艙外航天服內(nèi)流場及溫度場仿真分析

李金林， 張海榮

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094；2.北京長城華冠汽車科技股份有限公司， 北京 100031）

1 引言

航天員出艙活動（Extravehicular Activity，EVA）是空間站建造和運營管理的重要組成部分，艙外航天服是航天員出艙活動的必要裝備。航天服可為航天員提供有效安全的生命保障環(huán)境，環(huán)境控制是服內(nèi)生命維持和人體舒適性保障的基礎，通過通風回路和液冷回路實現(xiàn)服內(nèi)溫濕度控制和人體代謝散熱，從而使艙外航天服形成一個自循環(huán)的密閉環(huán)境，為航天員創(chuàng)造艙外活動生存和工作的基本條件。

人體舒適性和各部位對溫度敏感度研究表明，航天員出艙活動時手動作業(yè)效率受溫度影響較大，低溫狀態(tài)下航天員手部操作困難，作業(yè)效率較低，在國際空間站出艙活動中，航天員曾因手部過冷而不得不提前返回艙內(nèi)。 人體周圍氣體的流動具有驅(qū)散身體周圍濕熱空氣的降溫效應，當置身于輻射源中時，為使人體的舒適程度保持不變，需要較低的空氣溫度。 艙外航天服外表面設計安裝了多層屏蔽隔熱材料，可使其很大程度上免受太空冷黑背景和太陽輻照影響，但同時也使其無法通過自身輻射散熱。 服內(nèi)航天員的舒適性只能通過內(nèi)部通風循環(huán)等途徑實現(xiàn)，因此航天服內(nèi)的通風及溫度控制十分重要。

目前尚未見公開發(fā)表的有關航天服內(nèi)流場和溫度場仿真分析文獻，而室內(nèi)和汽車流場分布相關的研究較多，李珩等研究了通風服的熱防護性能影響，建立了人體在通風條件下的熱調(diào)節(jié)仿真模型。 本文針對艙外航天服內(nèi)通風流場和溫度場分布，仿真計算航天服內(nèi)氣體流場和溫度云圖，研究結(jié)果可為航天服的空間布局和通風管路設計提供依據(jù)。

2 通風和溫度控制

艙外航天服內(nèi)通風和溫度控制由氣體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、液冷循環(huán)回路系統(tǒng)實現(xiàn)，艙外航天服通風和液冷循環(huán)系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

1）艙外航天服通風循環(huán)系統(tǒng)主要由風機、航天服密閉內(nèi)腔、回風管路和換熱器組成，經(jīng)過風機和換熱器散熱作用，服內(nèi)氣體持續(xù)循環(huán)，見圖1（a）。 除二氧化碳等有害氣體吸收凈化外，通風系統(tǒng)通過散熱設備降溫將服內(nèi)氣體由濕熱轉(zhuǎn)變?yōu)闇貪穸冗m宜的狀態(tài)，排除航天服氣體攜帶的多余熱量和水汽，維持航天服內(nèi)合適的溫濕度環(huán)境，避免濕度過高導致頭盔面窗起霧結(jié)露，滿足航天員操作環(huán)境舒適性和視覺工效要求。

2）航天服液冷循環(huán)系統(tǒng)主要由泵、液冷服、散熱器和循環(huán)管路組成，通過泵和換熱器散熱作用，液冷回路循環(huán)散熱，見圖1（b）。 液冷循環(huán)系統(tǒng)由泵驅(qū)動，航天員穿戴的表面分布微循環(huán)管路的液冷服內(nèi)液體工質(zhì)經(jīng)散熱設備降溫后，循環(huán)回流為人體降溫散熱，排除艙外活動期間人體代謝產(chǎn)生的熱量，保持航天員的舒適體溫。

液冷循環(huán)系統(tǒng)主要為人體排除多余代謝產(chǎn)熱，氣體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)為服內(nèi)氣體環(huán)境散熱除濕，服內(nèi)氣體循環(huán)除熱在艙外航天服整體除熱貢獻中占比平均約為10%，液冷循環(huán)除熱占比約為90%，因此氣體循環(huán)主要保障服內(nèi)環(huán)境的溫濕度舒適性。

