载人航天器地面通风设备参数研究

吴 军，宣建强，罗 斌

（1.上海宇航系统工程研究所，上海201108；2.上海航天技术研究院，上海201108）

1 引言

与传统卫星的地面总装、测试相比，载人航天器密封舱的地面总装、电测过程存在3个方面特殊需求：

1）载人航天器密封舱对舱内微生物控制有严格要求。致病微生物会导致航天员生病，会腐蚀和降解航天器的各种材料，导致设备故障［1］；

2）载人航天器密封舱热控多采用流体回路方案，在地面电性能测试期间，流体回路无法工作，密封舱内设备的产生的热量，需要及时带出舱外；

3）地面操作工人在相对密闭的密封舱内工作时，需要进行通风，确保空气流通，人体舒适。

因此，载人航天器一般采用地面通风设备对密封舱内的大气环境温度、湿度、通风流场进行控制。载人航天一期、二期工程中研制了类似的地面设备用于密封舱通风散热，但未见系统总结。

本文主要研究地面通风设备在设计时应当考虑的各种设计因素，结合某载人航天器地面通风设备参数过程实例，总结通风设备的设计方法。

2 设计因素

载人航天器地面通风设备的主要设计参数如表1所示：

表1 地面通风设备主要设计参数Table 1 Main parameters of ground ventilation equipment

3 设计流程

3.1 设计条件

3.1.1 厂房条件

载人航天器地面通风设备一般工作在厂房环境中，随航天器一起辗转于各测试厂房，为航天器密封舱提供支持。因此，地面通风设备的工作外部环境即是厂房的内部环境。

表2给出了某载人航天器总装测试过程中典型厂房的环境条件。在确定厂房条件时，应当选取最恶劣的情况作为设计依据，故以厂房A的环境条件来开展设计。

表2 某载人航天器典型厂房环境Table 2 Typical environment of manned spacecraft AIT plant

3.1.2 航天器条件

载人航天的设计输入条件主要包括：1）密封舱构型、容积；2）密封舱内最大热耗水平。

以某载人航天器为例，其密封舱构型如图1所示，容积约103 m3。密封舱前部开有直径800 mm的舱门。按照该密封舱舱内设备开机情况，密封舱内热耗水平0～7 kW，均值约3 kW。

3.2 设计参数分析

3.2.1 通风量确定

一般来说，密封空间内如需保证空气新鲜，则通风量至少应当保证每小时将舱内空气的置换次数在10～15次左右［2］，因此，密封舱的通风量应当≥1545 m3／h。

图1 某载人航天器密封舱构型Fig．1 Layout of pressurized cabin in a manned spacecraft

舱内通风量应当保证密封舱内在不同热耗水平条件下，尽可能的保证密封舱的温度水平均处于比较合适的条件，并且需要保证通风设备的出风口温度处于合理区间。可按以下三步开展设计计算：

1）确定密封舱内空气温度的目标控制值，以人体工作舒适、设备温度耐受水平，选取合理的目标控制值，此处取26℃。

2）根据不同通风量计算在不同密封舱热耗水平下舱内空气的温升情况，计算方法如式（1）：

其中ΔT为舱内空气温升，℃；Q为舱内热耗，W；ρ为空气密度，kg／m3；V 为通风量，m3／h；c为空气比热容，J／（m3·K）。

3）根据温升情况，倒推通风设备出风口温度水平。

4）判断得到的出风口温度水平是否合适。既保证出风口没有结露风险，也要考虑能够降低制冷量／制热量，降低设备的功耗水平。

5）确定通风参数。

以3.1.2节给出的某载人航天器为例，首先确定其最小通风量应当大于 1030 m3／h～1545 m3／h。选取典型通风量值，计算温升水平及出风口温度（此处选取 1500 m3／h、2000 m3／h、2500 m3／h三档）。算得的舱内温升水平及出风口温度需求如表3～表5。

表3 1500 m3／h 情况Table 3 1500 m3／h case

表4 2000 m3／h 情况Table 4 2000 m3／h case

表5 2500 m3／h 情况Table 5 2500 m3／h case

当厂房内空气处于高温高湿状态时（25℃，60%相对湿度），在不同出风口温度下，可由公式（3）、（4）得到出风口的相对湿度如图 2。

图2 出风口相对湿度Fig．2 Relative humidity at outlet

从图中可以看出，若需要保证出风口不结露，至少应当保证出风口温度＞16℃，因此，通风量应当保证＞2000 m3／h。考虑通风量增大会带来风机功率增加，增加设备的功耗及重量，综合权衡，选取通风设备通风量在2000 m3／h。相应确定出风口温度T应当在16℃ ～24.5℃之间。

