国际空间站舱内空气温湿度控制技术综述

卜珺珺，曹 军，杨晓林

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

0 引言

2011年6月1 日，随着“奋进号”航天飞机执行STS-134任务的结束，历时近13年的国际空间站建设正式竣工。由数十个舱段组成的国际空间站，是人类历史上最大的一个载人空间飞行器。各舱段由16个成员国分工协作完成，其中的环控生保系统（Environmental Control and Life Support System，ECLSS）主要由美国、俄罗斯、欧洲空间局及日本负责研制。

载人航天器舱内空气温湿度控制（Temperature and Humidity Control，THC）子系统是环控生保系统的一个重要分系统，用以确保航天员在舒适的环境中工作和生活[1]。舱内的热源主要来源于设备的产热及人体的代谢热；而湿度主要来源于人的呼吸作用及排汗。据统计，平均每人每天通过呼吸和排汗的方式所排出的水量为1800 g。载人航天器的温湿度控制技术一般采用冷凝除湿的方法实现，称为主动除湿；也有采用活性炭、分子筛吸附方式进行降温除湿，又称为被动除湿[2]。

本文对国际空间站舱内温湿度控制技术进行跟踪研究，并特别分析了美国NASA 近年来研制的新型多孔渗水冷凝干燥器相关技术，在此基础上指出了未来冷凝干燥器（Condensing Heat Exchanger，CHX）的发展方向。

1 国际空间站各舱段温湿度控制子系统

环控生保系统包含多项功能，如气体供给及控制、气体再生、温湿度控制、火灾检测与灭火、水循环再生、废水管理等[3]，NASA 把航天员出舱活动的生命保障支持也纳入环控生保系统范畴[4]。环控生保系统的各项功能由多个子系统分别承担，这些子系统并非孤立的，而是彼此之间存在多重交叉及联系，如图1所示。如温湿度控制子系统有赖于气体供给及控制子系统提供气体才能发挥效用，而前者产生的冷凝水又成为水循环再生子系统的部分来源；火灾检测与灭火子系统的冷却由温湿度控制子系统承担。本文重点介绍国际空间站温湿度控制子系统配置情况及相关技术指标。

图1 温湿度控制子系统与环控生保其他子系统的关系Fig.1 Relationship between THC subsystem and other subsystems of ECLSS

国际空间站每个有人活动的舱内都设有温湿度控制子系统，包括美国研制的4 个密封舱及3 个加压对接适配器，俄罗斯研制的7 个密封舱，欧洲空间局研制的5 个密封舱，以及日本研制的最大密封舱。图2为国际空间站舱内温湿度控制子系统分布。

图2 国际空间站舱内温湿度控制子系统分布 Fig.2 Distribution of THC subsystem in the ISS

1.1 美国各舱段

带有气体温湿度控制子系统的美国舱段包括实验舱，生活舱，气闸舱，节点舱Ⅰ、II[5]，以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号加压对接适配器。各舱的温湿度控制子系统设计指标见表1。

表1 美国舱段温湿度控制子系统设计指标Table 1 Design indices of USOS THC subsystem

1.1.1 硬件构成

舱内空气温湿度控制子系统主要包括3 大模块：共用舱室空调组件（Common Cabin Air Assembly，CCAA），电子设备空调组件（Avionics Air Assembly，AAA）和舱间通风组件（Inter-Module Valve，IMV）。其中共用舱室空调组件（见图3）不但负责舱室除湿降温，而且为温湿度控制提供动力源，为该子系统的核心部件[6]。

图3 共用舱室空调组件Fig.3 Configuration of common cabin air assembly (CCAA)

1）共用舱室空调组件

共用舱室空调组件包括入口可替换单元（Inlet ORU）、冷凝干燥器、旋转气液分离器及电子控制单元。该组件安装在4 个舱内，即实验舱（2 台）、生活舱（1 台）、节点舱II（1 台）及气闸舱（1 台），其余舱的温湿度通过舱间通风组件受其控制。这4个舱热载荷存在差异，它们的性能不尽相同。

