卜珺珺,曹 軍,楊曉林
(蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)
2011年6月1 日,隨著“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)執(zhí)行STS-134任務(wù)的結(jié)束,歷時(shí)近13年的國(guó)際空間站建設(shè)正式竣工。由數(shù)十個(gè)艙段組成的國(guó)際空間站,是人類歷史上最大的一個(gè)載人空間飛行器。各艙段由16個(gè)成員國(guó)分工協(xié)作完成,其中的環(huán)控生保系統(tǒng)(Environmental Control and Life Support System,ECLSS)主要由美國(guó)、俄羅斯、歐洲空間局及日本負(fù)責(zé)研制。
載人航天器艙內(nèi)空氣溫濕度控制(Temperature and Humidity Control,THC)子系統(tǒng)是環(huán)控生保系統(tǒng)的一個(gè)重要分系統(tǒng),用以確保航天員在舒適的環(huán)境中工作和生活[1]。艙內(nèi)的熱源主要來(lái)源于設(shè)備的產(chǎn)熱及人體的代謝熱;而濕度主要來(lái)源于人的呼吸作用及排汗。據(jù)統(tǒng)計(jì),平均每人每天通過(guò)呼吸和排汗的方式所排出的水量為1800 g。載人航天器的溫濕度控制技術(shù)一般采用冷凝除濕的方法實(shí)現(xiàn),稱為主動(dòng)除濕;也有采用活性炭、分子篩吸附方式進(jìn)行降溫除濕,又稱為被動(dòng)除濕[2]。
本文對(duì)國(guó)際空間站艙內(nèi)溫濕度控制技術(shù)進(jìn)行跟蹤研究,并特別分析了美國(guó)NASA 近年來(lái)研制的新型多孔滲水冷凝干燥器相關(guān)技術(shù),在此基礎(chǔ)上指出了未來(lái)冷凝干燥器(Condensing Heat Exchanger,CHX)的發(fā)展方向。
環(huán)控生保系統(tǒng)包含多項(xiàng)功能,如氣體供給及控制、氣體再生、溫濕度控制、火災(zāi)檢測(cè)與滅火、水循環(huán)再生、廢水管理等[3],NASA 把航天員出艙活動(dòng)的生命保障支持也納入環(huán)控生保系統(tǒng)范疇[4]。環(huán)控生保系統(tǒng)的各項(xiàng)功能由多個(gè)子系統(tǒng)分別承擔(dān),這些子系統(tǒng)并非孤立的,而是彼此之間存在多重交叉及聯(lián)系,如圖1所示。如溫濕度控制子系統(tǒng)有賴于氣體供給及控制子系統(tǒng)提供氣體才能發(fā)揮效用,而前者產(chǎn)生的冷凝水又成為水循環(huán)再生子系統(tǒng)的部分來(lái)源;火災(zāi)檢測(cè)與滅火子系統(tǒng)的冷卻由溫濕度控制子系統(tǒng)承擔(dān)。本文重點(diǎn)介紹國(guó)際空間站溫濕度控制子系統(tǒng)配置情況及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。
圖1 溫濕度控制子系統(tǒng)與環(huán)控生保其他子系統(tǒng)的關(guān)系Fig.1 Relationship between THC subsystem and other subsystems of ECLSS
國(guó)際空間站每個(gè)有人活動(dòng)的艙內(nèi)都設(shè)有溫濕度控制子系統(tǒng),包括美國(guó)研制的4 個(gè)密封艙及3 個(gè)加壓對(duì)接適配器,俄羅斯研制的7 個(gè)密封艙,歐洲空間局研制的5 個(gè)密封艙,以及日本研制的最大密封艙。圖2為國(guó)際空間站艙內(nèi)溫濕度控制子系統(tǒng)分布。
圖2 國(guó)際空間站艙內(nèi)溫濕度控制子系統(tǒng)分布 Fig.2 Distribution of THC subsystem in the ISS
