多艙段載人航天器CO2去除系統(tǒng)性能仿真分析

靳 健 侯永青

(中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京100094)

執(zhí)行中長(zhǎng)期乘員駐留任務(wù)的載人航天器通常是由多艙段在軌組裝形成的組合體，如和平號(hào)空間站、國(guó)際空間站.我國(guó)的目標(biāo)飛行器在軌期間也通過(guò)交會(huì)對(duì)接與載人飛船形成兩艙組合體.載人航天任務(wù)過(guò)程中，為了保障航天員的生命安全和工作效率，必須在乘員駐留期間嚴(yán)格控制密封艙內(nèi)的CO2分壓水平.由于各艙段密封艙通過(guò)艙門彼此連通，參考國(guó)外型號(hào)和我國(guó)載人航天器型號(hào)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，組合體密封艙CO2分壓通常由1個(gè)或若干個(gè)艙段的空氣環(huán)境控制系統(tǒng)利用艙間通風(fēng)進(jìn)行集中控制［1-11］.

目前CO2去除系統(tǒng)性能分析方式通常是建立密封艙CFD仿真分析模型［12-15］，分析密封艙內(nèi)的CO2分壓參數(shù)，這種設(shè)計(jì)方法側(cè)重點(diǎn)在流場(chǎng)分析而不是系統(tǒng)性能分析，存在如下不足:

1)難以對(duì)流場(chǎng)參數(shù)外的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，且容易割裂各個(gè)參數(shù)間的相互影響;

2)艙段通常需要建立三維計(jì)算模型，由于艙段眾多，幾何模型建立和網(wǎng)格劃分工作量巨大;

3)為進(jìn)行眾多的參數(shù)分析，需計(jì)算多個(gè)工況，而每個(gè)工況計(jì)算均需花費(fèi)較多工時(shí)，總計(jì)算周期較長(zhǎng);

4)適合進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算較為不便.

本文針對(duì)某三艙載人航天器組合體，利用參數(shù)、代數(shù)方程、微分方程對(duì)空氣環(huán)境控制系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵部件的性能進(jìn)行了描述，從而形成各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，利用這些部件的數(shù)學(xué)模型搭建了載人航天器組合體CO2去除系統(tǒng)性能仿真分析模型，分析了乘員位置、乘員人數(shù)、艙間通風(fēng)量、去除系統(tǒng)流量對(duì)各艙CO2分壓水平的影響.

1 CO2去除系統(tǒng)組成說(shuō)明

本文的研究對(duì)象是一個(gè)由艙Ⅰ、艙Ⅱ和艙Ⅲ組裝形成的三艙段組合體，組合體密封艙CO2分壓由艙Ⅰ利用艙間通風(fēng)進(jìn)行集中控制，綜合參考國(guó)際空間站指標(biāo)要求［8］和我國(guó)某在軌載人航天器型號(hào)，確定密封艙CO2分壓不高于700Pa，短時(shí)間內(nèi)CO2分壓上限可以達(dá)到1000Pa.模型具體組成如下:

1)艙體.艙Ⅰ、艙Ⅱ和艙Ⅲ密封艙容積均為80 m3，三艙采用“一”字型組合體.

2)乘員.額定乘員3人，輪換期間乘員達(dá)到6人，假定各個(gè)乘員代謝參數(shù)一致，參考我國(guó)前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單個(gè)乘員的 CO2產(chǎn)出速率為0.0417 kg/h.

3)CO2去除裝置.參考我國(guó)前期載人航天器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，艙Ⅰ配備非再生式LiOH凈化罐和風(fēng)機(jī)組件，風(fēng)機(jī)組件從人區(qū)抽取空氣進(jìn)入凈化罐去除CO2，空氣流量可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，艙Ⅱ和艙Ⅲ不配備CO2凈化系統(tǒng).

