載人航天器組合體氧分壓控制仿真分析

靳健

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

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載人航天器組合體氧分壓控制仿真分析

靳健

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人航天器組合體通常由多個具備不同功能的密封艙通過在軌組裝形成，并由其中的單個密封艙利用艙間換氣對組合體空氣環(huán)境進(jìn)行集中控制。文章建立了一種載人航天器組合體氧分壓控制仿真分析模型，對五艙載人航天器組合體組裝建造過程中各密封艙氧分壓和空氣總壓變化趨勢進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，受艙間換氣量、密封艙數(shù)量、航天員駐留位置變化等因素的影響，組合體氧分壓和空氣總壓變化趨勢與單個密封艙情況存在顯著差異。隨著密封艙數(shù)量的增加，離氧分壓主控艙輸運距離越遠(yuǎn)的密封艙，氧分壓的波動范圍越窄，且所能達(dá)到的氧分壓上限也越低；同時，組合體空氣總壓的波動范圍也越窄。隨著艙間換氣量的增大，各密封艙氧分壓的差異逐漸縮小，組合體的空氣總壓波動范圍增大。五艙組合體的氧分壓和空氣總壓變化范圍及波動周期，明顯小于與它總?cè)莘e相同的單個密封艙，這種差異隨著艙間換氣量的增大而減小。文章的研究結(jié)果有助于載人航天器組合體環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化。

載人航天器組合體；密封艙；氧分壓；空氣總壓；艙間換氣

1 引言

為實現(xiàn)航天員長期在軌駐留以及開展大規(guī)?？臻g科學(xué)實驗，載人航天器組合體通常由具備不同功能的多個密封艙在軌組裝形成。以“國際空間站”為例，這些密封艙包括航天員駐留生活艙、在軌實驗支持艙、節(jié)點艙、載人飛船、貨運飛船等。載人航天器組合體各個艙段在軌組裝有一個過程，航天員在軌駐留期間，駐留環(huán)境會隨著組裝過程逐漸變化，經(jīng)歷單艙駐留至多艙駐留的過程。

為確保航天員在軌駐留的安全性和舒適性，必須通過環(huán)境控制系統(tǒng)在密封艙內(nèi)制造出類似于地面的氧分壓環(huán)境和空氣總壓環(huán)境。在有人駐留的情況下，載人航天器組合體各個密封艙之間的艙門通常處于開啟狀態(tài)，組合體氧分壓通常由1個或若干個密封艙的氧分壓控制系統(tǒng)利用艙間換氣進(jìn)行集中控制[1-7]。為確保氧分壓集中控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)密封艙數(shù)量不斷增加的組合體構(gòu)型，滿足航天員駐留在不同艙段的氧分壓控制需求，必須在設(shè)計階段對組合體氧分壓控制情況進(jìn)行仿真分析，驗證系統(tǒng)的工作性能。文獻(xiàn)[8]建立了單個密封艙的供氣調(diào)壓模型，分析了艙內(nèi)氧分壓和空氣總壓隨在軌時間的變化趨勢，結(jié)果表明，氧分壓受航天員耗氧和供氧的影響，呈周期性波動狀態(tài)，空氣總壓也受氧分壓的影響而周期性波動變化。文獻(xiàn)[9]針對單個密封空間的空氣總壓和氧分壓變化趨勢建立了計算公式，分析得出了解析解，并與試驗測試結(jié)果對比，驗證了解析解的正確性。文獻(xiàn)[10-12]建立了單個密封艙供氣集成仿真模型，針對消耗型供氧和再生式供氧2種不同類型的供氧系統(tǒng)，分析了單艙密封艙內(nèi)空氣總壓和氧分壓隨航天員駐留時間的變化趨勢。上述研究均是針對單個密封艙內(nèi)的氧分壓控制情況進(jìn)行分析，未涉及到組合體氧分壓集中控制的情況。文獻(xiàn)[13]針對兩艙組合體建立了氧分壓控制仿真分析模型，分析了航天員駐留位置、艙間換氣量以及氧分壓監(jiān)測方式對兩艙組合體氧分壓控制效果的影響，但是研究中并未分析組合體氧分壓控制過程對組合體空氣總壓的影響。以和平號空間站、“國際空間站”和我國在建空間站為代表的大型載人航天器組合體，其密封艙的數(shù)量遠(yuǎn)多于2個，這些密封艙承擔(dān)了不同的功能，如負(fù)責(zé)居住、平臺控制、空間實驗或貯存貨物，因此，對載人航天器組合體的氧分壓控制方式進(jìn)行分析，對空間站系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化、乘員安全性和舒適性的提高、在軌資源的合理利用都具有重要意義。