帶有氣體溫濕度控制子系統(tǒng)的美國(guó)艙段包括實(shí)驗(yàn)艙,生活艙,氣閘艙,節(jié)點(diǎn)艙Ⅰ、II[5],以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)加壓對(duì)接適配器。各艙的溫濕度控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 美國(guó)艙段溫濕度控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design indices of USOS THC subsystem
1.1.1 硬件構(gòu)成
艙內(nèi)空氣溫濕度控制子系統(tǒng)主要包括3 大模塊:共用艙室空調(diào)組件(Common Cabin Air Assembly,CCAA),電子設(shè)備空調(diào)組件(Avionics Air Assembly,AAA)和艙間通風(fēng)組件(Inter-Module Valve,IMV)。其中共用艙室空調(diào)組件(見(jiàn)圖3)不但負(fù)責(zé)艙室除濕降溫,而且為溫濕度控制提供動(dòng)力源,為該子系統(tǒng)的核心部件[6]。
圖3 共用艙室空調(diào)組件Fig.3 Configuration of common cabin air assembly (CCAA)
1)共用艙室空調(diào)組件
共用艙室空調(diào)組件包括入口可替換單元(Inlet ORU)、冷凝干燥器、旋轉(zhuǎn)氣液分離器及電子控制單元。該組件安裝在4 個(gè)艙內(nèi),即實(shí)驗(yàn)艙(2 臺(tái))、生活艙(1 臺(tái))、節(jié)點(diǎn)艙II(1 臺(tái))及氣閘艙(1 臺(tái)),其余艙的溫濕度通過(guò)艙間通風(fēng)組件受其控制。這4個(gè)艙熱載荷存在差異,它們的性能不盡相同。
本文重點(diǎn)介紹冷凝干燥器及旋轉(zhuǎn)氣液分離器。冷凝干燥器為一個(gè)四通道的冷卻水橫向交叉流動(dòng)的結(jié)構(gòu),具有33 個(gè)空氣流通層及34 個(gè)冷卻層,安裝在有褶邊的不銹鋼框架中。干燥器內(nèi)部有除濕單元,其表層為波浪狀,表層往下為隔板,上、下隔板(為對(duì)稱結(jié)構(gòu))之間為吸濕層;吸濕層的表面鍍有一層多孔滲水材料,防止液滴在表面形成,內(nèi)嵌吸管,層間用32 根吸管連接;多孔滲水材料還注入含銀的生物除菌劑,以抑制微生物的生長(zhǎng)。干燥器邊緣為降溫層,有冷凝水管道通過(guò),用以降溫。冷凝干燥器如圖4(a)所示。
旋轉(zhuǎn)氣液分離器如圖4(b)所示。分離器由旋轉(zhuǎn)鼓室、皮托管、離心風(fēng)扇、安全閥(安全壓力為145 kPa)、截止閥、壓力傳感器、空氣止回閥以及流速傳感器組成。皮托管嵌入并固定在環(huán)形旋轉(zhuǎn)水環(huán)中,旋轉(zhuǎn)離心力迫使冷凝水進(jìn)入皮托管,穿過(guò)截止閥及安全閥,最終注入到液體冷凝管中??諝庵够亻y用來(lái)防止水分離器不工作時(shí)空氣的回流,安全閥則防止冷凝水的回流,以及控制逆流壓。適當(dāng)?shù)谋硥嚎杀WC冷凝水充滿皮托管,但要防止空氣溶解于冷凝水中。經(jīng)過(guò)氣液分離后的空氣(含水量為0~5%)重回艙室,而收集的冷凝水被儲(chǔ)存到金屬儲(chǔ)箱中。
圖4 美國(guó)艙內(nèi)的冷凝干燥器和旋轉(zhuǎn)氣液分離器Fig.4 CHX and rotary water separator in US modules
工作時(shí),艙室空氣經(jīng)過(guò)濾后被入口可替換單元吸入,后經(jīng)溫控止回閥控制流量,一部分空氣流經(jīng)冷凝干燥器進(jìn)行干燥,冷凝水被吸入到多孔材料的小孔中;其余空氣進(jìn)入與旋轉(zhuǎn)氣液分離器相連的管道,由分離器繼續(xù)進(jìn)行氣液分離,放出的熱量通過(guò)主動(dòng)熱控回路帶走;除濕冷卻后的空氣與旁路空氣在溫控止回閥的下游匯合,經(jīng)出口重回艙室,即完成一次降溫除濕過(guò)程??刂茊卧灿? 種指令、8種操作狀態(tài),除濕后的空氣參數(shù)反饋給控制單元,而控制單元給內(nèi)部計(jì)算機(jī)軟件配置項(xiàng)發(fā)出指令并控制組件做出特定動(dòng)作。
