“天宮二號”空間實驗室密封艙熱舒適性評價

陳 靈，趙 亮，金 宇，劉炳清，曹劍峰，滿廣龍

（北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）

0 引言

“天宮二號”是我國第一個真正意義上的空間實驗室，于2016年9月發(fā)射入軌，是實現(xiàn)航天員在軌中期駐留的場所。2016年10月，“天宮二號”與“神舟十一號”交會對接形成組合體期間，航天員在“天宮二號”密封艙上工作和生活了30天，為我國歷次載人航天飛行任務(wù)駐留時間之最。對于載人航天器密封艙而言，除了保證艙體結(jié)構(gòu)、設(shè)備儀器的溫度處在合適范圍以內(nèi)，還需要為航天員提供舒適的工作、生活場所，尤其對于中長期駐留，這一點更為重要。所謂舒適的環(huán)境主要指密封艙內(nèi)的空氣溫度和濕度控制在合適范圍內(nèi)。目前我國載人航天器密封艙主要通過流體回路和電加熱方式進(jìn)行溫濕度控制。

環(huán)境是否舒適需通過熱舒適性指標(biāo)來衡量。熱舒適性是人體對于周圍環(huán)境所做的主觀滿意度評價。人們對于熱舒適性的認(rèn)識和評價是不斷發(fā)展的。目前最流行的熱舒適性評價方法是采用Fanger教授提出的PMV（predicted mean vote）指標(biāo)[1]，綜合考慮人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、空氣濕度、周圍環(huán)境平均溫度及空氣流動速度等6個因素。

國內(nèi)對于熱舒適性評價的研究主要集中于住宅、汽車、列車、飛機(jī)座艙等領(lǐng)域[2-5]，對于載人航天器密封艙的熱舒適性研究不多。2003年，我國第一位航天員搭乘“神舟”飛船進(jìn)入太空，科研人員以“神舟”載人飛船為目標(biāo)開展了載人飛船熱舒適性評價研究[6]；而航天員在軌中長期駐留時的生活、工作場所主要為空間實驗室或空間站。因此，本文以“天宮二號”空間實驗室為對象，采用PMV指標(biāo)對密封艙的熱舒適性進(jìn)行評價。

1 熱舒適性評價方法

1984年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)Fanger教授的研究成果，制定了ISO7730標(biāo)準(zhǔn)，采用PMV指標(biāo)評價人體舒適感。PMV指標(biāo)建立在人體熱平衡方程的基礎(chǔ)上——人體為了維持正常的體溫，需使產(chǎn)熱和散熱保持平衡，人體的產(chǎn)熱主要為新陳代謝過程中產(chǎn)生的熱量，人體的散熱則以對外做功、對流、輻射和蒸發(fā)方式進(jìn)行。

人體的熱平衡方程可表示為

式中：M為人體能量代謝率，取決于活動量的大小，W/m2；W為人體對外所做的機(jī)械功，W/m2；C為人體外表面通過對流形式向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量，W/m2；R為人體外表面通過輻射形式向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量，W/m2；E為汗液蒸發(fā)和呼出的水蒸氣所帶走的熱量，W/m2；L為人體熱負(fù)荷率，W/m2，當(dāng)L=0時人體感覺最舒服，當(dāng)L＞0時人體感覺偏熱，當(dāng)L＜0時則會感覺偏涼。

對于航天員在軌工作和生活，W一般按照0考慮。

人體外表面向周圍空氣的對流換熱量為

式中：fcl為著衣體表面積與裸體表面積之比；hc為衣服與空氣之間的表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tcl為衣服外表面溫度，℃；T為環(huán)境空氣溫度，℃。