本文針對五艙在軌組裝形成的載人航天器組合體，利用數(shù)學(xué)分析軟件Ecosimpro建立組合體密封艙內(nèi)氧分壓控制仿真分析模型；計算分析了該組合體構(gòu)型下從單艙至五艙組合體組裝完畢過程中氧分壓和空氣總壓的變化趨勢，并分析了艙間換氣量和航天員所在艙段位置對組合體各個密封艙內(nèi)氧分壓和空氣總壓變化趨勢的影響；對確定載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵參數(shù)取值范圍、了解各個艙段氧分壓和空氣總壓變化規(guī)律等均有參考價值。

2 氧分壓控制系統(tǒng)組成

本文研究對象為五艙載人航天器組合體，其中：艙Ⅰ主要提供本艙(單艙)及兩艙到五艙組合體的平臺管理功能，包括軌道和姿態(tài)控制、載人環(huán)境控制、信息管理等，同時提供乘員生活和休息設(shè)施。艙Ⅱ提供部分核心平臺管理功能的備份，提供乘員生活和休息設(shè)施，并支持少量空間載荷試驗。艙Ⅲ至艙Ⅴ主要支持空間載荷試驗。首先，發(fā)射艙Ⅰ，隨后依次發(fā)射艙Ⅱ至艙Ⅴ，在軌組裝形成組合體。組合體各艙均具備供電功能，但軌道和姿態(tài)控制、信息管理等均由艙Ⅰ統(tǒng)一控制，組合體密封艙氧分壓和空氣總壓也由艙Ⅰ集中控制，當(dāng)艙Ⅰ發(fā)生故障時，由艙Ⅱ?qū)M合體進(jìn)行集中控制。參考“國際空間站”指標(biāo)要求[7]，設(shè)定各密封艙內(nèi)氧分壓控制范圍是20 000～24 000 Pa，氧分壓控制系統(tǒng)相關(guān)要素如下。

(1)密封艙：各密封艙有效容積均為36 m3，五艙采用“一”字型組合體。

(2)航天員：駐留人數(shù)為6，忽略航天員代謝水平差異，每位航天員的耗氧速率為0.030 8 kg/h。

(3)氧分壓控制裝置：艙Ⅰ內(nèi)設(shè)置氧分壓控制裝置，同時控制艙Ⅰ和其他密封艙的氧分壓水平。當(dāng)組合體中有1個密封艙的氧分壓低于20 000 Pa時，艙Ⅰ氧分壓控制裝置開始向艙Ⅰ內(nèi)供氧，供氧速率為0.001 kg/s；當(dāng)組合體中有1個密封艙的氧分壓達(dá)到24 000 Pa時，艙Ⅰ氧分壓控制裝置停止工作。

(4)艙間換氣系統(tǒng)：在艙Ⅰ配備艙間通風(fēng)風(fēng)機(jī)和艙間通風(fēng)管道，利用通風(fēng)管道將艙Ⅱ的空氣抽至艙Ⅰ，艙Ⅰ空氣通過對接通道回風(fēng)至艙Ⅱ。在艙Ⅱ配備艙間通風(fēng)風(fēng)機(jī)和艙間通風(fēng)管道，利用通風(fēng)管道將艙Ⅲ的空氣抽至艙Ⅱ，艙Ⅱ空氣通過對接通道回風(fēng)至艙Ⅲ。艙Ⅲ、艙ⅠⅤ和艙Ⅴ的情況依次類推。