2)電子設(shè)備空調(diào)組件
電子設(shè)備空調(diào)組件為火災(zāi)檢測(cè)與滅火子系統(tǒng)提供冷卻空氣,見(jiàn)圖5。
圖5 電子設(shè)備空調(diào)組件Fig.5 Avionics air assembly (AAA)
電子設(shè)備空調(diào)組件是一個(gè)高度集成的袖珍型組件,集成有入出口消音器、煙霧檢測(cè)器、風(fēng)扇、電動(dòng)機(jī)、傳感器、電子控制單元以及安裝支架等。該組件的工作參數(shù)為:氣流速度18.9~56.6 L/s,冷卻水流速45.4~81.7 kg/h,最大除熱功率1200 W(指氣壓在101.3 kPa 時(shí))。
3)艙間通風(fēng)組件
艙間通風(fēng)組件包括風(fēng)機(jī)、艙間通風(fēng)閥、通風(fēng)管路及高效微粒空氣過(guò)濾器(HEPA)等[7]。該組件的主要功能是為沒(méi)有獨(dú)立配備溫濕度控制設(shè)備的艙室提供溫濕度控制并監(jiān)測(cè)污染。艙間通風(fēng)組件承擔(dān)艙室溫濕度的保持、氧氣的分配,以及二氧化碳、塵埃顆粒、有害微生物的清除等功能,同時(shí)還承擔(dān)空氣在整個(gè)空間站加壓艙間的循環(huán)任務(wù)。
1.1.2 降溫除濕工況
降溫除濕共分兩個(gè)工況:
1)當(dāng)俄羅斯相應(yīng)艙段的氣體供應(yīng)未輸送到美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙時(shí),由艙室尾部的模塊間通風(fēng)風(fēng)機(jī)工作作為補(bǔ)充;
2)當(dāng)聯(lián)合氣閘艙對(duì)接之后,且沒(méi)有在聯(lián)合氣閘艙執(zhí)行出艙活動(dòng)時(shí),則由艙室右舷部位的模塊間通風(fēng)風(fēng)機(jī)工作作為補(bǔ)充。
1)俄羅斯艙段
俄羅斯艙段主要有服務(wù)艙(SM)、功能貨物艙(FGB)及生命支持艙(LSM)。SM 內(nèi)有2 臺(tái)冷凝干燥器組件,LSM 內(nèi)也有2 臺(tái)。俄羅斯冷凝干燥器見(jiàn)圖6(a)。俄羅斯的冷凝干燥器與美國(guó)的在結(jié)構(gòu)上有很大差異,但工作原理相同。
2)歐洲空間局艙段
歐洲空間局艙主要有哥倫布實(shí)驗(yàn)艙(APM)和多用途后勤艙(MPLM)。APM 具有獨(dú)立的溫濕度控制子系統(tǒng),MPLM 則通過(guò)通風(fēng)管路由美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙控制。歐洲空間局的冷凝干燥器組件在結(jié)構(gòu)上與美國(guó)的相似,除濕原理相同[8-9],見(jiàn)圖6(b)。艙內(nèi)設(shè)有2 臺(tái)干燥器(并聯(lián)安裝,除濕時(shí),只有一臺(tái)工作,另一臺(tái)作備份),干燥器通道表面覆蓋親水材料蒙皮,且可對(duì)空氣進(jìn)行除菌處理,吸管將蒙皮通向儲(chǔ)水器。兩臺(tái)并聯(lián)安裝的好處除了互為備份之外,還可輪換工作,有利于抑制微生物的生長(zhǎng)。
3)日本艙段
日本艙段包含實(shí)驗(yàn)艙(JEM)及實(shí)驗(yàn)后勤艙(ELM)。其冷凝干燥器及旋轉(zhuǎn)氣液分離器的原理與美國(guó)的相同,僅封裝略有區(qū)別,見(jiàn)圖6(c)。
圖6 其他國(guó)家或機(jī)構(gòu)艙段的冷凝干燥器組件Fig.6 CHX assemblies in modules of other countries or agencies