其中：當(dāng)Icl≥0.078 m2·K/W 時，

當(dāng)Icl＜0.078 m2·K/W 時，

當(dāng) 2.38(Tcl-T)0.25≥12.1u0.5時，

當(dāng) 2.38(Tcl-T)0.25＜12.1u0.5時，

式 (3)～(7)中：Icl為衣服熱阻，m2·K/W，常用 clo 表示，1 clo=0.155 m2·K/W；u為空氣流速，m/s。

人體外表面向周圍環(huán)境的輻射散熱量為

其中Tr為周圍環(huán)境平均溫度，℃。

人體蒸發(fā)散熱量為

式中Pa為水蒸氣分壓，kPa，

其中φ為空氣相對濕度。

當(dāng)L=0時，M-W=R+C+E。為表征人體熱負(fù)荷率不為0情況下的人體熱舒適感，F(xiàn)anger教授通過試驗得出人體感覺與熱負(fù)荷率之間關(guān)系的回歸公式：

PMV以7級熱感覺標(biāo)尺作為熱舒適性指標(biāo)，如表1[1]所示。

表1 PMV 熱感覺標(biāo)尺Table 1 The scaling of thermal comfort by PMV

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在ISO7730中規(guī)定，熱環(huán)境的舒適標(biāo)準(zhǔn)為：-0.5＜PMV＜0.5；我國學(xué)者認(rèn)為此標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求過高，實現(xiàn)起來難度較大，一般認(rèn)為可接受的舒適環(huán)境PMV指標(biāo)為：-1＜PMV＜1。

2 “天宮二號”熱舒適性評價

“天宮二號”與“神舟十一號”交會對接形成組合體后，航天員在30天的駐留期內(nèi)大部分時間工作、生活在“天宮二號”內(nèi)。

圖1為“天宮二號”在軌飛行期間密封艙內(nèi)空氣溫度和濕度變化曲線，其中空氣相對濕度數(shù)據(jù)跳變時刻為航天員從“神舟十一號”載人飛船進(jìn)入“天宮二號”，在此之前“天宮二號”為無人狀態(tài)。

圖1 “天宮二號”密封艙內(nèi)空氣溫度和相對濕度隨時間變化曲線Fig.1 Variations of air temperature and humidity in the airtight cabin of Tiangong-2 space lab

由圖1可知，在組合體飛行過程中，密封艙空氣溫度比較穩(wěn)定，變化在 ±3℃范圍內(nèi)，波動較??；空氣濕度大部分時間內(nèi)也是比較穩(wěn)定的，大約為34%，受航天員在軌運動出汗影響，某些時刻下空氣濕度會增大，最大達(dá)到43%，航天員運動結(jié)束后，在流體回路除濕作用下，密封艙內(nèi)空氣濕度逐漸恢復(fù)正常。

因此，熱舒適性計算時分別考慮航天員在密封艙內(nèi)正常工作和劇烈運動2種情況，計算中使用的參數(shù)如表2所示。

表2 “天宮二號”密封艙熱舒適性計算參數(shù)Table 2 Parameters for thermal comfort calculation of Tiangong-2's airtight cabin

根據(jù)表2中參數(shù)，計算得到航天員在“天宮二號”密封艙內(nèi)正常工作情況下PMV= -0.19，體感屬于比較舒適；航天員在跑步時的PMV=1.9，體感比較暖和。計算結(jié)果與航天員實際感受吻合。

由圖1可知，在航天員運動結(jié)束后，密封艙內(nèi)空氣濕度逐漸恢復(fù)正常，大部分時間內(nèi)密封艙環(huán)境相對穩(wěn)定，密封艙熱舒適性屬于比較舒適。因此可以認(rèn)為，在采取泡沫和多層包覆、艙內(nèi)流體回路和通風(fēng)散熱熱控設(shè)計后，“天宮二號”密封艙給航天員提供了舒適穩(wěn)定的駐留場所。

3 與載人飛船熱舒適性比對

在“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船組合體期間，“天宮二號”與載人飛船是相通的，航天員根據(jù)需要會回到飛船軌道艙和返回艙，因此對載人飛船熱舒適性也進(jìn)行了計算，計算使用的參數(shù)如表3所示。

表3 “神舟十一號”載人飛船密封艙熱舒適性計算參數(shù)Table 3 Parameters for thermal comfort calculation of Shenzhou-11's airtight cabin