五艙載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 仿真分析模型

本文采取面向?qū)ο蟮慕７绞浇⑤d人航天器組合體氧分壓控制仿真分析模型，根據(jù)實際載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，識別艙體、乘員代謝、氧分壓控制、艙間換氣這些物理對象中的關(guān)鍵參數(shù)、主要性能描述方程、設(shè)備間物質(zhì)和能量接口關(guān)系，并通過定義一組變量和一組微分代數(shù)方程、常微分方程對這些物理對象進(jìn)行描述，形成各個物理對象的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實際系統(tǒng)的接口關(guān)系將這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)物質(zhì)、能量、信息在各個數(shù)學(xué)模型間的傳遞關(guān)系。

本文具體選用的建模工具為Ecosimpro，以及配套使用的數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫“環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)”(ECLSS)，通過對ECLSS中預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修改和邏輯關(guān)聯(lián)，形成本文所需的仿真分析模型。Ecosimpro和ECLSS的詳細(xì)信息參見文獻(xiàn)[12-13]，主要數(shù)學(xué)模型描述如下。

密封艙內(nèi)空氣質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：mj為密封艙內(nèi)空氣中第j種成分的質(zhì)量；wi為從各個接口進(jìn)入密封艙的空氣質(zhì)量流量；xi,j為進(jìn)入密封艙的空氣質(zhì)量流量中第j種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wo為從各個接口流出密封艙的空氣質(zhì)量流量；xo,j為從各個接口流出密封艙的空氣質(zhì)量流量中第j種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wl,j為航天員代謝產(chǎn)生的第j種空氣成分的質(zhì)量流量；t為計算時間。

密封艙內(nèi)空氣總質(zhì)量為

(2)

式中：N為密封艙內(nèi)空氣成分總數(shù)。

密封艙內(nèi)空氣中第j種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

(3)

密封艙內(nèi)空氣中第j種成分的摩爾分?jǐn)?shù)為

(4)

式中：Wl為密封艙內(nèi)空氣中第l種成分的摩爾質(zhì)量。

密封艙內(nèi)空氣密度為

(5)

式中：Vair為密封艙內(nèi)空氣體積。

供氧組件工作時，以恒定質(zhì)量速率向密封艙內(nèi)輸送氧氣，即

(6)

式中：MO為供氧組件工作期間向密封艙內(nèi)供氧的總質(zhì)量；wm,O為供氧組件工作期間向密封艙內(nèi)供氧的質(zhì)量速率。

存在接口關(guān)系的數(shù)學(xué)模型間物質(zhì)質(zhì)量流量為

(7)

式中：w為流過接口的總凈質(zhì)量流量；wf為從上游流向下游的物質(zhì)質(zhì)量流量；wb為從下游逆向流向上游的物質(zhì)質(zhì)量流量。

存在接口關(guān)系的數(shù)學(xué)模型間流過接口的第j種物質(zhì)成分質(zhì)量流量為

wj=wfxf,j-wbxb,j

(8)

式中：xf,j為接口處從上游流向下游的第j種物質(zhì)成分在該流向的總質(zhì)量流量中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xb,j為接口處從下游逆向流向上游的第j種成分在該流向的總質(zhì)量流量中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

五艙載人航天器組合體氧分壓控制仿真模型見圖2，氧分壓控制系統(tǒng)安裝在艙Ⅰ里，通過艙間換氣集中控制組合體各個艙段內(nèi)的氧分壓。

4 結(jié)果與分析

4.1 航天員駐留位置對氧分壓和空氣總壓的影響

利用載人航天器組合體氧分壓控制仿真模型，本文計算分析了隨著組合體密封艙數(shù)量的增加，航天員駐留位置對各個密封艙氧分壓和空氣總壓的影響。在本文計算分析中，主要設(shè)定如下。

