某空间模拟舱配套气源供应系统设计

李阳

摘  要：空间模拟舱可以有效的模拟高空、海洋、宇宙空间等多种空间环境，从而为科研生产提供便利条件。目前在航空航天器开发试验，深海探测器检测试验，特种材料性能试验等领域，空间模拟舱都得到了广泛应用。而空间模拟舱高效运行的关键在于，合理配置气源供应系统。文章立足实际，以现实案例讨论如何为空间模拟舱配套气源供应系统。

关键词：空间模拟舱;气源供应系统;压力;真空

中图分类号：V216         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）34-0080-02

Abstract： The space chamber can effectively simulate many kinds of space environment， such as high altitude， ocean， space and so on， so as to provide convenient conditions for scientific research and production. At present， the space chamber has been widely used in the fields of aerospace development test， deep-sea detector detection test， special material performance test and so on. The key to the efficient operation of the space chamber lies in the rational allocation of the air supply system. Based on the reality， this paper discusses how to match the air supply system for the space chamber with a real case.

Keywords： space chamber; air supply system; pressure; vacuum

引言

某空间模拟舱，为模拟高空环境需要提供如下气源供应系统作为动力配套（见表1）。

分析上述需求指标，此气源供应系统主要包括2个子系统：压缩空气供应子系统、真空供应子系统。为了满足空间模拟舱的需求，保证气源供应品质，气源供应系统中所有的压缩空气管道、真空管道、阀门等均采用304不锈钢材质。

1 气源供应系统原理设计

1.1 压缩空气供应子系统

由空气压缩机、储气罐、压缩空气后处理设备，压力管路及阀门、附件所组成。

空气压缩机吸取大气中的空气，并对空气进行压缩加压至使用压力并通过管路输送至储气罐，在储气罐中得到稳压后，然后进入压缩空气后处理设备。压缩空气在后处理设备中经过粗过滤和精密过滤两级过滤，分离出压缩空气中的杂质与水分，从而得到满足空间模拟舱的压缩空气，最终满足试验需求的压缩空气通过压力管道输送至模拟舱用气点。

1.2 真空供应子系统：由真空泵，真空管路，排气管路组成

真空泵工作时，空间模拟舱中的空气通过真空管道不断地被真空泵吸取，从而在空間模拟舱中达到模拟舱要求的真空度环境条件。而被真空泵吸出空气，再通过排气管道排至室外大气，完成抽真空工作。

2 气源供应系统参数设计计算

2.1 压缩空气供应子系统设计计算

根据空间模拟舱任务需求，压缩空气实际工作时流量分布相对不均匀，大流量的运行时间较短，2500kg/h流量运行时间约30min，其余流量主要在1800kg/h左右。

据此，确定以下较优设计思路：空气压缩机设备的选择，满足于空间模拟舱连续用压缩空气试验流量需求;在大流量试验时，采用储气罐储气调节的方式，进而满足短期大流量试验的需要。因此储气罐储气压力与试验用气压力之间应有相应的压力差进行储能，为了节约能源与安全的综合考虑，储气罐储气压力宜维持在3.5MPa-4.0MPa之间。综上所述，确定储气罐及空气压缩机的压力为4.0MPa。