縱觀國(guó)際空間站各艙段的空氣溫濕度控制技術(shù),無(wú)一例外均采用水蒸氣遇冷轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄰亩尫艧崃康募夹g(shù)原理。廢熱被主動(dòng)熱控回路工質(zhì)帶走,最終排放到艙外太空。在實(shí)現(xiàn)降溫除濕過(guò)程中涉及兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備:一個(gè)是冷凝干燥器,利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)汽水初級(jí)分離;另一個(gè)是旋轉(zhuǎn)氣液分離器,利用它實(shí)現(xiàn)汽水二級(jí)分離。除此之外,國(guó)際空間站溫濕度控制子系統(tǒng)還用到多項(xiàng)運(yùn)行技術(shù),如拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)、機(jī)柜式安裝管理及自動(dòng)控制等。
1)冷凝干燥器的除濕原理
在冷凝干燥器中,相變后的冷凝水暫時(shí)駐留在干燥器的波浪狀表層,之后冷凝干燥器的吸濕層開(kāi)始發(fā)揮作用:當(dāng)形成的液滴被氣流吹到微孔時(shí),微孔即利用毛細(xì)作用力將液滴引向干燥器內(nèi)層的儲(chǔ)水管,實(shí)現(xiàn)了氣液的初級(jí)分離,為下一步完全分離做好準(zhǔn)備。圖7所示為冷凝干燥器的內(nèi)部除濕原理。
圖7 美國(guó)艙內(nèi)冷凝干燥器內(nèi)部除濕原理 Fig.7 CHX’s internal dehumidifying principle of the US THC
2)旋轉(zhuǎn)氣液分離器的除濕原理
在太空微重力條件下,氣液徹底分離是一大難題。不管是從液態(tài)中分離氣體,或是從氣體中分離出水,都不像在地面重力環(huán)境下那樣簡(jiǎn)單。但由于水與空氣的比重差異巨大,在受同樣大小離心力作用下,液滴被旋轉(zhuǎn)盤甩出而氣體停留在旋轉(zhuǎn)腔中部。旋轉(zhuǎn)氣液分離器巧妙利用了離心力的作用將二者實(shí)現(xiàn)分離,分離出的水進(jìn)入水循環(huán)再生子系統(tǒng),氣體即被降溫除濕。
1)拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)技術(shù)
在結(jié)構(gòu)上,由于多艙段以堆積木的形式對(duì)接組織在一起,相鄰艙間隔著艙門,通風(fēng)管路可以穿過(guò)艙門從一艙到達(dá)另一艙,采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能方便地實(shí)現(xiàn)溫濕度控制子系統(tǒng)對(duì)艙段群的局部控制。如以實(shí)驗(yàn)艙為中心,設(shè)置冷凝干燥器,用通風(fēng)管路將相鄰的節(jié)點(diǎn)艙Ⅰ、Ⅱ與實(shí)驗(yàn)艙相連(歐空局多用途后勤艙的溫濕度也受實(shí)驗(yàn)艙控制)。多艙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖8。
圖8 多艙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理 Fig.8 Principle of topology structure of multiple modules
拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免每個(gè)須降溫除濕的密封艙都設(shè)置共用艙室空調(diào)組件,降溫除濕時(shí),只需采用將較小的外圍艙的濕氣送至中央艙,經(jīng)冷凝干燥器干燥后的氣體再被送回原艙的方式即可。實(shí)現(xiàn)以共用艙室空調(diào)組件為結(jié)點(diǎn)的溫濕度控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)整合性及工作效率。
2)機(jī)柜式安裝管理技術(shù)