(1)6名航天員的代謝耗氧速率一致，且忽略航天員代謝水平的波動。

(2)從最初的1個密封艙通過在軌組裝最終擴(kuò)展成5個密封艙，在這個過程中設(shè)定航天員駐留在新組裝的密封艙內(nèi)，如圖1所示。

(3)艙間換氣量為1.0 m3/min。

(4)參考我國前期載人航天器在軌飛行經(jīng)驗，密封艙內(nèi)補(bǔ)充氮氣的時間間隔超過半年，表明密封艙體的氣體自然泄漏率很低，本文分析的時間周期為7天，因此，為簡化計算，忽略艙體自然泄漏的影響。

在載人航天器組合體組裝建造過程中，密封艙內(nèi)氧分壓和空氣總壓變化過程計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)可知，隨著航天員耗氧和氧分壓控制系統(tǒng)供氧，單艙階段，艙Ⅰ的氧分壓在20 000～24 000 Pa呈周期性波動，每次供氧的時間間隔為40 000 s。由圖3(d)可知，艙Ⅰ的空氣總壓也隨著氧分壓的變化在95 800～99 800 Pa波動，波動間隔與氧分壓一致。

由圖3(b)可知，兩艙階段，艙Ⅰ的氧分壓在20 100～24 000 Pa呈周期性波動；艙Ⅱ的氧分壓在20 000～22 800 Pa呈周期性波動。與單艙相比，兩艙組合體的氧分壓波動范圍在縮小，由于組合體容積增大，供氧的時間間隔延長為60 000 s。由圖3(e)可知，兩艙階段，艙Ⅰ和艙Ⅱ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在95 800～99 400 Pa波動，波動間隔與氧分壓一致；與圖3(d)對比可知，空氣總壓的波動范圍已經(jīng)不是4000 Pa，而是縮小為3600 Pa。

由圖3(c)可知，五艙階段，艙Ⅰ的氧分壓在20 350～24 000 Pa呈周期性波動；艙Ⅱ的氧分壓在20 300～22 280 Pa呈周期性波動；艙Ⅲ的氧分壓在21 500～22 040 Pa呈周期性波動；艙Ⅳ的氧分壓在20 120～21 170 Pa呈周期性波動；航天員所在的艙Ⅴ的氧分壓在20 000～21 000 Pa呈周期性波動。與單艙階段和兩艙階段相比，五艙階段的氧分壓波動范圍進(jìn)一步減小。由于組合體容積增大，供氧的時間間隔延長為65 000 s。由圖3(f)可知，五艙階段，艙Ⅰ～艙Ⅴ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在96 000～97 750 Pa波動，波動間隔與氧分壓一致；與圖3(d)對比可知，空氣總壓的波動范圍已經(jīng)不是4000 Pa，而是縮小為1750 Pa。

綜上所述，隨著組合體密封艙的增多，離氧分壓主控艙輸運距離越遠(yuǎn)的艙段，氧分壓的控制帶越窄，且所能達(dá)到的氧分壓上限也越低。以五艙組合體為例，當(dāng)航天員駐留在艙Ⅴ時，艙Ⅴ的氧分壓控制帶只有1000 Pa，而且在整個計算過程中，艙Ⅴ的氧分壓也沒有超出21 000 Pa，這與單艙階段艙Ⅰ的氧分壓變化趨勢差異明顯。

4.2 艙間換氣量對氧分壓和空氣總壓的影響

組合體各艙間的換氣量對艙間空氣成分輸運速率有直接影響，因此，在組合體空氣環(huán)境集成控制設(shè)計過程中，必須確定合理的艙間換氣量，確保空氣成分在艙間輸運的需求。針對五艙組合體，分析了艙間換氣量分別為0.7 m3/min和2.0 m3/min時組合體各密封艙氧分壓和空氣總壓隨在軌時間的變化趨勢，計算時的其他設(shè)定同第4.1節(jié)，分析結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可知，當(dāng)艙間換氣量為0.7 m3/min時，艙Ⅰ的氧分壓在20 500～24 000 Pa呈周期性波動；艙Ⅱ的氧分壓在20 450～22 050 Pa呈周期性波動；艙Ⅲ的氧分壓在20 350～21 300 Pa呈周期性波動；艙Ⅳ的氧分壓在20 200～20 900 Pa呈周期性波動；航天員所在的艙Ⅴ的氧分壓在20 000～20 580 Pa呈周期性波動。供氧的時間間隔為52 500 s。對比圖3(c)可知，隨著艙間換氣量減小，各艙氧分壓的波動范圍進(jìn)一步縮小，對于航天員駐留的艙Ⅴ，氧分壓波動范圍已經(jīng)減小至580 Pa，且供氧的時間間隔縮短。