4)艙間通風(fēng)系統(tǒng).在艙Ⅰ配備艙間通風(fēng)風(fēng)機(jī)和通風(fēng)軟管，利用通風(fēng)軟管將艙Ⅱ的空氣抽至艙Ⅰ，艙Ⅰ空氣通過(guò)對(duì)接通道回風(fēng)至艙Ⅱ.在艙Ⅱ配備艙間通風(fēng)風(fēng)機(jī)和通風(fēng)軟管，利用通風(fēng)軟管將艙Ⅲ的空氣抽至艙Ⅱ，艙Ⅱ空氣通過(guò)對(duì)接通道回風(fēng)至艙Ⅲ.艙間通風(fēng)量可以進(jìn)行調(diào)節(jié).

綜上所述，載人航天器組合體密封艙CO2去除系統(tǒng)組成見圖1.

圖1 三艙組合體CO2去除系統(tǒng)組成Fig.1 Structure of CO2removal system of three-cabin human spacecraft

2 仿真分析模型

本文采用數(shù)學(xué)分析軟件Ecosimpro作為載人航天器空氣環(huán)境控制系統(tǒng)性能集成分析建模的基礎(chǔ)平臺(tái)，該軟件是ESA官方選用分析工具，曾成功用于國(guó)際空間站哥倫布艙空氣環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與在軌性能分析工作，該軟件能夠?qū)θ魏慰梢员硎緸槲⒎执鷶?shù)方程(DAE)或者常微分方程的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)以及離散事件進(jìn)行建模.

本文利用Ecosimpro平臺(tái)，通過(guò)一系列微分代數(shù)方程或常微分方程對(duì)CO2去除系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備性能進(jìn)行了定義，從而形成各個(gè)設(shè)備的數(shù)學(xué)模型.關(guān)鍵設(shè)備的主要控制方程描述如下.

1)艙體(cabin).

①空氣質(zhì)量守恒方程:

其中，mj是艙內(nèi)空氣中第j種組分的質(zhì)量，kg;wi是流入艙內(nèi)的空氣質(zhì)量流量，kg/s;xi，j是流入艙內(nèi)的空氣中第j種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);wo是流出艙內(nèi)的空氣質(zhì)量流量，kg/s;xo，j是流出艙內(nèi)的空氣中第j種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);wl，j是乘員代謝產(chǎn)生的第j種空氣組分的質(zhì)量流量，kg/s;Mair是艙內(nèi)空氣總質(zhì)量，kg;N是艙內(nèi)空氣組分?jǐn)?shù)目;xair，j是第j種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);yair，j是第j種組分摩爾分?jǐn)?shù);MWl是第l種組分的摩爾質(zhì)量，g/mol;ρa(bǔ)ir是艙內(nèi)空氣密度，kg/m3.

②空氣能量守恒方程:

其中，Uair是艙內(nèi)空氣的內(nèi)能，J;hi是流入艙內(nèi)空氣的比焓，J/kg;ho是流出艙內(nèi)的空氣比焓，J/kg;qair是加入空氣的總熱流，包括乘員代謝產(chǎn)熱、設(shè)備向人區(qū)的漏熱，W;u是艙內(nèi)空氣的比內(nèi)能，J/kg.

式(1)～式(7)確定了艙內(nèi)空氣的密度ρ、比內(nèi)能u和各種組分的摩爾分?jǐn)?shù)yair，j，則艙內(nèi)空氣狀態(tài)可以確定，艙內(nèi)氣壓Pair、空氣溫度Tair和空氣比焓hair可以通過(guò)理想氣體相關(guān)的方程求出，各種組分的分壓如下:

其中 Pair，j是第 j種組分的分壓，Pa.

③兩艙間通道內(nèi)氣壓:設(shè)定等于兩密封艙氣壓Pair中較高的一側(cè)的值.

2)乘員(crew).

通過(guò)模擬乘員的代謝產(chǎn)熱、產(chǎn)濕速率、CO2產(chǎn)出速率和耗氧速率來(lái)模擬乘員的在軌代謝活動(dòng)，上述代謝產(chǎn)物計(jì)入艙體空氣質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程相關(guān)項(xiàng)目中.

3)LiOH凈化罐.

①單個(gè)凈化罐總的CO2凈化量控制方程:

其中，MCO2是單個(gè)凈化罐可處理的CO2總質(zhì)量，kg;xL是每千克初始狀態(tài)的LiOH所能去除的CO2質(zhì)量，kg/kg;mL，0是單個(gè)凈化罐裝填的 LiOH質(zhì)量，kg.