本文重点介绍冷凝干燥器及旋转气液分离器。冷凝干燥器为一个四通道的冷却水横向交叉流动的结构，具有33 个空气流通层及34 个冷却层，安装在有褶边的不锈钢框架中。干燥器内部有除湿单元，其表层为波浪状，表层往下为隔板，上、下隔板（为对称结构）之间为吸湿层；吸湿层的表面镀有一层多孔渗水材料，防止液滴在表面形成，内嵌吸管，层间用32 根吸管连接；多孔渗水材料还注入含银的生物除菌剂，以抑制微生物的生长。干燥器边缘为降温层，有冷凝水管道通过，用以降温。冷凝干燥器如图4(a)所示。

旋转气液分离器如图4(b)所示。分离器由旋转鼓室、皮托管、离心风扇、安全阀（安全压力为145 kPa）、截止阀、压力传感器、空气止回阀以及流速传感器组成。皮托管嵌入并固定在环形旋转水环中，旋转离心力迫使冷凝水进入皮托管，穿过截止阀及安全阀，最终注入到液体冷凝管中。空气止回阀用来防止水分离器不工作时空气的回流，安全阀则防止冷凝水的回流，以及控制逆流压。适当的背压可保证冷凝水充满皮托管，但要防止空气溶解于冷凝水中。经过气液分离后的空气（含水量为0～5%）重回舱室，而收集的冷凝水被储存到金属储箱中。

图4 美国舱内的冷凝干燥器和旋转气液分离器Fig.4 CHX and rotary water separator in US modules

工作时，舱室空气经过滤后被入口可替换单元吸入，后经温控止回阀控制流量，一部分空气流经冷凝干燥器进行干燥，冷凝水被吸入到多孔材料的小孔中；其余空气进入与旋转气液分离器相连的管道，由分离器继续进行气液分离，放出的热量通过主动热控回路带走；除湿冷却后的空气与旁路空气在温控止回阀的下游汇合，经出口重回舱室，即完成一次降温除湿过程。控制单元共有6 种指令、8种操作状态，除湿后的空气参数反馈给控制单元，而控制单元给内部计算机软件配置项发出指令并控制组件做出特定动作。

2）电子设备空调组件

电子设备空调组件为火灾检测与灭火子系统提供冷却空气，见图5。

图5 电子设备空调组件Fig.5 Avionics air assembly (AAA)

电子设备空调组件是一个高度集成的袖珍型组件，集成有入出口消音器、烟雾检测器、风扇、电动机、传感器、电子控制单元以及安装支架等。该组件的工作参数为：气流速度18.9～56.6 L/s，冷却水流速45.4～81.7 kg/h，最大除热功率1200 W（指气压在101.3 kPa 时）。

3）舱间通风组件

舱间通风组件包括风机、舱间通风阀、通风管路及高效微粒空气过滤器（HEPA）等[7]。该组件的主要功能是为没有独立配备温湿度控制设备的舱室提供温湿度控制并监测污染。舱间通风组件承担舱室温湿度的保持、氧气的分配，以及二氧化碳、尘埃颗粒、有害微生物的清除等功能，同时还承担空气在整个空间站加压舱间的循环任务。

1.1.2 降温除湿工况

降温除湿共分两个工况：

1）当俄罗斯相应舱段的气体供应未输送到美国实验舱时，由舱室尾部的模块间通风风机工作作为补充；

2）当联合气闸舱对接之后，且没有在联合气闸舱执行出舱活动时，则由舱室右舷部位的模块间通风风机工作作为补充。

1.2 其他国家或机构的舱段

1）俄罗斯舱段

俄罗斯舱段主要有服务舱（SM）、功能货物舱（FGB）及生命支持舱（LSM）。SM 内有2 台冷凝干燥器组件，LSM 内也有2 台。俄罗斯冷凝干燥器见图6(a)。俄罗斯的冷凝干燥器与美国的在结构上有很大差异，但工作原理相同。