由圖4(b)可知，當(dāng)艙間換氣量為2.0 m3/min時，艙Ⅰ的氧分壓在20 200～24 000 Pa呈周期性波動；艙Ⅱ的氧分壓在20 170～22 770 Pa呈周期性波動；艙Ⅲ的氧分壓在20 130～22 050 Pa呈周期性波動；艙Ⅳ的氧分壓在20 170～21 800 Pa呈周期性波動；航天員所在的艙Ⅴ的氧分壓在20 000～21 700 Pa呈周期性波動。供氧的時間間隔為91 000 s。對比圖3(c)可知，隨著艙間換氣量增大，各艙氧分壓的波動范圍顯著增大，對于航天員駐留的艙Ⅴ，氧分壓波動范圍增大至1700 Pa。

由圖4(c)可知，艙Ⅰ～艙Ⅴ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在96 100～97 520 Pa波動，波動間隔與氧分壓一致，空氣總壓的波動范圍縮小為1420 Pa。對比圖3(f)可知，隨著艙間換氣量減小，組合體空氣總壓的波動范圍也進(jìn)一步減小。

由圖4(d)可知，艙Ⅰ～艙Ⅴ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在96 000～98 400 Pa波動，波動間隔與氧分壓一致，空氣總壓的波動范圍縮小為2400 Pa，對比圖3(f)可知，隨著艙間換氣量增大，組合體空氣總壓的波動范圍也增大。

4.3 組合體結(jié)構(gòu)與單艙結(jié)構(gòu)的氧分壓和空氣總壓對比

由前文分析可知，組合體密封艙數(shù)量的增加以及艙間換氣量的變化，對各艙氧分壓和空氣總壓的變化范圍及供氧過程的時間間隔均產(chǎn)生顯著影響。為進(jìn)一步分析組合體氧分壓和空氣總壓由單艙段進(jìn)行集中控制的特點，本文計算了與五艙組合體總?cè)莘e相同(180 m3)的單個密封艙在艙間換氣量為2.0 m3/min時對應(yīng)的氧分壓和空氣總壓變化趨勢，與五艙組合體進(jìn)行對比，如圖5所示。

由圖5(a)可知，對于容積為180 m3的單個密封艙，氧分壓在20 000～24 000 Pa呈周期性波動，供氧時間間隔為200 000 s。與圖4(a)對比可知，雖然五艙組合體的總?cè)莘e也是180 m3，但各個密封艙的氧分壓波動范圍和供氧的時間間隔明顯小于容積為180 m3的單個密封艙。與圖3(c)和圖4(b)對比可知，隨著艙間換氣量的增大，五艙組合體的氧分壓變化范圍及波動間隔均有所增大。

由圖5(b)可知，對于容積為180 m3的單個密封艙，空氣總壓隨著氧分壓的變化在95 850～99 850 Pa周期性波動。與圖4(c)、圖3(f)和圖4(d)對比可知，雖然五艙組合體的總?cè)莘e也是180 m3，但各個密封艙的空氣總壓波動受氧分壓波動的影響，變化范圍和波動周期明顯小于容積為180 m3的單個密封艙，隨著艙間換氣量的增大，五艙組合體的空氣總壓變化范圍及波動間隔均有所增大。