Nishi 等研究表明，人體頭宜涼、手腳宜熱，頭部和四肢所在位置輻射熱與氣流應有區(qū)別，相對濕度要適中。 空氣溫度是影響人體熱舒適的主要因素，直接影響人體通過對流及輻射的顯熱交換；在熱環(huán)境中，空氣流動或循環(huán)凈化通風能為人體提供新鮮的空氣，并在一定程度上加快人體的對流散熱和蒸發(fā)散熱，提供冷卻效果，使人體達到熱舒適。 圖1 所示的艙外航天服通風循環(huán)系統(tǒng)遵循了上述設計原則，經(jīng)管路設計實現(xiàn)流量配比和面部通風流場控制，通風和溫控頂層設計可保障航天服內(nèi)環(huán)境維持熱舒適的效果。

圖1 艙外航天服通風和液冷循環(huán)工作原理Fig.1 The principle of EVA spacesuit ventilation and liquid cooling circulation

3 服內(nèi)流場和溫度場仿真計算

艙外航天服內(nèi)氣體溫度要求18 ～28 ℃，一般控制在20～25 ℃，上下肢通風流量理論配比約為3 ∶2，通過集流器前端回風管路流阻設計實現(xiàn)。中國艙外航天服在軌工作壓力約為40 kPa（絕對壓力，下同），本文分析服內(nèi)流場和溫度場時針對低壓和地面常壓2 種狀態(tài)進行。 艙外航天服模型及其管路布局等按照飛天艙外服的技術(shù)狀態(tài)生成，人體數(shù)模選擇身高為175 cm 的標準模型，使用CFD 流體力學分析軟件STAR?CCM+（CD?adapco 公司，英國）仿真求解，航天服內(nèi)流場和溫度場計算過程中，經(jīng)驗證網(wǎng)格尺寸5，10，20 mm和50 mm 的計算結(jié)果基本一致。

3.1 流場仿真計算設置

艙外航天服內(nèi)部空間呈擬人形態(tài)，人體穿入時，身體各部位與航天服內(nèi)表面之間為近均勻分布的空間，空間截面為圓形或類橢圓形環(huán)面，通風過程中氣體沿著環(huán)面法線方向流動。 數(shù)值計算中，人體穿入后的航天服內(nèi)部空間狀態(tài)如圖2 所示，圖中OUT1～OUT4 分別為上下肢4 個回風口，INLET 為3 個面部排氣口的進風口。

艙外航天服內(nèi)部通風管路模型中，左右上肢回風管路（腕部回風口至圖1 所示集流器）長度相同，左右下肢回風管路（腳部回風口至圖1所示集流器）長度相同，上下肢回路管路長度相同，上肢與下肢回風管路數(shù)量比為3 ∶2，各回風管材質(zhì)和管徑相同。 圖2 給出了艙外航天服內(nèi)各通風出入口狀態(tài)，為便于模型仿真計算，將集流器處的接口斷開作為輸出口。 網(wǎng)格尺寸設置為20 mm。

圖2 艙外航天服內(nèi)通風流場分析模型Fig.2 Analysis model of EVA spacesuit ventilation circulation

3.2 溫度場仿真計算設置

在服內(nèi)流場分析基礎上開展溫度場分析，包括常壓和低壓下不同頭部出風氣溫條件下的服內(nèi)氣體溫度場仿真計算，STAR?CCM+開啟能量方程（Segre?gated Fluid Temperature， Cell Quality Remediation），網(wǎng)格尺寸設置為20 mm。 綜合考慮航天服在軌出艙時外部真空環(huán)境及多層隔熱屏蔽層的隔熱保護，數(shù)值計算中將服內(nèi)表面簡化為絕熱狀態(tài)。

3.3 仿真計算條件

1） 服內(nèi)壓力常壓為101.3 kPa，低壓為40 kPa；

2）頭部通風流量常壓狀態(tài)為180 NL／min，低壓狀態(tài)為70 NL／min；

3）人體模型皮膚表面溫度為33 ℃；

4）環(huán)境初始溫度為33 ℃，頭部出風氣溫為20，23，26 ℃三種工況。

4 仿真結(jié)果

4.1 服內(nèi)流場仿真結(jié)果

4.1.1 常壓流場

常壓環(huán)境仿真計算結(jié)果見圖3，結(jié)果表明身體后側(cè)尤其是頭部后側(cè)流線紊亂，頭部流速比身體其他部位高，面部流線流暢，比較符合面部通風散熱需求，可有效保持人體面部舒適性，同時面部前端流暢的流線可有效避免面窗起霧結(jié)露。

圖3 常壓下艙外航天服內(nèi)及頭部流線圖Fig.3 Streamlines of EVA spacesuit and area around head at normal pressure