2.1.1 空气压缩机设备流量计算

供气质量流量Q=K×Q1

Q=（Q1×1.2）=1800kg/h×1.2=2160kg/h

其中：K-为考虑泄露及温湿度变化的富裕系数，取1.2;Q1-为产品试验实际使用压缩空气质量流量，kg/h。

供气体积流量（标况）Q1=Q/ρ=1675m3/h

其中：ρ-为标况下空气密度1.29kg/m3

2.1.2 储气罐容积计算

根据实际运行要求核算储气罐容积。储气罐与压缩机配合供气应能满足2500kg/h的流量30min的供气需求。压力要求控制在2.7MPa以上。

利用质量守恒进行流量核算：

30m3/min×1.2kg/m3×（30-5）min+V？籽1-V？籽2？芏2500kg/h×30min÷60min/h

其中：？籽1-3.5MPa空气密度为42.10kg/m3;？籽2-2.7MPa空气密度为32.74kg/m3，5min-压缩机设备的启动反映时间。

V？芏37.4m3

因此储气罐容积大于37.4m3，可选择V=40m3

2.1.3 供气管径计算

计算公式：di=18.8=18.8=92mm

管径选择Φ108×4.5mm不锈钢管材质

式中，di-管道内径，mm;Q0-工作状态的空气体积流量（以最大流量3000kg/h进行换算，压缩空气在3.5MPa时密度为42.1kg/m3），m3/h;v-工作状态下，压缩空气的管内流速（压缩空气3.5MPa时;取3m/s）m/s

2.2 真空供应子系统设计计算

空间模拟舱模拟0到1.8万米大气环境，任意高度下都是工况点。随着模拟高度的变化，真空度不断变化，因此真空泵抽速的变化是一个连续的过程，计算的间隔越小，获得的抽速越接近实际数据。但如果计算的间隔太小，计算的数据量又过于庞大。这里我们以每1千米的高度差作为一个计算点。每一个计算点的计算原理是完全一样的——即需要的抽速是由两部分组成的，一个是舱体入口补入实验舱的空气量膨胀到对应的压力下形成的静态真空抽速，一个是为了满足垂直高度的变化需要的动态真空抽速。我们仅就1万米这个数据点作为一个例子，介绍一下抽速是如何计算出来的。

静态真空抽速：

S1=大气压×（补气量/空气密度）/1万米下空气压力

S1=101，300*（1000/1.293）/26，419=2，965m3/h

当模拟垂直上升过程时，真空泵除了能满足上述静态的抽速需求外，还需要有额外的真空抽速，在一个规定的时间内，不但要将补入舱体的空气抽走，同时还能将空间模拟舱的压力抽得更低。这个规定的时间就是飞行器从9千米按照规定的速度升高到1万米的时间t。因为飞行器的垂直上升速度是200m/s，所以，t=（10，000-9，000）/200=5s。在这里，为了简化计算，我们假定从9千米到1万米的高度范围内，1000kg/h的补气量膨胀后需要的真空抽速是一样的（实际上是随着高度的上升，这个数字是逐渐增大的），这样，计算简化为5s内、将一个19.3m3的容器的压力从30725Pa（9千米下空气压力）抽到26419Pa（1万米下空气压力），需要多大的泵的问题。

根据真空抽气时间公式：t=V/S*Ln（P初/P末）

动态真空抽速：S2=（19.3/5）*Ln（30725/26419）=2098m3/h

所以，1万米下需要的总抽速是S=S1+S2=2965+2098=5063m3/h

根据上述方法依次计算不同高度下需要的真空总抽速，并列工况参数表2。

3 气源供应系统设备选型

3.1 压缩空气供应子系统设备选型

3.1.1 空气压缩机选择：选用一台中压空气压缩机，流量1800m3/h，额定压力4.0MPa。

3.1.2 储气罐选择：两台中压储气罐，单台容积20m3，设计压力4.5Mpa

3.1.3 压缩空气后处理设备：一套过滤器流量2700m3/min，设计压力4.5MPa，過滤精度达到1？滋。

3.2 气源站真空供应子系统设备选型

真空泵的选型需要根据已计算完成的工况参数表，对照备选的真空泵性能曲线进行选择，应使真空泵所有性能参数均满足工况参数表之要求并留出20%抽速余量。由于本空间实验舱的工况参数抽速要求较高，一台真空泵无法满足，故选用两台真空泵并联方式。综上所述选用2台GHS5400真空泵。

参考文献：

[1]林恬，等.真空实验舱数字式压力控制系统设计与验证[J].航天器工程，2011（2）：102-106.

[2]张昱，等.容积室压力的无模型自适应控制研究[J].计算机工程与应用，2008（36）：206-208.

[3]徐伟，等.高空舱真空度动态模拟系统研究[J].真空，2017（5）：22-26.