3.2.2 制冷＼制热量确定

在确定了通风设备的通风量及出风口温度后，应当根据厂房的条件综合判断、确定设备的制冷量与制热量，具体方法如下：

1）取厂房低温低湿、高温高湿2种极端情况作为依据，如式（2）计算设备的极端制冷量与极端制热量：

式中，Qc为制冷量，W；T厂房为厂房空气温度，℃；Tout为出风口空气温度，℃。

2）根据厂房的实际情况权衡确定设备制冷量与制热量。

在本例中，厂房低温低湿极端工况取15℃、30%相对湿度，高温高湿工况取25℃、60%相对湿度。则在通风量2000 m3／h，出风口温度16℃～24.5℃条件下，设备的制冷量或制热量如表6所示。

表6 制冷量与出风温度关系Table 6 Relationship between cooling capacity and outlet air temperature

从表中可以看出，设备的最大制冷量应当在6 kW左右，制热量也应当在6 kW左右。一般来说，空调机组的制冷效率在2左右，意味着设备制冷时的制冷量是设备功率的2倍，设备产生6 kW的制冷量只需要3 kW的功率，但制热6 kW却至少需要消耗6 kW的功率。为了降低设备的整体功率，并且考虑到舱内电测时，舱内有均值3 kW左右的热耗，可利用这部分热量降低对加热功率的需求，可将设备的制冷量选定在6 kW，制热量选择在3 kW。

3.2.3 出风口湿度

从3.2.2节中可以看出，出风口温度范围选择已经考虑了出风口的相对湿度，保证出风口不结露。因此，通风设备的湿度控制功能并不是必须的。在通风设备不具备湿度控制功能的情况下，密封舱内相对湿度仅仅与厂房内的空气温湿度相关，如式（3） ～ （4）［3］。

式中，d为空气中的绝对含湿量，kg；p为标准大气压，Pa；ϕ厂房为厂房空气的相对湿度，%；pT厂房为厂房温度下的饱和蒸汽压，Pa；φ舱内为密封舱空气的相对湿度，%；pT舱内为密封舱温度下的饱和蒸汽压，Pa。假设密封舱地面测试期间，通过调节出风量及出风口温度，将温度恒定在26℃，则密封舱相对湿度与厂房温湿度关系如表7。

表7 密封舱内相对湿度与厂房空气温湿度关系Table 7 Relationship of relative humidity in AIT plant and in the pressurized cabin

从表中可以看出，当厂房环境不同时，密封舱内的环境属于恒温不恒湿的环境。若载人航天器总体分析认为密封舱内湿度不恒定对飞行器测试无影响，则可不对出风口湿度提出要求。

一般来说，密封舱内湿度过低可能会带来静电积累，打火等现象，而且从设备长期地面存储角度，一般也希望密封舱内恒温恒湿。因此，需要对设备提出出风口相对湿度的要求，从而达到控制舱内湿度的目的。若希望将密封舱的恒定在温度26℃，相对湿度50%范围，则出风口的温度湿度的匹配关系可由公式（3）、（4）确定，结果如图3所示。

图3 出风口相对温湿度关系Fig．3 Relationship between relative humidity and temperature at outlet

综上，从工程角度，应当对出风口温湿度提出如下要求：

1）出风口温度15～16℃，出风口相对湿度控制在80%左右；

2）出风口温度17～20℃，出风口相对湿度控制在70%左右；

3）出风口温度21～24℃，出风口相对湿度控制在60%左右。

3.2 设计实例

应用本文提出的方法，针对某载人航天器地面通风设备，设计输入条件如2.1节所述。设计结果如表8中设计参数一列所述。经过与设备生产厂家的详细沟通协调，确定了地面通风设备的主要设计参数如表8。

表8 某航天器地面通风设备主要参数Table 8 Main parameters of ground ventilation equipment for a certain manned spacecraft

4 结束语

本文对载人航天器地面通风设备参数设计的基本方法进行了系统总结，提出了需要考虑的主要因素、设计流程。应用该方法对某载人航天器型号的地面通风设备进行了设计。今后载人航天器研制类似设备时，可以提供参考。由于此类设备可调参数较多，各参数之间相互联系、相互影响，后续可以对此类设备地面的使用方式进行进一步探讨。

参考文献（References）

［1］ 杨宏，侯永青，张兰涛.微生物控制——我国空间站面临的新挑战［J］. 载人航天，2013，19（2）：38-46.Yang Hong， Hou Yongqing， Zhang Lantao.Microbe control——a new challenge faced by Chinese space station［J］.Manned Spaceflight， 2013， 19（2）： 38-46.（in Chinese）

［2］ 孙一坚.简明通风设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996：35.Sun Yijian.Concise handbook of ventilation design［M］.Beijing：China Architecture＆ Building Press.1996：35.（in Chinese）

［3］ 朱明善.工程热力学［M］.第二版.北京：清华大学出版社，2011：304。Zhu Mingshan.Engineering Thermodynamics［M］.2ndEdition.Beijing： Tsinghua University Press， 2011： 304.（in Chinese）