通過服內(nèi)通風流場速度矢量圖分析，身體后側(cè)及下部流速較低且存在渦流，頭部左側(cè)氣流向前吹，右側(cè)氣流向后吹，頭部右側(cè)較左側(cè)流速高。上下肢流量計算結(jié)果見表1，手部流量約占總流量的60%，腿部流量約占總流量的40%，左右流量基本相等，與艙外航天服回風管路設計吻合。

表1 常壓下服內(nèi)通風流量計算結(jié)果Table 1 Flow rate of ventilation at normal pressure

4.1.2 低壓流場

低壓環(huán)境仿真計算結(jié)果見圖4，結(jié)果表明：身體腹部有渦流（圖4（a）），身體后側(cè)尤其頭部后側(cè)流線紊亂（圖4（d）），頭部流速比其他部位高，面部流線流暢，分布與常壓狀態(tài)基本一致但流線密度減小。 通過服內(nèi)通風流場速度矢量圖（圖4（b））分析，身體后側(cè)及下部流速較低且有渦流，頭部左側(cè)氣流向前吹，右側(cè)氣流向后吹，頭部右側(cè)較左側(cè)流速高。 上下肢流量計算結(jié)果見表2，手部流量約占總流量的60%，腿部流量約占總流量的40%，左右流量基本相等，與艙外航天服回風管路設計吻合。

圖4 低壓下艙外航天服內(nèi)及頭部流線圖Fig.4 Streamlines of EVA spacesuit and area around head at low pressure

表2 低壓下服內(nèi)通風流量計算結(jié)果Table 2 Flow rate of ventilation at low pressure

4.2 服內(nèi)溫度場仿真結(jié)果

4.2.1 常壓溫度場

常壓環(huán)境下，頭部出風氣溫20 ℃時服內(nèi)溫度場計算結(jié)果見圖5，23 ℃，26 ℃工況溫度場分布與20 ℃時相似，但云圖顯示各區(qū)域溫度值隨出風氣溫升高而升高。

圖5 常壓頭部出風氣溫為20 ℃時服內(nèi)溫度云圖Fig.5 Temperature field cloud picture of 20 ℃outlet air temperature at normal pressure

從各工況服內(nèi)溫度云圖看，人體面部附近溫度較低，頭部右側(cè)比左側(cè)溫度低，面部比頭部后側(cè)溫度低，上肢從胳膊至手腕方向溫度逐漸升高，下肢腿部至腳部方向溫度逐漸升高。 對常壓下不同出風溫度與頭部垂直于人體截線（截線經(jīng)過兩眼中間并垂直于面部）的溫度數(shù)值進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖6。 從截線溫度分布看，人體表面附近的氣溫接近皮溫約為33 ℃，距離身體越遠溫度越低；頭部出風氣溫越低，服內(nèi)相同位置處的氣體溫度越低，該現(xiàn)象在遠離身體表面的區(qū)域較為明顯；出風氣溫相同的狀態(tài)下，身體前部區(qū)域整體比后部區(qū)域溫度更低，這與身體前部流線密度及流速更大的仿真結(jié)果吻合。

圖6 常壓下不同出風溫度頭部截線溫度分布Fig.6 Temperature distribution along one cut line of head under different conditions at normal pres?sure

4.2.2 低壓溫度場

低壓環(huán)境下，頭部出風氣溫20 ℃時服內(nèi)溫度場計算結(jié)果見圖7，23 ℃、26 ℃工況溫度場分布情況與20 ℃時相似（服內(nèi)溫度場分布及梯度變化趨勢一致），但云圖顯示各區(qū)域溫度值隨出風氣溫升高而升高。

圖7 低壓頭部出風氣溫為20 ℃時服內(nèi)溫度云圖Fig.7 Temperature field cloud picture of 20 ℃outlet air temperature at low pressure

從各工況服內(nèi)溫度云圖看，低壓環(huán)境下人體周圍溫度場分布與常壓狀態(tài)基本一致，低壓下不同出風氣溫頭部垂直于人體的截線溫度統(tǒng)計結(jié)果見圖8，氣溫在人體表面較接近體溫，隨與身體表面的距離增加逐漸降低。 由于氣體密度及介質(zhì)比熱容減小，出風口溫度相同時，與常壓環(huán)境相比，低壓環(huán)境下的溫度場數(shù)值整體升高。

圖8 低壓下不同出風溫度頭部截線溫度分布Fig.8 Temperature distribution along one cut line of head under different conditions at low pres?sure

5 討論

針對艙外航天服頭部出風、四肢末端回風的設計，流場分析結(jié)果表明服內(nèi)流線整體流暢，面部流線均勻流暢。 航天服正常通風循環(huán)可保障航天員面部及航天服面窗處的風速在常壓下不小于2 m／s、低壓下不小于1 m／s，可有效防止面窗起霧和保持航天員面部通風舒適性。

