載人航天器地面通風設備參數(shù)研究

吳 軍，宣建強，羅 斌

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108；2.上海航天技術研究院，上海201108）

1 引言

與傳統(tǒng)衛(wèi)星的地面總裝、測試相比，載人航天器密封艙的地面總裝、電測過程存在3個方面特殊需求：

1）載人航天器密封艙對艙內微生物控制有嚴格要求。致病微生物會導致航天員生病，會腐蝕和降解航天器的各種材料，導致設備故障［1］；

2）載人航天器密封艙熱控多采用流體回路方案，在地面電性能測試期間，流體回路無法工作，密封艙內設備的產(chǎn)生的熱量，需要及時帶出艙外；

3）地面操作工人在相對密閉的密封艙內工作時，需要進行通風，確保空氣流通，人體舒適。

因此，載人航天器一般采用地面通風設備對密封艙內的大氣環(huán)境溫度、濕度、通風流場進行控制。載人航天一期、二期工程中研制了類似的地面設備用于密封艙通風散熱，但未見系統(tǒng)總結。

本文主要研究地面通風設備在設計時應當考慮的各種設計因素，結合某載人航天器地面通風設備參數(shù)過程實例，總結通風設備的設計方法。

2 設計因素

載人航天器地面通風設備的主要設計參數(shù)如表1所示：

表1 地面通風設備主要設計參數(shù)Table 1 Main parameters of ground ventilation equipment

3 設計流程

3.1 設計條件

3.1.1 廠房條件

載人航天器地面通風設備一般工作在廠房環(huán)境中，隨航天器一起輾轉于各測試廠房，為航天器密封艙提供支持。因此，地面通風設備的工作外部環(huán)境即是廠房的內部環(huán)境。

表2給出了某載人航天器總裝測試過程中典型廠房的環(huán)境條件。在確定廠房條件時，應當選取最惡劣的情況作為設計依據(jù)，故以廠房A的環(huán)境條件來開展設計。

表2 某載人航天器典型廠房環(huán)境Table 2 Typical environment of manned spacecraft AIT plant

3.1.2 航天器條件

載人航天的設計輸入條件主要包括：1）密封艙構型、容積；2）密封艙內最大熱耗水平。

以某載人航天器為例，其密封艙構型如圖1所示，容積約103 m3。密封艙前部開有直徑800 mm的艙門。按照該密封艙艙內設備開機情況，密封艙內熱耗水平0～7 kW，均值約3 kW。

3.2 設計參數(shù)分析

3.2.1 通風量確定

一般來說，密封空間內如需保證空氣新鮮，則通風量至少應當保證每小時將艙內空氣的置換次數(shù)在10～15次左右［2］，因此，密封艙的通風量應當≥1545 m3／h。

圖1 某載人航天器密封艙構型Fig．1 Layout of pressurized cabin in a manned spacecraft

艙內通風量應當保證密封艙內在不同熱耗水平條件下，盡可能的保證密封艙的溫度水平均處于比較合適的條件，并且需要保證通風設備的出風口溫度處于合理區(qū)間?？砂匆韵氯介_展設計計算：

1）確定密封艙內空氣溫度的目標控制值，以人體工作舒適、設備溫度耐受水平，選取合理的目標控制值，此處取26℃。

2）根據(jù)不同通風量計算在不同密封艙熱耗水平下艙內空氣的溫升情況，計算方法如式（1）：

其中ΔT為艙內空氣溫升，℃；Q為艙內熱耗，W；ρ為空氣密度，kg／m3；V 為通風量，m3／h；c為空氣比熱容，J／（m3·K）。

3）根據(jù)溫升情況，倒推通風設備出風口溫度水平。

4）判斷得到的出風口溫度水平是否合適。既保證出風口沒有結露風險，也要考慮能夠降低制冷量／制熱量，降低設備的功耗水平。

5）確定通風參數(shù)。

以3.1.2節(jié)給出的某載人航天器為例，首先確定其最小通風量應當大于 1030 m3／h～1545 m3／h。選取典型通風量值，計算溫升水平及出風口溫度（此處選取 1500 m3／h、2000 m3／h、2500 m3／h三檔）。算得的艙內溫升水平及出風口溫度需求如表3～表5。

表3 1500 m3／h 情況Table 3 1500 m3／h case

表4 2000 m3／h 情況Table 4 2000 m3／h case

表5 2500 m3／h 情況Table 5 2500 m3／h case

當廠房內空氣處于高溫高濕狀態(tài)時（25℃，60%相對濕度），在不同出風口溫度下，可由公式（3）、（4）得到出風口的相對濕度如圖 2。

圖2 出風口相對濕度Fig．2 Relative humidity at outlet

從圖中可以看出，若需要保證出風口不結露，至少應當保證出風口溫度＞16℃，因此，通風量應當保證＞2000 m3／h?？紤]通風量增大會帶來風機功率增加，增加設備的功耗及重量，綜合權衡，選取通風設備通風量在2000 m3／h。相應確定出風口溫度T應當在16℃ ～24.5℃之間。

