 内部结构中间有三层搁架，中间的空隙填满了沸石颗粒。每层搁架之间都安装了电阻加热板，用于加热床体。在冷却阶段，空气经冷却通道流通。
通过实验测试验证仿真模型
为了验证模型，团队使用了对 AC-TSAC 进行的两次测试中的温度和功率读数。正如 Alpert 博士所描述的，“第一次测试是 2022 年 10 月在 NASA 马歇尔太空飞行中心（NASA Marshall）进行的双床功能测试（two-bed test）。第二次是在 NASA 艾姆斯研究中心进行的更有针对性的测试，这次测试只使用了一张床，以更准确地测试各自的属性。”
在 NASA 马歇尔太空飞行中心测试期间，他们在加热器表面的特定位置放置了电阻温度探测器以测量温度。然后，将测量的温度作为模型的边界条件之一，并运行模型来检查模型温度是否与实验数据一致。最终结果非常吻合，这让 Alpert 博士和她的团队对模型有了初步的信心（图 5）。同样，对于床的输入功率，团队也验证了实验数据与模型结果一致，在这次测试中，他们主要考察了加压循环的加热阶段。
接着，为了验证所施加功率的可靠性，团队在 NASA 艾姆斯研究中心进行了重点测试。这次的测试仅使用了单床，并收集了加热器表面和吸附剂节点的实验数据。在这个测试中，他们将测量的功率作为模型的输入，然后测量模型中加热器节点和吸附剂节点的温度。当他们将模型结果与测试结果进行对比时，发现数据非常吻合（图 6）。
借助经过验证的模型，Alpert 博士和她的团队可以分析不同的设计变更对压缩机的加热和加热效率的影响。
不同设计方案的研究
在探索最优的设计方案的过程中，团队对 4 个具体的设计方案进行了研究：内部加热器与外部加热器，铝床与蒸汽腔，矩形床与圆柱形床，以及隔层总数。设计的总体目标是快速达到高温，并在升温过程中保持整个床温度均匀。
内部加热器 vs. 外部加热器
“我们研究的第一个设计方案是从内部加热器切换到其他方式。目前，床中间有内部加热器，有很多混乱的电线与加热器凌乱地捆在一起，它们是潜在的故障点。”Alpert 博士指出。这促使研究团队开始思考，是否有可能将这些加热器移到床外，以及这样做是否还能快速、均匀地加热吸附剂。借助 Alpert 博士的模型，他们分别对内部和外部的加热器施加功率，比较二者的加热速度和均匀性（图7）。
“通过仿真，我们观察到将内部加热器换成外部加热器并不会产生很大的影响，这表示使用外部加热器有可能改善吸附剂的温度均匀性，或至少达到相同的温度均匀性，同时还能降低系统的复杂性。”Alpert 博士总结道。
铝床 vs. 蒸汽腔
在第二个设计方案中，团队希望研究将铝床换成蒸汽腔（图 8）。正如 Alpert 博士所解释的，“蒸汽腔是一种热管，能有效地向多个方向散热。加热蒸汽腔的一端，其中滞留的少量液体会蒸发成蒸气，流经腔体，迅速升温，并在到达较冷的区域后再次凝结。然后，液体通过毛细作用流回热源，如此循环往复。” 她继续说，“这样就能获得极高的有效热导率，相当于 10,000 ~ 100,000 W/m-K。”
NASA 与其外部合作伙伴合作制造和测试蒸汽腔，并进行了高保真建模仿真。但在这次分析中，研究团队使用热导率高得多的铝材料属性对蒸汽腔进行模拟，以了解会产生什么影响。Alpert 博士指出，他们的主要收获是“当我们改用蒸汽腔而不是铝床时，虽然吸附剂的平均温度基本保持不变，但蒸汽腔有可能改善吸附剂的温度均匀性”。这一点在使用第三次设计方案研究中的圆柱形床的情况下尤为显著。
矩形床 vs. 圆柱形床
Alpert 博士使用了一个简化模型来了解改变床的形状对温度均匀性的影响。“我对问题设置了约束条件，即保持吸附剂的面积不变，铝床或蒸汽腔之间的距离相同，加热器的长度相同。”她介绍道（图 9）。分析结果表明，对于两种形状的床，吸附剂的平均温度相似，但在铝制圆柱形床的情况下，温度均匀性要差得多。Alpert 博士认为这是合理的：“吸附剂被铝壁隔开，而加热器就在外面。因此，离加热器最近的吸附剂温度比里面的高得多。”
当改用蒸汽腔结构时，由于热导率足够高，热量很快就会通过壁面流动。在这种情况下，研究团队注意到矩形床和圆柱形床的温度均匀性非常相似（图 10）。
隔层数量
在第四次设计方案研究中，团队分析了吸附剂隔层的数量，以了解增加或减少隔层数是否会影响平均温度和温度均匀性（图 11）。增加隔层数量可以改善温度均匀性，这并不令 Alpert 博士感到意外，因为这代表隔层间的距离更近。“每个隔层都变小了，但我们增加了更多的热质量，因此现在的系统中有更多的铝。这样就降低了平均吸附剂温度的总体加热速率。” Alpert 博士解释道。
研究团队还发现，如果整个系统的体积保持不变，但增加更多的隔层，实际上会减少一定体积内可容纳的吸附剂数量。反过来，这也会减少可去除的 CO2 。
性能灵敏度分析
除了设计方案研究之外，NASA 团队还尝试提高吸附剂本身的热导率。Alpert 博士指出：“我们想知道需要增加多少热导率以及效果如何。”
在原始 AC-TSAC 设计的热模型中，研究团队发现，提高吸附剂的热导率对吸附剂的平均温度影响不大，但能在很大程度上改善温度均匀性。Alpert 博士说 “这表明我们的方向肯定是正确的，因此我们将大量的开发工作集中在这一点上。”
同样，当研究团队在带蒸汽腔的圆柱形床模型中提高热导率时，模拟结果显示整个床中吸附剂的温度均匀性有了很大改善（图 12）。
最后，研究团队分析了提高输入功率的影响。Alpert 博士解释说：“很明显，提高功率会使温度升高，但我们想了解提高功率会在多大程度上提升加热速度，以及会在多大程度上降低温度的均匀性。” 结果表明，如果在 30 分钟内施加 1000 W 而不是 600 W，可以使温度额外升高 100° C，但温度的均匀性会降低。
将仿真与实验测试相结合寻找更优的设计
Alpert 博士及其团队成功建立了现有 AC-TSAC 的热模型，并根据测试数据对模型进行了验证。借助验证后的模型，他们就能够确定需要改变哪些设计参数以获得期望的结果。通过仿真，团队了解到外部加热器可降低系统复杂性和潜在故障，蒸汽腔具有更高的热导率，从而改善吸附剂的温度均匀性，而且他们应该继续专注于提高吸附剂的热导率。
展望未来，Alpert 博士指出，到目前为止他们只研究了加热阶段，还需要研究加压循环的停留和冷却阶段。团队将继续使用实验数据验证热模型，并将热损失等机理考虑在内。
“COMSOL 软件是一个非常好的多物理场仿真平台，” Alpert 博士表示，“我们可以做的不仅仅是热模拟。在高温下，CO2 的压力会升高，这一点尚未纳入模型，这将是我们未来要做的工作。”