“天宫二号”空间实验室密封舱热舒适性评价

陈 灵，赵 亮，金 宇，刘炳清，曹剑峰，满广龙

（北京空间飞行器总体设计部 空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094）

0 引言

“天宫二号”是我国第一个真正意义上的空间实验室，于2016年9月发射入轨，是实现航天员在轨中期驻留的场所。2016年10月，“天宫二号”与“神舟十一号”交会对接形成组合体期间，航天员在“天宫二号”密封舱上工作和生活了30天，为我国历次载人航天飞行任务驻留时间之最。对于载人航天器密封舱而言，除了保证舱体结构、设备仪器的温度处在合适范围以内，还需要为航天员提供舒适的工作、生活场所，尤其对于中长期驻留，这一点更为重要。所谓舒适的环境主要指密封舱内的空气温度和湿度控制在合适范围内。目前我国载人航天器密封舱主要通过流体回路和电加热方式进行温湿度控制。

环境是否舒适需通过热舒适性指标来衡量。热舒适性是人体对于周围环境所做的主观满意度评价。人们对于热舒适性的认识和评价是不断发展的。目前最流行的热舒适性评价方法是采用Fanger教授提出的PMV（predicted mean vote）指标[1]，综合考虑人体活动程度、衣服热阻、空气温度、空气湿度、周围环境平均温度及空气流动速度等6个因素。

国内对于热舒适性评价的研究主要集中于住宅、汽车、列车、飞机座舱等领域[2-5]，对于载人航天器密封舱的热舒适性研究不多。2003年，我国第一位航天员搭乘“神舟”飞船进入太空，科研人员以“神舟”载人飞船为目标开展了载人飞船热舒适性评价研究[6]；而航天员在轨中长期驻留时的生活、工作场所主要为空间实验室或空间站。因此，本文以“天宫二号”空间实验室为对象，采用PMV指标对密封舱的热舒适性进行评价。

1 热舒适性评价方法

1984年，国际标准化组织根据Fanger教授的研究成果，制定了ISO7730标准，采用PMV指标评价人体舒适感。PMV指标建立在人体热平衡方程的基础上——人体为了维持正常的体温，需使产热和散热保持平衡，人体的产热主要为新陈代谢过程中产生的热量，人体的散热则以对外做功、对流、辐射和蒸发方式进行。

人体的热平衡方程可表示为

式中：M为人体能量代谢率，取决于活动量的大小，W/m2；W为人体对外所做的机械功，W/m2；C为人体外表面通过对流形式向周围环境散发的热量，W/m2；R为人体外表面通过辐射形式向周围环境散发的热量，W/m2；E为汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量，W/m2；L为人体热负荷率，W/m2，当L=0时人体感觉最舒服，当L＞0时人体感觉偏热，当L＜0时则会感觉偏凉。

对于航天员在轨工作和生活，W一般按照0考虑。

人体外表面向周围空气的对流换热量为

式中：fcl为着衣体表面积与裸体表面积之比；hc为衣服与空气之间的表面换热系数，W/(m2·K)；Tcl为衣服外表面温度，℃；T为环境空气温度，℃。

其中：当Icl≥0.078 m2·K/W 时，

当Icl＜0.078 m2·K/W 时，

当 2.38(Tcl-T)0.25≥12.1u0.5时，

当 2.38(Tcl-T)0.25＜12.1u0.5时，

式 (3)～(7)中：Icl为衣服热阻，m2·K/W，常用 clo 表示，1 clo=0.155 m2·K/W；u为空气流速，m/s。

人体外表面向周围环境的辐射散热量为

其中Tr为周围环境平均温度，℃。

人体蒸发散热量为

式中Pa为水蒸气分压，kPa，

其中φ为空气相对湿度。

当L=0时，M-W=R+C+E。为表征人体热负荷率不为0情况下的人体热舒适感，Fanger教授通过试验得出人体感觉与热负荷率之间关系的回归公式：

PMV以7级热感觉标尺作为热舒适性指标，如表1[1]所示。

表1 PMV 热感觉标尺Table 1 The scaling of thermal comfort by PMV

国际标准化组织在ISO7730中规定，热环境的舒适标准为：-0.5＜PMV＜0.5；我国学者认为此标准指标要求过高，实现起来难度较大，一般认为可接受的舒适环境PMV指标为：-1＜PMV＜1。

2 “天宫二号”热舒适性评价

“天宫二号”与“神舟十一号”交会对接形成组合体后，航天员在30天的驻留期内大部分时间工作、生活在“天宫二号”内。

图1为“天宫二号”在轨飞行期间密封舱内空气温度和湿度变化曲线，其中空气相对湿度数据跳变时刻为航天员从“神舟十一号”载人飞船进入“天宫二号”，在此之前“天宫二号”为无人状态。