根據(jù)表3中參數(shù)計算得到飛船軌道艙內(nèi)PMV=-0.35，屬于比較舒適的感覺，但比“天宮二號”密封艙熱舒適性略差；返回艙內(nèi)PMV= -1.23，屬于比較涼的感覺。于新剛等[6]對以往載人飛船返回艙熱舒適性計算結(jié)果為PMV= -1.62，與本文計算結(jié)果基本一致。本文對“神舟十一號”載人飛船返回艙計算時所用的空氣溫度和周圍環(huán)境溫度參數(shù)均比參考文獻(xiàn)[6]的計算參數(shù)略高，因此計算得到的返回艙PMV值略高。此外，在軌飛行期間，3名航天員均在“天宮二號”睡眠休息，不在飛船軌道艙內(nèi)休息，其中2名航天員在“天宮二號”密封艙2個睡眠區(qū)睡覺休息，另外1名航天員在“天宮二號”密封艙過道睡眠休息，且航天員在飛船返回艙值守期間常有蜷縮、搓手等表現(xiàn)，而在“天宮二號”鮮有此類表現(xiàn)，證明“天宮二號”的熱舒適性更優(yōu)。

組合體期間，載人飛船大部分設(shè)備處于斷電?？繝顟B(tài)，其熱耗小、溫度相對較低，導(dǎo)致熱舒適性較“天宮二號”差。由于載人飛船軌道艙采取了包覆多層和泡沫隔熱設(shè)計，所以軌道艙熱舒適性與“天宮二號”接近；但返回艙外表面的防熱層直接暴露在外太空，漏熱較嚴(yán)重，故返回艙無論是空氣溫度還是艙壁溫度均較低，從而熱舒適性略差。

4 與“天宮一號”熱舒適性比對

“天宮二號”密封艙在結(jié)構(gòu)、布局、熱耗等方面與“天宮一號”基本一致，主要差別在于熱控工作模式：在“天宮一號”與“神舟九號”載人飛船組合體飛行前期，熱控流體回路控溫8℃；飛行后期因載人飛船返回艙發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，“天宮一號”流體回路控溫由8℃調(diào)整為2℃，進(jìn)行深冷除濕，達(dá)到了良好效果。之后的“天宮一號”與“神舟十號”載人飛船組合體以及“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船組合體均繼承了“天宮一號”與“神舟九號”載人飛船組合體飛行后期的熱控工作模式，模式的變化對密封艙內(nèi)空氣溫度和濕度有一定影響。

為獲得更多載人航天器密封艙在軌熱舒適性數(shù)據(jù)，同時分析熱控工作模式變化是否對“天宮”密封艙熱舒適性產(chǎn)生影響，對“天宮一號”熱舒適性也進(jìn)行了計算，計算參數(shù)的選取如表4所示。根據(jù)表4參數(shù)計算，得到在組合體飛行前期密封艙PMV=0.06，在組合體飛行后期密封艙PMV= -0.3。

表4 “天宮一號”密封艙熱舒適性計算參數(shù)Table 4 Parameters for thermal comfort calculation of Tiangong-1's airtight cabin

由計算結(jié)果可知，在組合體飛行前期，由于熱控流體回路控溫較高，密封艙溫度較高，熱舒適性較好；在組合體飛行后期，熱控流體回路控溫點調(diào)低后，密封艙溫度和濕度都有所下降，熱舒適感略下降。由于結(jié)構(gòu)布局條件、熱控設(shè)計方案以及熱控工作模式基本一致，“天宮二號”與“天宮一號”組合體飛行后期的熱舒適感基本相同。在熱控工作模式變化后，流體回路控溫降低，導(dǎo)致密封艙被帶走更多熱量，溫度降低，熱舒適感下降，因此，為保持相對穩(wěn)定的舒適環(huán)境，在流體回路控溫降低后，需要注意適當(dāng)提高空氣控溫值，升高空氣溫度。