艙外航天服內(nèi)面部流線流暢，頭部后側(cè)流線紊亂，這與通風管路出風口均設計在面部上方有關。 風管出風后，經(jīng)過航天員面部、頭盔面窗及頭盔內(nèi)不規(guī)則分布安裝的設備后，流線逐漸紊亂。在使用輕質(zhì)細線測試航天服面部流線的實驗中，棉線實際流線方向與仿真結(jié)果一致，流線平穩(wěn)、無紊流波動等情況；地面載人試驗及已完成的空間站出艙活動任務中，著服人員均反饋航天服內(nèi)整體熱環(huán)境舒適，面部通風涼爽、面窗無起霧現(xiàn)象（風機停止工作超過2 min 面窗逐漸出現(xiàn)輕微起霧現(xiàn)象），表明面窗處通風流場滿足設計使用需求。

上下肢風量整體比例為3 ∶2，左右兩側(cè)基本相同，該仿真計算結(jié)果與通風管路設計預期一致。艙外航天服通風系統(tǒng)設計中，頭部吹出涼風，氣體流經(jīng)人體表面和服內(nèi)發(fā)熱設備后，氣體溫度從頭部到四肢末端逐漸升高，艙外航天服載人試驗中腿部和肩部附近氣溫比面部平均氣溫高約3.4 ℃，手部和腳部比面部平均高約4.9 ℃，熱仿真云圖及溫度數(shù)值變化與測試結(jié)果趨勢一致。

各出風溫度工況的仿真結(jié)果表明：通過氣體散熱時，氣體溫度與人體表面的距離成負相關關系，人體表面區(qū)域氣溫接近人體皮溫（本文設置為恒定皮溫33 ℃），遠離人體表面的區(qū)域氣溫相對較低；通風氣體與熱源之間存在溫度梯度，該現(xiàn)象與流動氣體換熱特性相符。 通風散熱能力隨氣壓降低而變?nèi)?，出風口溫度相同的狀態(tài)下，相同區(qū)域的氣體溫度低壓下比常壓下整體偏高，這是由于氣壓降低氣體密度變小所致。

對比通風流場和溫度云圖可知，氣體流量小的區(qū)域和存在渦流的區(qū)域氣體溫度相對較高，流線流暢和流量大的區(qū)域氣體溫度相對較低。 與頭部距離相同的區(qū)域，人體前部區(qū)域氣溫整體低于后部，背包內(nèi)區(qū)域氣溫最高，這與出風口布局在人體面部區(qū)域相關，該設計狀態(tài)人體前部區(qū)域氣流速度和流線整體優(yōu)于其他區(qū)域。 通過仿真計算獲取的溫度場分布和變化梯度與載人試驗中布設的iButton 溫度傳感器數(shù)據(jù)分布趨勢一致（通風溫度20.8 ℃，頸部表貼溫度為31.2 ℃，頸部后方2 cm和5 cm 處的溫度分別為28.0 ℃，26.6 ℃）。

經(jīng)與航天服面窗內(nèi)部流線測試和載人試驗數(shù)據(jù)比對分析，本文仿真計算結(jié)果與艙外航天服試驗數(shù)據(jù)一致性較好，說明設置合適的參數(shù)后，使用STAR?CCM+等CFD 流體力學分析軟件可有效驗證相關設計的合理性和正確性。 與實驗室試驗相比，仿真計算成本低、效率高，可重復迭代優(yōu)化。通過數(shù)值計算可驗證服內(nèi)空間和管路布局及出風回風設計的合理性，經(jīng)過迭代優(yōu)化保障服內(nèi)適宜的通風流場和溫度場，盡量規(guī)避或減少渦流區(qū)域，在有限的空間資源條件下最大限度提升人體整體熱舒適性。

6 結(jié)論

1）利用航天服和人體數(shù)字模型及流體工程仿真軟件，通過數(shù)值仿真計算可有效獲取服內(nèi)流場和溫度場分布狀態(tài)。

2）艙外航天服內(nèi)部流場整體流暢，四肢回風量分配與設計預期一致；頭部風管上的出風口設計合理，面窗處流線平穩(wěn)流暢，流線分布相對均勻。

3）頭部出風溫度最低，沿著身體及四肢回風方向氣體溫度逐漸升高，背包內(nèi)部相對遠離主通風區(qū)域及有渦流的部位氣溫相對較高，溫度場分布與流場分布相關。