图1 “天宫二号”密封舱内空气温度和相对湿度随时间变化曲线Fig.1 Variations of air temperature and humidity in the airtight cabin of Tiangong-2 space lab

由图1可知，在组合体飞行过程中，密封舱空气温度比较稳定，变化在 ±3℃范围内，波动较小；空气湿度大部分时间内也是比较稳定的，大约为34%，受航天员在轨运动出汗影响，某些时刻下空气湿度会增大，最大达到43%，航天员运动结束后，在流体回路除湿作用下，密封舱内空气湿度逐渐恢复正常。

因此，热舒适性计算时分别考虑航天员在密封舱内正常工作和剧烈运动2种情况，计算中使用的参数如表2所示。

表2 “天宫二号”密封舱热舒适性计算参数Table 2 Parameters for thermal comfort calculation of Tiangong-2's airtight cabin

根据表2中参数，计算得到航天员在“天宫二号”密封舱内正常工作情况下PMV= -0.19，体感属于比较舒适；航天员在跑步时的PMV=1.9，体感比较暖和。计算结果与航天员实际感受吻合。

由图1可知，在航天员运动结束后，密封舱内空气湿度逐渐恢复正常，大部分时间内密封舱环境相对稳定，密封舱热舒适性属于比较舒适。因此可以认为，在采取泡沫和多层包覆、舱内流体回路和通风散热热控设计后，“天宫二号”密封舱给航天员提供了舒适稳定的驻留场所。

3 与载人飞船热舒适性比对

在“天宫二号”与“神舟十一号”载人飞船组合体期间，“天宫二号”与载人飞船是相通的，航天员根据需要会回到飞船轨道舱和返回舱，因此对载人飞船热舒适性也进行了计算，计算使用的参数如表3所示。

表3 “神舟十一号”载人飞船密封舱热舒适性计算参数Table 3 Parameters for thermal comfort calculation of Shenzhou-11's airtight cabin

根据表3中参数计算得到飞船轨道舱内PMV=-0.35，属于比较舒适的感觉，但比“天宫二号”密封舱热舒适性略差；返回舱内PMV= -1.23，属于比较凉的感觉。于新刚等[6]对以往载人飞船返回舱热舒适性计算结果为PMV= -1.62，与本文计算结果基本一致。本文对“神舟十一号”载人飞船返回舱计算时所用的空气温度和周围环境温度参数均比参考文献[6]的计算参数略高，因此计算得到的返回舱PMV值略高。此外，在轨飞行期间，3名航天员均在“天宫二号”睡眠休息，不在飞船轨道舱内休息，其中2名航天员在“天宫二号”密封舱2个睡眠区睡觉休息，另外1名航天员在“天宫二号”密封舱过道睡眠休息，且航天员在飞船返回舱值守期间常有蜷缩、搓手等表现，而在“天宫二号”鲜有此类表现，证明“天宫二号”的热舒适性更优。

组合体期间，载人飞船大部分设备处于断电停靠状态，其热耗小、温度相对较低，导致热舒适性较“天宫二号”差。由于载人飞船轨道舱采取了包覆多层和泡沫隔热设计，所以轨道舱热舒适性与“天宫二号”接近；但返回舱外表面的防热层直接暴露在外太空，漏热较严重，故返回舱无论是空气温度还是舱壁温度均较低，从而热舒适性略差。

4 与“天宫一号”热舒适性比对

“天宫二号”密封舱在结构、布局、热耗等方面与“天宫一号”基本一致，主要差别在于热控工作模式：在“天宫一号”与“神舟九号”载人飞船组合体飞行前期，热控流体回路控温8℃；飞行后期因载人飞船返回舱发生结露现象，“天宫一号”流体回路控温由8℃调整为2℃，进行深冷除湿，达到了良好效果。之后的“天宫一号”与“神舟十号”载人飞船组合体以及“天宫二号”与“神舟十一号”载人飞船组合体均继承了“天宫一号”与“神舟九号”载人飞船组合体飞行后期的热控工作模式，模式的变化对密封舱内空气温度和湿度有一定影响。

为获得更多载人航天器密封舱在轨热舒适性数据，同时分析热控工作模式变化是否对“天宫”密封舱热舒适性产生影响，对“天宫一号”热舒适性也进行了计算，计算参数的选取如表4所示。根据表4参数计算，得到在组合体飞行前期密封舱PMV=0.06，在组合体飞行后期密封舱PMV= -0.3。