5 空氣溫度、濕度和艙壁溫度對熱舒適性的影響

由PMV的定義可知，影響PMV值的有人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、空氣濕度、周圍環(huán)境溫度（對載人航天器密封艙而言，周圍環(huán)境溫度即艙壁溫度）及空氣流動速度。航天員在軌期間，除了運動時間外，人體活動產(chǎn)熱量和衣服熱阻可認(rèn)為變化不大；載人航天器設(shè)計完成后，密封艙內(nèi)空氣流場基本就已確定，并且可調(diào)性較小，只具備局部調(diào)整能力；艙內(nèi)空氣溫度、空氣濕度和艙內(nèi)壁溫度可通過流體回路控溫和空氣電加熱方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)范圍較大。因此，在考慮載人航天器密封艙熱舒適性評價時主要考慮空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度的影響。

以“天宮二號”密封艙為研究對象，分別分析空氣溫度、空氣濕度和密封艙內(nèi)艙壁溫度對航天員熱舒適感覺的影響，計算空氣溫度、濕度、艙壁溫度某一參數(shù)對PMV值的影響時，保持其余參數(shù)不變。

圖2、圖3和圖4分別給出了不同空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度下的密封艙PMV值。可以看出空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度對PMV值的影響基本是線性的：空氣溫度每增加1℃，PMV值增加0.15；空氣濕度每增加10%，PMV值增加0.07；艙壁溫度每增加1℃，PMV值增加0.11。

圖2 “天宮二號”密封艙PMV值隨空氣溫度變化Fig.2 Variations of PMV value vs.air temperature of Tiangong-2's airtight cabin

圖3 “天宮二號”密封艙PMV值隨空氣相對濕度變化Fig.3 Variations of PMV value vs.relative air humidity of Tiangong-2's airtight cabin

圖4 “天宮二號”密封艙PMV值隨艙壁溫度變化Fig.4 Variations of PMV value vs.wall temperature of Tiangong-2's airtight cabin

由第1章的公式推導(dǎo)可知，在保持其余參數(shù)不變的情況下，PMV值與T、Pa是線性相關(guān)的，即與空氣溫度、濕度線性相關(guān)。另，PMV值與(Tcl4-Tr4)是線性相關(guān)的，而(Tcl4-Tr4)可表示為(Tcl2+Tr2)(Tcl+Tr)(Tcl-Tr)；在保持Tcl不變，Tr在 19～26℃ 小區(qū)間變化范圍內(nèi)時，可認(rèn)為(Tcl2+Tr2)(Tcl+Tr)是常數(shù)，從而PMV值與Tr基本線性相關(guān)，即與艙壁溫度基本線性相關(guān)?？梢娪嬎憬Y(jié)果與理論分析相符。

由計算結(jié)果可知，空氣溫度對增加PMV值效果最明顯，艙壁溫度效果次之，空氣濕度效果最不明顯。因此，載人航天器在軌飛行時，若根據(jù)航天員熱舒適感受需進(jìn)行PMV值調(diào)整時，調(diào)節(jié)空氣溫度是最直接快速有效的方法；艙壁溫度調(diào)整需要耗費較大的資源，一般不優(yōu)先推薦；空氣濕度對PMV值的影響相對較不明顯，為防止密封艙內(nèi)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，可以適當(dāng)降低流體回路控溫點進(jìn)行除濕，并通過電加熱方法彌補(bǔ)空氣溫度降低的影響，從而維持密封艙舒適的熱環(huán)境。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)在軌飛行數(shù)據(jù)，對“天宮二號”空間實驗室密封艙熱舒適性進(jìn)行了評價，通過空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度對密封艙熱舒適性的影響分析，認(rèn)為空氣溫度對熱舒適性影響最為明顯，是調(diào)節(jié)熱舒適性的首選參數(shù)。

同時，與“天宮一號”橫向比較的結(jié)果表明，“天宮二號”與“天宮一號”密封艙熱舒適性的一致性較好。經(jīng)“天宮二號”飛行任務(wù)，再一次驗證了密封熱控設(shè)計、工藝和實施的可重復(fù)性，積累了航天器密封艙熱設(shè)計研制經(jīng)驗，對后續(xù)空間站、載人登月等航天器密封艙熱舒適度的設(shè)計具有借鑒意義。