載人航天器密封艙內(nèi)除濕研究

趙建賀，張 健，王鑫哲，安金坤

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，航天器濕度控制技術(shù)越來越引起人們的重視。為滿足載人航天器密封艙內(nèi)航天員的在軌熱舒適性以及避免艙內(nèi)設(shè)備低溫表面結(jié)露，需要對載人航天器密封艙內(nèi)濕度進(jìn)行控制。

根據(jù)濕度來源的不同，密封艙內(nèi)濕度控制分為地面封艙前除濕和在軌密封艙除濕。

封艙前，載人航天器置于總裝廠房內(nèi)，艙內(nèi)濕度與廠房內(nèi)濕度基本相同。我國正在海南文昌興建現(xiàn)代化大型航天發(fā)射場[1]，海南發(fā)射場主要承擔(dān)地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、大噸位載人航天器和深空探測器等的發(fā)射任務(wù)。該地區(qū)常年高溫年均相對濕度達(dá)86.4%，使得廠房工作間內(nèi)濕度也較高；即使采取濕度控制，在溫度為18～28℃范圍內(nèi)，廠房的相對濕度最高也可達(dá)60%。為了降低密封艙內(nèi)濕度，防止在軌時(shí)結(jié)露，要在封艙前采用干空氣對艙內(nèi)濕空氣進(jìn)行空氣置換。

載人航天器在軌飛行時(shí)，航天員不斷產(chǎn)濕排放到密封艙內(nèi)，致使密封艙內(nèi)含濕量增加，相對濕度增大。如果艙體隔熱措施不夠好，在外熱流較小的部位所對應(yīng)的艙內(nèi)區(qū)域會形成低于露點(diǎn)溫度的低溫區(qū)域，低溫區(qū)域附近的空氣成為飽和濕空氣，低溫設(shè)備表面很可能產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象[2]，因此在軌需采用冷凝干燥裝置對艙內(nèi)空氣進(jìn)行除濕。

本文主要通過理論分析，得出載人航天器地面 封艙前干空氣置換相對濕度估算方法以及航天器在軌除濕通風(fēng)量估算方法，以期通過這些方法優(yōu)化艙內(nèi)濕度環(huán)境，降低載人航天器密封艙結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

1 封艙前除濕

對于貨運(yùn)飛船、空間站等需要在海南發(fā)射的大型載人航天器，在封艙前，需要采用干空氣置換的方法來降低密封艙內(nèi)空氣的濕度，避免將過多的水蒸氣帶入密封艙，以降低載人航天器在軌結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1為空氣置換示意圖，假設(shè)將與密封艙同樣體積的干空氣分段注入到密封艙內(nèi)。將干空氣體積V分成n份，每次注入1/n體積的干空氣，在干空氣與密封艙內(nèi)濕空氣充分混合后，從密封艙向外部排出與送風(fēng)量等量的混合氣體。

圖1 空氣置換 Fig.1 Schematic diagram of air replacement

密封艙內(nèi)濕空氣初始相對濕度為?0，第1 次注入1/n體積的干空氣，排出1/n體積的均勻混合氣體，此時(shí)密封艙中空氣的相對濕度為

同理，第2 次注入1/n體積的干空氣，排出1/n體積的均勻混合氣體，此時(shí)密封艙中空氣的 相對濕度為

當(dāng)?shù)趎次注入1/n體積的干空氣，排出1/n體積的均勻混合氣體后，此時(shí)整個(gè)氣瓶內(nèi)體積為V的干空氣使用完畢，密封艙中空氣的相對濕度 為

當(dāng)次數(shù)n趨于無窮時(shí)，也就是小流量連續(xù)對密封艙內(nèi)空氣進(jìn)行置換時(shí)，密封艙內(nèi)空氣的相對濕度為

假設(shè)置換前載人航天器密封艙內(nèi)相對濕度與廠房工作間內(nèi)相對濕度相同，同為60%，經(jīng)過同體積干空氣置換一次后，密封艙內(nèi)相對濕度則降至22.1%。

當(dāng)然，這是理想狀況下的置換結(jié)果，實(shí)際置換結(jié)果還與具體的試驗(yàn)操作有關(guān)，比如出風(fēng)口有無回流、艙內(nèi)氣體是否混合均勻等。

2 密封艙在軌除濕

密封艙在軌除濕技術(shù)主要包括吸濕材料[3]、可再生除濕裝置[4]、調(diào)濕涂層[5]等被動濕度控制技術(shù)以及冷凝干燥裝置等主動濕度控制技術(shù)。

由于被動濕度控制方法已不能滿足載人航天領(lǐng)域航天員人數(shù)增加、工作時(shí)間延長的需求，使得以冷凝干燥裝置為代表的主動濕度控制技術(shù)被各國載人航天器廣泛采用[5]。