上述結(jié)果是由于艙間傳質(zhì)能力的差異和氧分壓控制策略共同造成的，單個密封艙內(nèi)部強(qiáng)迫對流通風(fēng)系統(tǒng)總換氣量通常在20.0 m3/min以上，在本艙內(nèi)的空氣成分輸運能力較強(qiáng)，可確保氧分壓在艙內(nèi)較為均勻的分布。而艙間換氣系統(tǒng)受功耗、構(gòu)型、輸運距離等多個因素的限制，空氣成分的艙間輸運能力相對較弱，而組合體氧分壓控制策略是無論哪個密封艙的氧分壓達(dá)到下限，主控艙都會啟動供氧操作，無論哪個密封艙的氧分壓達(dá)到上限，都會停止供氧。因此，在總?cè)莘e和氧分壓控制系統(tǒng)參數(shù)均相同的情況下，組合體的氧分壓和空氣總壓變化趨勢與單個密封艙的有顯著差別，組合體中部分密封艙的氧分壓變化范圍明顯小于20 000～24 000 Pa的控制范圍。隨著艙間換氣量的增加，艙間輸運能力增強(qiáng)，這種差別也就隨之減弱。

5 結(jié)論

本文通過Ecosimpro軟件搭建了仿真分析模型，對載人航天器五艙組合體氧分壓控制過程進(jìn)行了仿真分析，包括五艙組合體組建過程中各個密封艙的氧分壓和空氣總壓隨在軌時間的變化趨勢，主要結(jié)論如下。

(1)隨著組合體密封艙數(shù)量的增加，各艙氧分壓變化趨勢差異明顯，離氧分壓主控艙輸運距離越遠(yuǎn)的密封艙，氧分壓的控制帶越窄，且所能達(dá)到的氧分壓上限也越低。在本文設(shè)定的五艙組合體中，當(dāng)航天員駐留在艙Ⅴ時，艙Ⅴ的氧分壓控制帶只有1000 Pa。組合體各艙空氣總壓保持一致，但波動范圍受氧分壓影響，為1750 Pa。

(2)隨著艙間換氣量的增大，各艙氧分壓的差異逐漸縮小，且各艙氧分壓波動范圍加大，組合體空氣總壓變化范圍也逐漸增大。

(3)本文對比了總?cè)莘e和氧分壓控制系統(tǒng)參數(shù)相同情況下，單個密封艙和五艙組合體的氧分壓和空氣總壓變化趨勢。由于艙間傳質(zhì)能力的差異和氧分壓控制策略的共同作用，五艙組合體的氧分壓和空氣總壓變化范圍及波動周期顯著小于單個密封艙，這種差異隨著艙間換氣量的增大而減小。

本文的研究結(jié)果有助于確定載人航天器組合體供氣調(diào)壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)取值范圍，了解各個密封艙的氧分壓和空氣總壓變化規(guī)律，為載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

References)

[1] 林貴平，王普秀．載人航天生命保障技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：84-148

Lin Guiping, Wang Puxiu. Life support technology of manned spacecraft [M]. Beijing: Beihang University Press, 2006： 84-148 (in Chinese)

[2]王普秀，鄭傳先.航天環(huán)境控制與生命保障工程基礎(chǔ)(上冊)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003：99-120

Wang Puxiu, Zheng Chuanxian. Fundamental of environment control and life support technology of manned spacecraft (part I) [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003： 99-120 (in Chinese)

[3]王普秀，鄭傳先.航天環(huán)境控制與生命保障工程基礎(chǔ)(下冊)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003：1-22

Wang Puxiu, Zheng Chuanxian. Fundamental of environment control and life support technology of manned spacecraft (part Ⅱ) [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2004： 1-22 (in Chinese)

[4]戚發(fā)軔．載人航天器技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999：82-95

Qi Faren. Manned spacecraft technology [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1999：82-95 (in Chinese)

[5]馬洛澤莫夫．載人航天器的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)[M]．張瑞明，邢樹榮，譯.北京：兵器工業(yè)出版社，1999：21-42

Malozemoff. Environment control and life support system of manned spacecraft [M]. Zhang Ruiming，Xing Shurong， translated. Beijing: The Publishing House of Ordnance Industry, 1999： 21-42 (in Chinese)

[6]K L Mitchell, R M Bagdigian, R L Carrasquillo. Technical assessment of MIR-1 life support hardware for the International Space Station， NASA TM-108441 [R]. Washington D.C.： NASA， 1994