2）欧洲空间局舱段

欧洲空间局舱主要有哥伦布实验舱（APM）和多用途后勤舱（MPLM）。APM 具有独立的温湿度控制子系统，MPLM 则通过通风管路由美国实验舱控制。欧洲空间局的冷凝干燥器组件在结构上与美国的相似，除湿原理相同[8-9]，见图6(b)。舱内设有2 台干燥器（并联安装，除湿时，只有一台工作，另一台作备份），干燥器通道表面覆盖亲水材料蒙皮，且可对空气进行除菌处理，吸管将蒙皮通向储水器。两台并联安装的好处除了互为备份之外，还可轮换工作，有利于抑制微生物的生长。

3）日本舱段

日本舱段包含实验舱（JEM）及实验后勤舱（ELM）。其冷凝干燥器及旋转气液分离器的原理与美国的相同，仅封装略有区别，见图6(c)。

图6 其他国家或机构舱段的冷凝干燥器组件Fig.6 CHX assemblies in modules of other countries or agencies

2 关键设备的除湿原理和运行技术分析

纵观国际空间站各舱段的空气温湿度控制技术，无一例外均采用水蒸气遇冷转变为液相从而释放热量的技术原理。废热被主动热控回路工质带走，最终排放到舱外太空。在实现降温除湿过程中涉及两个关键设备：一个是冷凝干燥器，利用它来实现汽水初级分离；另一个是旋转气液分离器，利用它实现汽水二级分离。除此之外，国际空间站温湿度控制子系统还用到多项运行技术，如拓扑组织结构、机柜式安装管理及自动控制等。

2.1 关键设备的除湿原理

1）冷凝干燥器的除湿原理

在冷凝干燥器中，相变后的冷凝水暂时驻留在干燥器的波浪状表层，之后冷凝干燥器的吸湿层开始发挥作用：当形成的液滴被气流吹到微孔时，微孔即利用毛细作用力将液滴引向干燥器内层的储水管，实现了气液的初级分离，为下一步完全分离做好准备。图7所示为冷凝干燥器的内部除湿原理。

图7 美国舱内冷凝干燥器内部除湿原理 Fig.7 CHX’s internal dehumidifying principle of the US THC

2）旋转气液分离器的除湿原理

在太空微重力条件下，气液彻底分离是一大难题。不管是从液态中分离气体，或是从气体中分离出水，都不像在地面重力环境下那样简单。但由于水与空气的比重差异巨大，在受同样大小离心力作用下，液滴被旋转盘甩出而气体停留在旋转腔中部。旋转气液分离器巧妙利用了离心力的作用将二者实现分离，分离出的水进入水循环再生子系统，气体即被降温除湿。

2.2 运行技术

1）拓扑组织结构技术

在结构上，由于多舱段以堆积木的形式对接组织在一起，相邻舱间隔着舱门，通风管路可以穿过舱门从一舱到达另一舱，采用拓扑结构能方便地实现温湿度控制子系统对舱段群的局部控制。如以实验舱为中心，设置冷凝干燥器，用通风管路将相邻的节点舱Ⅰ、Ⅱ与实验舱相连（欧空局多用途后勤舱的温湿度也受实验舱控制）。多舱拓扑结构原理见图8。

图8 多舱拓扑结构原理 Fig.8 Principle of topology structure of multiple modules

拓扑组织结构设计可以避免每个须降温除湿的密封舱都设置共用舱室空调组件，降温除湿时，只需采用将较小的外围舱的湿气送至中央舱，经冷凝干燥器干燥后的气体再被送回原舱的方式即可。实现以共用舱室空调组件为结点的温湿度控制拓扑结构，提高了系统整合性及工作效率。