②CO2凈化速率控制方程:

其中，wCO2是CO2凈化流速，kg/s;a是LiOH凈化罐裝填效率，取0.9;r是LiOH與CO2化學(xué)反應(yīng)速率，s-1.

③質(zhì)量守恒方程:

其中，xzo，CO2是流出凈化罐的空氣中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù);wzi是流入凈化罐的空氣質(zhì)量流量，kg/s;wzo是流出凈化罐的空氣質(zhì)量流量，kg/s;xzi，CO2是流入凈化罐的空氣中CO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

④動(dòng)量守恒方程:

其中，Δp是空氣流過(guò)凈化罐的壓差，Pa;Δpref是空氣流過(guò)凈化罐的參考?jí)翰?，Pa;wzref是流入凈化罐的參考空氣質(zhì)量流量，kg/s;ρzi和 ρzref分別是流入凈化罐空氣的密度和參考密度，kg/m3.

⑤能量守恒方程:

其中，Tb是凈化罐溫度，℃;hzi是流入凈化罐空氣比焓，J/kg;hzo是流出凈化罐空氣比焓，J/kg;qr是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，W;Mb是凈化罐總質(zhì)量，kg;Cpb是凈化罐比熱，J/(kg·℃).

4)組件間接口關(guān)系.

①總質(zhì)量流量:

其中，w是流過(guò)接口的總凈質(zhì)量流量，kg/s;wf和wb分別是順流和逆流方向總質(zhì)量流量，kg/s.

②第j種組分質(zhì)量流量:

其中，wj是流體中第j種組分的質(zhì)量流量，kg/s;xf，j是第j種組分在順流方向總質(zhì)量流量中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù);xb，j是第j種組分在逆流方向總質(zhì)量流量中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù).其中 xf，j和 xb，i與組分流動(dòng)方向相關(guān)，當(dāng)組分流動(dòng)方向?yàn)檎龝r(shí)，xb，i=0，當(dāng)組分流動(dòng)方向?yàn)樨?fù)時(shí)，xf，j=0.

③能量流:

其中，hf是順流方向比焓，J/kg;hb是逆流方向比焓，J/kg.

三艙載人航天器組合體CO2去除系統(tǒng)模型見圖2.

圖2 三艙載人航天器組合體CO2去除系統(tǒng)模型Fig.2 Structure of CO2 removal system of three-cabin human spacecraft

3 結(jié)果與分析

利用載人航天器組合體CO2去除系統(tǒng)模型，本文計(jì)算分析了乘員位置、乘員人數(shù)、艙間通風(fēng)量、流入去除裝置的通風(fēng)量等參數(shù)對(duì)密封艙CO2分壓的影響.

3.1 乘員所在位置對(duì)CO2分壓的影響

本文計(jì)算分析了3名航天員分別駐留在艙Ⅰ、艙Ⅱ、艙Ⅲ過(guò)程中，三艙密封艙CO2分壓隨在軌時(shí)間的變化.計(jì)算過(guò)程中，艙Ⅰ/艙Ⅱ以及艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量保持為0.021 kg/s，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s，具體計(jì)算流程如下:

1)T0～T0+120 h，3名航天員駐留在艙Ⅰ;

2)T0+120 h～T0+216 h，3名航天員駐留在艙Ⅱ;

3)T0+216 h～T0+312 h，3名航天員駐留在艙Ⅲ.