表4 “天宫一号”密封舱热舒适性计算参数Table 4 Parameters for thermal comfort calculation of Tiangong-1's airtight cabin

由计算结果可知，在组合体飞行前期，由于热控流体回路控温较高，密封舱温度较高，热舒适性较好；在组合体飞行后期，热控流体回路控温点调低后，密封舱温度和湿度都有所下降，热舒适感略下降。由于结构布局条件、热控设计方案以及热控工作模式基本一致，“天宫二号”与“天宫一号”组合体飞行后期的热舒适感基本相同。在热控工作模式变化后，流体回路控温降低，导致密封舱被带走更多热量，温度降低，热舒适感下降，因此，为保持相对稳定的舒适环境，在流体回路控温降低后，需要注意适当提高空气控温值，升高空气温度。

5 空气温度、湿度和舱壁温度对热舒适性的影响

由PMV的定义可知，影响PMV值的有人体活动程度、衣服热阻、空气温度、空气湿度、周围环境温度（对载人航天器密封舱而言，周围环境温度即舱壁温度）及空气流动速度。航天员在轨期间，除了运动时间外，人体活动产热量和衣服热阻可认为变化不大；载人航天器设计完成后，密封舱内空气流场基本就已确定，并且可调性较小，只具备局部调整能力；舱内空气温度、空气湿度和舱内壁温度可通过流体回路控温和空气电加热方式进行调节，可调节范围较大。因此，在考虑载人航天器密封舱热舒适性评价时主要考虑空气温度、空气湿度和舱壁温度的影响。

以“天宫二号”密封舱为研究对象，分别分析空气温度、空气湿度和密封舱内舱壁温度对航天员热舒适感觉的影响，计算空气温度、湿度、舱壁温度某一参数对PMV值的影响时，保持其余参数不变。

图2、图3和图4分别给出了不同空气温度、空气湿度和舱壁温度下的密封舱PMV值。可以看出空气温度、空气湿度和舱壁温度对PMV值的影响基本是线性的：空气温度每增加1℃，PMV值增加0.15；空气湿度每增加10%，PMV值增加0.07；舱壁温度每增加1℃，PMV值增加0.11。

图2 “天宫二号”密封舱PMV值随空气温度变化Fig.2 Variations of PMV value vs.air temperature of Tiangong-2's airtight cabin

图3 “天宫二号”密封舱PMV值随空气相对湿度变化Fig.3 Variations of PMV value vs.relative air humidity of Tiangong-2's airtight cabin

图4 “天宫二号”密封舱PMV值随舱壁温度变化Fig.4 Variations of PMV value vs.wall temperature of Tiangong-2's airtight cabin

由第1章的公式推导可知，在保持其余参数不变的情况下，PMV值与T、Pa是线性相关的，即与空气温度、湿度线性相关。另，PMV值与(Tcl4-Tr4)是线性相关的，而(Tcl4-Tr4)可表示为(Tcl2+Tr2)(Tcl+Tr)(Tcl-Tr)；在保持Tcl不变，Tr在 19～26℃ 小区间变化范围内时，可认为(Tcl2+Tr2)(Tcl+Tr)是常数，从而PMV值与Tr基本线性相关，即与舱壁温度基本线性相关。可见计算结果与理论分析相符。

由计算结果可知，空气温度对增加PMV值效果最明显，舱壁温度效果次之，空气湿度效果最不明显。因此，载人航天器在轨飞行时，若根据航天员热舒适感受需进行PMV值调整时，调节空气温度是最直接快速有效的方法；舱壁温度调整需要耗费较大的资源，一般不优先推荐；空气湿度对PMV值的影响相对较不明显，为防止密封舱内发生结露现象，可以适当降低流体回路控温点进行除湿，并通过电加热方法弥补空气温度降低的影响，从而维持密封舱舒适的热环境。

6 结束语

本文根据在轨飞行数据，对“天宫二号”空间实验室密封舱热舒适性进行了评价，通过空气温度、空气湿度和舱壁温度对密封舱热舒适性的影响分析，认为空气温度对热舒适性影响最为明显，是调节热舒适性的首选参数。

同时，与“天宫一号”横向比较的结果表明，“天宫二号”与“天宫一号”密封舱热舒适性的一致性较好。经“天宫二号”飞行任务，再一次验证了密封热控设计、工艺和实施的可重复性，积累了航天器密封舱热设计研制经验，对后续空间站、载人登月等航天器密封舱热舒适度的设计具有借鉴意义。