2）机柜式安装管理技术

与以往航天器不同的是，国际空间站将有效载荷及大部分系统硬件集中安装在载荷机柜中，如电源模块、主动热控模块、数据管理模块及实验载荷模块等。机柜式安装管理理念在环控生保系统中也得到体现，如美国舱内的温湿度控制硬件设备集中安装在实验舱右舷第6 个机柜中，便于集中管理，见图9。

图9 温湿度控制机柜 Fig.9 THC rack

3）自动控制技术

在降温除湿过程中，出口的空气参数由传感器监测，数据反馈给控制单元，控制单元由嵌入软件 程序执行操作：当空气温湿度达不到要求时，控制器自动加大温控阀的开度，使出口空气的温湿度逐渐接近，直至达到预设目标值；当温湿度超出要求时，控制器自动减小温控阀的开度，以维持预设目标值。在整个工作过程中，航天员只需设定目标值，类似于地面空调的温度设置。控制单元根据温湿度需要，利用正比积分控制原理控制温控止回阀的开度来调节气流量。

综上所述的仅是温湿度控制方面的运行管理技术，其实环控生保系统以及其他系统所涉及的运行管理同样重要，为了提高工作效率、节省空间，需综合考虑。

2.3 新型冷凝干燥器

图6中各冷凝干燥器的结构被证明有两个缺点：1）冷凝水在材料表面形成的薄膜影响了热传导；2）由于不能将冷凝水与空气完全分离，必须配置额外的气液分离器。鉴于此，NASA 研制了一种新型冷凝干燥器[10-11]，如图10所示。

图10 一种新型冷凝干燥器及除湿原理 Fig.10 A new type THC and its dehumidifying principle

该冷凝干燥器内部结构分为冷凝基、渗水吸管及冷却管3 部分。冷凝基为具有高导热性的多孔材料，渗水吸管是在冷凝基内嵌多孔陶瓷材料，冷却管为迂回布置于冷凝基中的青铜管。冷凝基上的小孔直径为0.058 mm，比内嵌多孔陶瓷材料上的孔径（0.001 7 mm）大很多，而多孔陶瓷材料的中央多孔吸管管径1.08 mm、长76 mm；冷凝基起泡压力（6.9 kPa）小于多孔陶瓷材料孔壁的起泡压力（101 kPa）。因此，只要控制好牵引时吸入压头的压力，即可达到气液分离的目的。此时气泡只会留在冷凝基中而不会进入到多孔陶瓷材料中，多孔陶瓷材料与牵引设备相连，其中的冷凝水即被牵走。总的来说，冷凝基利用毛细作用力同时实现气 液两级分离。

降温除湿过程可简单描述如下：空气流动至冷凝干燥器表面时，湿气在多孔材料基表层开始凝结成水，多孔材料基表层的小孔将凝结后的水暂时收集起来；当冷凝水逐渐增多而填至小孔靠近中央多孔吸管的一侧时，中央吸管上的毛细管凭借毛细作用力将收集的水吸至中央多孔吸管，多孔吸管中的冷凝水在牵引装置的牵引力下被带走。这种冷凝干燥器的优点在于，可以直接将空气中的气液进行分离，而不需要额外的旋转气液分离器，因此可以在变化的重力条件下使用。该冷凝干燥器在2006年完成了理论及数值模拟研究，计划用于未来航天器上。表2为新型冷凝干燥器与传统冷凝干燥器的比对。

表2 新型冷凝干燥器与传统冷凝干燥器的比较Table 2 Comparison between traditional and new type CHXs

3 结束语

文章对国际空间站的温湿度控制子系统进行了跟踪研究，同时对其关键设备即冷凝干燥器及旋转气液分离器进行了分析。在工程管理上，国际空间站舱段间利用了拓扑组织结构，提高了系统管理整体性及工作效率；硬件安装则采用机柜安装理念，有利于集中管理。值得一提的是，NASA 新近研制的新型多孔渗水冷凝干燥器完全利用毛细作用同时实现了汽水冷凝及气液分离，技术优势明显，是冷凝干燥器未来的一个发展方向。

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