乘員駐留位置對(duì)各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖3所示.各艙的CO2分壓與CO2產(chǎn)出源至去除裝置間的輸運(yùn)距離直接相關(guān).在T0～T0+120 h階段，3名航天員駐留在艙Ⅰ且CO2由艙Ⅰ來(lái)去除，CO2產(chǎn)出源至去除裝置間輸運(yùn)距離可以認(rèn)為是0，三艙CO2分壓較為一致，均維持在320 Pa.在T0+120h～T0+216h階段，3名航天員駐留在艙Ⅱ，CO2產(chǎn)出源也轉(zhuǎn)移至艙Ⅱ，因此，艙Ⅰ的CO2分壓在乘員剛離開時(shí)短時(shí)間下降.但由于艙Ⅰ需處理的CO2量與T0～T0+120 h階段一致，穩(wěn)定后艙Ⅰ的CO2分壓與T0～T0+120 h階段也一致.由于艙間通風(fēng)對(duì)CO2的輸運(yùn)能力較強(qiáng)，艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓水平一致.由于艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2需要轉(zhuǎn)移至艙Ⅰ來(lái)處理，造成艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓要高于艙Ⅰ，維持在425 Pa.在T0+216 h～T0+312 h階段，3名航天員駐留在艙Ⅲ，CO2產(chǎn)出源也轉(zhuǎn)移至艙Ⅲ，CO2產(chǎn)出源與去除裝置間的輸運(yùn)距離進(jìn)一步加大，造成艙Ⅲ的CO2分壓升至530 Pa，艙Ⅱ的CO2分壓與T0+120 h～T0+216 h階段一致，而艙Ⅰ由于需處理的CO2量與T0～T0+120 h階段一致，穩(wěn)定后艙Ⅰ的CO2分壓與T0～T0+120 h階段也一致.

圖3 乘員位置對(duì)CO2分壓水平的影響Fig.3 Influence of crew location to CO2partial pressure

綜上所述，在上述去除系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定下，三艙CO2分壓均滿足不高于700 Pa的要求，但隨著CO2產(chǎn)出源與去除裝置間輸運(yùn)距離的加大，CO2產(chǎn)出源所在艙體的CO2分壓也逐漸加大.

3.2 乘員人數(shù)對(duì)CO2分壓的影響

根據(jù)3.1節(jié)分析可知，航天員駐留在艙Ⅲ時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓要高于其他工況.因此，設(shè)定航天員駐留在艙Ⅲ，本文計(jì)算分析了駐留人數(shù)由3人逐漸增加至6人過(guò)程中，三艙密封艙CO2分壓隨在軌時(shí)間的變化.計(jì)算過(guò)程中，艙Ⅰ/艙Ⅱ以及艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量保持為0.021 kg/s，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s，計(jì)算流程如下:

1)T0～T0+120 h，3名航天員駐留在艙Ⅲ;

2)T0+120 h～T0+216 h，4名航天員駐留在艙Ⅲ;

3)T0+216 h～T0+312 h，5名航天員駐留在艙Ⅲ;

4)T0+312 h～T0+408 h，6名航天員駐留在艙Ⅲ.

乘員人數(shù)對(duì)各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖4所示.隨著航天員人數(shù)的增加，各艙CO2分壓均隨之上升.由于艙Ⅲ距離CO2去除裝置的輸運(yùn)距離最遠(yuǎn)，艙Ⅲ的CO2分壓始終高于其他艙段.當(dāng)乘員人數(shù)達(dá)到4人時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓達(dá)到了上限700 Pa，當(dāng)乘員人數(shù)達(dá)到6人時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓超過(guò)了1000Pa，艙Ⅱ的CO2分壓也超過(guò)了700 Pa.

圖4 乘員人數(shù)對(duì)CO2分壓水平的影響Fig.4 Influence of crew number to CO2partial pressure

綜上所述，在上述去除系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定下，4名乘員駐留在艙Ⅲ時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓已達(dá)上限.

3.3 艙間通風(fēng)量對(duì)CO2分壓的影響

根據(jù)3.2節(jié)分析可知，6名航天員駐留在艙Ⅲ時(shí)，艙Ⅲ和艙Ⅱ的CO2分壓均超出了指標(biāo)上限.本節(jié)分析了提高艙間通風(fēng)量對(duì)各艙CO2分壓的影響.計(jì)算過(guò)程中，6人駐留在艙Ⅲ，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072kg/s，具體計(jì)算流程如下:

1)T0～T0+120 h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量為0.021 kg/s;

2)T0+120h～T0+216h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量為0.041 kg/s;

3)T0+216h～T0+312h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量為0.056 kg/s;

4)T0+312h～T0+408h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量為0.07 kg/s.