2.1 冷凝干燥裝置的工作原理

由冷凝干燥風(fēng)機(jī)將密封艙內(nèi)的熱濕空氣吸入冷凝-干燥換熱器（要求液側(cè)液體溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度），進(jìn)行熱交換，降低空氣溫度并除去多余水分后，再將處理后的空氣送回密封艙[6]，如圖2所示。

圖2 密封艙內(nèi)除濕 Fig.2 Dehumidification in sealed cabin

同時(shí)，通過調(diào)節(jié)冷干風(fēng)門開度，采用旁路控制的方法使部分風(fēng)量不經(jīng)過冷凝熱交換器，以實(shí)現(xiàn)密封艙內(nèi)不同濕度的控制要求[2]。

2.2 冷干風(fēng)機(jī)風(fēng)量估算

在容積為V的密封艙中，冷干裝置啟動前密封艙中空氣含濕量為d1，采用冷干裝置降低密封艙內(nèi)空氣的濕度，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立濕度平衡方程（假設(shè)除濕過程中密封艙內(nèi)空氣溫度保持不變）。在時(shí)間間隔dτ內(nèi)，艙內(nèi)得到的濕負(fù)荷

（包括航天員的產(chǎn)濕和冷干送風(fēng)中的濕負(fù)荷）與密封艙內(nèi)排出（進(jìn)入冷干）的濕負(fù)荷之差應(yīng)等于整個(gè)密封艙內(nèi)增加（或減少）的濕負(fù)荷，即

式中：為冷干風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h；為航天員單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)濕量（濕負(fù)荷），g/h；ρ為空氣密度，kg/m3；d為某時(shí)刻艙內(nèi)空氣中的含濕量，g/kg；d0為冷干送風(fēng)的含濕量（分析過程中，假設(shè)冷干送風(fēng)的含濕量保持不變），g/kg；dτ為某一無限小的時(shí)間間隔，h；dd為dτ時(shí)間內(nèi)密封艙內(nèi)含濕量的增量，g/kg。

式(2)可以變換為

若在τ時(shí)間內(nèi)，密封艙內(nèi)含濕量由d1變化到d2，則

冷干風(fēng)機(jī)風(fēng)量一定時(shí)，任意時(shí)刻密封艙內(nèi)的含濕量為

將式(8)表示在d-τ曲線上，如圖3所示。當(dāng)時(shí)間τ→∞時(shí)，exp (V)趨于0，艙內(nèi)濕度d2趨于穩(wěn)定，則

式(9)表明，當(dāng)時(shí)間足夠長時(shí)，密封艙內(nèi)含濕量與艙內(nèi)初始含濕量d1無關(guān)。

圖3 含濕量變化曲線 Fig.3 Curve of moisture content

據(jù)式(9)，密封艙內(nèi)目標(biāo)含濕量d2處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，所需要冷干風(fēng)機(jī)風(fēng)量為

對于式(10)而言，可通過查焓濕圖[7]獲得相對濕度?與含濕量d的對應(yīng)關(guān)系。通過調(diào)節(jié)冷干風(fēng)門控制出口空氣含濕量d0；航天員舒適環(huán)境的相對濕度為28%～65%[8]，通過焓濕圖可以得到對應(yīng)的含濕量d2。

關(guān)于航天員的產(chǎn)濕量，姜軍等人[3]認(rèn)為單個(gè)航天員的產(chǎn)濕量為75 g/h；黃家榮等人[9-10]給出的產(chǎn)濕量為1.5 kg/d，相當(dāng)于62.5 g/h；程文龍等人[11]給出的單個(gè)航天員產(chǎn)濕量為86 g/h;范宇峰等人[4]根據(jù)航天員在睡眠、靜息、輕度及中度活動時(shí)活動量的不同，認(rèn)為航天員的產(chǎn)濕量在50～155 g/h 范圍內(nèi)，詳見表1。

表 1 航天員產(chǎn)濕量 Table1 Moisture content generated by astronaut

3 結(jié)束語

本文對載人航天器密封艙除濕這一重要工程問題進(jìn)行了理論研究，獲得主要結(jié)論如下：

1）針對載人航天器地面封艙前除濕，采用干空氣置換，建立了相對濕度估算模型，密封艙內(nèi)濕空氣（初始相對濕度為?0）經(jīng)過同體積干空氣小流量連續(xù)置換一次后，密封艙內(nèi)空氣的相對濕度降至原先的1/e。

2）對于冷凝干燥裝置這一主動濕度控制技術(shù)，建立了密封艙內(nèi)空氣濕度平衡方程，獲得了載人航天器冷凝干燥裝置除濕的風(fēng)機(jī)風(fēng)量估算模型，見式(10)。

以上模型可為載人航天器密封艙內(nèi)濕度控制提供重要技術(shù)支撐。

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