3.2.2 制冷＼制熱量確定

在確定了通風設備的通風量及出風口溫度后，應當根據(jù)廠房的條件綜合判斷、確定設備的制冷量與制熱量，具體方法如下：

1）取廠房低溫低濕、高溫高濕2種極端情況作為依據(jù)，如式（2）計算設備的極端制冷量與極端制熱量：

式中，Qc為制冷量，W；T廠房為廠房空氣溫度，℃；Tout為出風口空氣溫度，℃。

2）根據(jù)廠房的實際情況權衡確定設備制冷量與制熱量。

在本例中，廠房低溫低濕極端工況取15℃、30%相對濕度，高溫高濕工況取25℃、60%相對濕度。則在通風量2000 m3／h，出風口溫度16℃～24.5℃條件下，設備的制冷量或制熱量如表6所示。

表6 制冷量與出風溫度關系Table 6 Relationship between cooling capacity and outlet air temperature

從表中可以看出，設備的最大制冷量應當在6 kW左右，制熱量也應當在6 kW左右。一般來說，空調機組的制冷效率在2左右，意味著設備制冷時的制冷量是設備功率的2倍，設備產(chǎn)生6 kW的制冷量只需要3 kW的功率，但制熱6 kW卻至少需要消耗6 kW的功率。為了降低設備的整體功率，并且考慮到艙內電測時，艙內有均值3 kW左右的熱耗，可利用這部分熱量降低對加熱功率的需求，可將設備的制冷量選定在6 kW，制熱量選擇在3 kW。

3.2.3 出風口濕度

從3.2.2節(jié)中可以看出，出風口溫度范圍選擇已經(jīng)考慮了出風口的相對濕度，保證出風口不結露。因此，通風設備的濕度控制功能并不是必須的。在通風設備不具備濕度控制功能的情況下，密封艙內相對濕度僅僅與廠房內的空氣溫濕度相關，如式（3） ～ （4）［3］。

式中，d為空氣中的絕對含濕量，kg；p為標準大氣壓，Pa；?廠房為廠房空氣的相對濕度，%；pT廠房為廠房溫度下的飽和蒸汽壓，Pa；φ艙內為密封艙空氣的相對濕度，%；pT艙內為密封艙溫度下的飽和蒸汽壓，Pa。假設密封艙地面測試期間，通過調節(jié)出風量及出風口溫度，將溫度恒定在26℃，則密封艙相對濕度與廠房溫濕度關系如表7。

表7 密封艙內相對濕度與廠房空氣溫濕度關系Table 7 Relationship of relative humidity in AIT plant and in the pressurized cabin

從表中可以看出，當廠房環(huán)境不同時，密封艙內的環(huán)境屬于恒溫不恒濕的環(huán)境。若載人航天器總體分析認為密封艙內濕度不恒定對飛行器測試無影響，則可不對出風口濕度提出要求。

一般來說，密封艙內濕度過低可能會帶來靜電積累，打火等現(xiàn)象，而且從設備長期地面存儲角度，一般也希望密封艙內恒溫恒濕。因此，需要對設備提出出風口相對濕度的要求，從而達到控制艙內濕度的目的。若希望將密封艙的恒定在溫度26℃，相對濕度50%范圍，則出風口的溫度濕度的匹配關系可由公式（3）、（4）確定，結果如圖3所示。

圖3 出風口相對溫濕度關系Fig．3 Relationship between relative humidity and temperature at outlet

綜上，從工程角度，應當對出風口溫濕度提出如下要求：

1）出風口溫度15～16℃，出風口相對濕度控制在80%左右；

2）出風口溫度17～20℃，出風口相對濕度控制在70%左右；

3）出風口溫度21～24℃，出風口相對濕度控制在60%左右。

3.2 設計實例

應用本文提出的方法，針對某載人航天器地面通風設備，設計輸入條件如2.1節(jié)所述。設計結果如表8中設計參數(shù)一列所述。經(jīng)過與設備生產(chǎn)廠家的詳細溝通協(xié)調，確定了地面通風設備的主要設計參數(shù)如表8。

表8 某航天器地面通風設備主要參數(shù)Table 8 Main parameters of ground ventilation equipment for a certain manned spacecraft

4 結束語

本文對載人航天器地面通風設備參數(shù)設計的基本方法進行了系統(tǒng)總結，提出了需要考慮的主要因素、設計流程。應用該方法對某載人航天器型號的地面通風設備進行了設計。今后載人航天器研制類似設備時，可以提供參考。由于此類設備可調參數(shù)較多，各參數(shù)之間相互聯(lián)系、相互影響，后續(xù)可以對此類設備地面的使用方式進行進一步探討。

參考文獻（References）

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