艙間通風(fēng)量對(duì)各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖5所示.隨著艙間通風(fēng)量的增加，艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓均隨之下降，這是因?yàn)榕撻g通風(fēng)量的增大增加了艙間CO2的傳質(zhì)速率，縮小了各艙CO2分壓的差值.但是由于CO2去除裝置所在的艙Ⅰ中CO2分壓已經(jīng)達(dá)到了630 Pa，造成艙Ⅱ和艙Ⅲ在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中均在700 Pa以上.當(dāng)艙間通風(fēng)量達(dá)到0.07 kg/s時(shí)，艙Ⅱ的CO2分壓為715 Pa，航天員所在的艙ⅢCO2分壓為780 Pa.

圖5 艙間通風(fēng)量對(duì)CO2分壓水平的影響Fig.5 Influence of inter-cabin air flux to CO2partial pressure

綜上所述，由于艙Ⅰ的CO2分壓已經(jīng)接近上限，所以加大艙間通風(fēng)量雖能降低艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓，但是這兩個(gè)艙段的CO2分壓仍然超標(biāo).

3.4 去除系統(tǒng)流量對(duì)CO2分壓的影響

根據(jù)3.3節(jié)分析可知，單純?cè)黾优撻g通風(fēng)量對(duì)降低艙Ⅲ和艙ⅡCO2分壓作用有限.本節(jié)分析了提高流入CO2去除裝置流量對(duì)各艙CO2分壓的影響.計(jì)算過(guò)程中，6人駐留在艙Ⅲ，艙Ⅰ/艙Ⅱ以及艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風(fēng)量保持為0.041 kg/s，具體計(jì)算流程如下:

1)T0～T0+120h，流入CO2去除裝置的流量為0.0072 kg/s;

2)T0+120 h～T0+216 h，流入 CO2去除裝置的流量為0.0093 kg/s;

3)T0+216 h～T0+312 h，流入 CO2去除裝置的流量為0.0113 kg/s;

4)T0+312 h～T0+408 h，流入 CO2去除裝置的流量為0.0134 kg/s.

流入CO2去除裝置通風(fēng)量對(duì)各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖6所示.隨著流入CO2去除裝置通風(fēng)量的增加，各艙CO2分壓均隨之顯著下降，這是因?yàn)榕摙裰蠧O2分壓顯著下降，帶動(dòng)其他艙段CO2分壓也隨之下降，當(dāng)流入CO2去除裝置的通風(fēng)量達(dá)到0.011 3 kg/s時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓已經(jīng)低于700 Pa指標(biāo)要求.

圖6 CO2凈化裝置進(jìn)風(fēng)量對(duì)CO2分壓水平的影響Fig.6 Influence of air flux into CO2 removal equipment to CO2 partial pressure

4 結(jié)論

本文利用Ecosimpro建立了多艙段載人航天器CO2去除系統(tǒng)性能仿真分析模型.結(jié)果表明，通過(guò)該模型能夠快速準(zhǔn)確地得到密封艙內(nèi)CO2水平隨在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)，并能夠綜合考慮各個(gè)參數(shù)對(duì)CO2去除系統(tǒng)性能的影響.根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果，各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的取值范圍以及對(duì)各個(gè)密封艙CO2水平的定量影響如下:

1)非主控艙段CO2分壓隨CO2產(chǎn)出源至去除裝置間輸運(yùn)距離的增加而上升，艙間通風(fēng)量為0.021 kg/s，流入 CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s時(shí)，3名航天員駐留在艙Ⅲ時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓達(dá)到了530 Pa;

2)各艙CO2分壓隨著駐留人數(shù)的增加而增加，艙間通風(fēng)量為0.021 kg/s，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s時(shí)，4名乘員駐留在艙Ⅲ時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓已經(jīng)達(dá)到了上限;

3)艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓隨著艙間通風(fēng)量的增加而下降，當(dāng)艙間通風(fēng)量達(dá)到0.07 kg/s時(shí)，艙Ⅱ的CO2分壓為715 Pa，航天員所在的艙ⅢCO2分壓為780 Pa.

4)各艙CO2分壓隨著流入CO2去除裝置的空氣流量增加而下降，艙間通風(fēng)量為0.041 kg/s，當(dāng)流入CO2去除裝置的通風(fēng)量達(dá)到0.011 3 kg/s時(shí)，艙Ⅲ的CO2分壓已經(jīng)低于700 Pa指標(biāo)要求.

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