[7]P O Wieland. Living together in space: the design and operation of the life support systems on the International Space Station， NASA/TM-98-206956/VOL1 [R]. Washington D.C.： NASA， 1998

[8]徐向華，任建勛，梁新剛，等.載人航天器密封艙內(nèi)空氣壓力的動態(tài)分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002，42(11)：1492-1495

Xu Xianghua, Ren Jianxun, Liang Xingang, et al. Dynamic analysis of the cabin atmosphere in a manned spacecraft [J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2002, 42(11)： 1492-1495 (in Chinese)

[9]芮嘉白，鄭傳先，王普秀.載人航天器密封艙壓控制規(guī)律解析解及其實驗驗證[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2001，14(4):264-267

Rui Jiabai, Zheng Chuanxian, Wang Puxiu. Analysis solution and experimental verification of pressure control function of the sealed module of manned space vehicle [J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2001, 14(4): 264-267 (in Chinese)

[10] 靳健，侯永青，楊雷.載人航天器大氣環(huán)境控制系統(tǒng)性能集成分析[J].航天器環(huán)境工程，2013, 30(4):380-387

Jin Jian, Hou Yongqing, Yang Lei.Integrated analysis of characteristics of the air environment control system of manned spacecraft [J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(4):380-387 (in Chinese)

[11]靳健，侯永青.供氧模式對載人航天器氣壓控制的影響分析[J].航天器環(huán)境工程，2015，32(5):469-476

Jin Jian, Hou Yongqing.The effect of oxygen supply mode on air pressure control of manned spacecraft [J]. Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(5): 469-476 (in Chinese)

[12]Ramón Pérez-Vara, Sergio Mannu, Olivier Pin, et al. Overview of European applications of EcosimPro to ECLSS, CELSS, and ATCS，SAE 03ICES-405 [R]. Pittsburgh，Pennsylvanian：SAE, 2003

[13]靳健，徐進(jìn)，侯永青.多艙段載人航天器氧分壓控制仿真分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，41(8):1409-1415

Jin Jian, Xu Jin, Hou Yongqing.Simulation analysis on oxygen partial pressure control of multi-cabin manned spacecraft [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2015, 41(8): 1409-1415 (in Chinese)

(編輯：夏光)

Simulation Analysis on O2Partial Pressure Control of Manned Spacecraft Combination

JIN Jian

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

Manned spacecraft combination is usually assembled by several pressurized cabins with different functions. Air environment of manned spacecraft combination is usually controlled by one of these pressurized cabins through inter-cabin ventilation. A simulation analysis model of O2partial pressure control of manned spacecraft combination is developed. By using this simulation model, O2partial pressure and air pressure of manned spacecraft combination with five cabins are analyzed during the assembling process. The analysis results show that O2partial pressure and air pressure of combination have different varying trends from that of single cabin due to the change of inter-cabin mass transfer, cabin number, crew location, etc. As transport distance of inter-cabin ventilation is increasing, varying range of O2partial pressure of pressurized cabins without O2partial pressure control system is getting smaller and smaller, furthermore, O2partial pressure highest value is becoming lower and lower, meanwhile, varying range of air pressure of combination is getting smaller and smaller. As inter-cabin ventilation flux is increasing, difference of O2partial pressure between pressurized cabins is decreasing and varying range of air pressure of combination is increasing. Varying range and cycle of O2partial pressure as well as air pressure of five-cabin combination are dramatically smaller than that of single pressurized cabin with the same volume. The difference is decreasing when the inter-cabin ventilation flux is increasing. The ana-lysis results can contribute to the design and optimization of environment control system of manned spacecraft combination.

manned spacecraft combination； pressurized cabin； O2partial pressure； air pressure； inter-cabin ventilation

2017-01-11；

2017-01-25

國家重大科技專項工程

靳健，男，博士，高級工程師，從事空間站熱管理系統(tǒng)和載人環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計工作。Email：jinjian0331@126.com。

V416.5

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.008