與以往航天器不同的是,國(guó)際空間站將有效載荷及大部分系統(tǒng)硬件集中安裝在載荷機(jī)柜中,如電源模塊、主動(dòng)熱控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊及實(shí)驗(yàn)載荷模塊等。機(jī)柜式安裝管理理念在環(huán)控生保系統(tǒng)中也得到體現(xiàn),如美國(guó)艙內(nèi)的溫濕度控制硬件設(shè)備集中安裝在實(shí)驗(yàn)艙右舷第6 個(gè)機(jī)柜中,便于集中管理,見(jiàn)圖9。
圖9 溫濕度控制機(jī)柜 Fig.9 THC rack
3)自動(dòng)控制技術(shù)
在降溫除濕過(guò)程中,出口的空氣參數(shù)由傳感器監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)反饋給控制單元,控制單元由嵌入軟件 程序執(zhí)行操作:當(dāng)空氣溫濕度達(dá)不到要求時(shí),控制器自動(dòng)加大溫控閥的開(kāi)度,使出口空氣的溫濕度逐漸接近,直至達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)值;當(dāng)溫濕度超出要求時(shí),控制器自動(dòng)減小溫控閥的開(kāi)度,以維持預(yù)設(shè)目標(biāo)值。在整個(gè)工作過(guò)程中,航天員只需設(shè)定目標(biāo)值,類似于地面空調(diào)的溫度設(shè)置。控制單元根據(jù)溫濕度需要,利用正比積分控制原理控制溫控止回閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)氣流量。
綜上所述的僅是溫濕度控制方面的運(yùn)行管理技術(shù),其實(shí)環(huán)控生保系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)所涉及的運(yùn)行管理同樣重要,為了提高工作效率、節(jié)省空間,需綜合考慮。
圖6中各冷凝干燥器的結(jié)構(gòu)被證明有兩個(gè)缺點(diǎn):1)冷凝水在材料表面形成的薄膜影響了熱傳導(dǎo);2)由于不能將冷凝水與空氣完全分離,必須配置額外的氣液分離器。鑒于此,NASA 研制了一種新型冷凝干燥器[10-11],如圖10所示。
圖10 一種新型冷凝干燥器及除濕原理 Fig.10 A new type THC and its dehumidifying principle
該冷凝干燥器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為冷凝基、滲水吸管及冷卻管3 部分。冷凝基為具有高導(dǎo)熱性的多孔材料,滲水吸管是在冷凝基內(nèi)嵌多孔陶瓷材料,冷卻管為迂回布置于冷凝基中的青銅管。冷凝基上的小孔直徑為0.058 mm,比內(nèi)嵌多孔陶瓷材料上的孔徑(0.001 7 mm)大很多,而多孔陶瓷材料的中央多孔吸管管徑1.08 mm、長(zhǎng)76 mm;冷凝基起泡壓力(6.9 kPa)小于多孔陶瓷材料孔壁的起泡壓力(101 kPa)。因此,只要控制好牽引時(shí)吸入壓頭的壓力,即可達(dá)到氣液分離的目的。此時(shí)氣泡只會(huì)留在冷凝基中而不會(huì)進(jìn)入到多孔陶瓷材料中,多孔陶瓷材料與牽引設(shè)備相連,其中的冷凝水即被牽走。總的來(lái)說(shuō),冷凝基利用毛細(xì)作用力同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣 液兩級(jí)分離。
降溫除濕過(guò)程可簡(jiǎn)單描述如下:空氣流動(dòng)至冷凝干燥器表面時(shí),濕氣在多孔材料基表層開(kāi)始凝結(jié)成水,多孔材料基表層的小孔將凝結(jié)后的水暫時(shí)收集起來(lái);當(dāng)冷凝水逐漸增多而填至小孔靠近中央多孔吸管的一側(cè)時(shí),中央吸管上的毛細(xì)管憑借毛細(xì)作用力將收集的水吸至中央多孔吸管,多孔吸管中的冷凝水在牽引裝置的牽引力下被帶走。這種冷凝干燥器的優(yōu)點(diǎn)在于,可以直接將空氣中的氣液進(jìn)行分離,而不需要額外的旋轉(zhuǎn)氣液分離器,因此可以在變化的重力條件下使用。該冷凝干燥器在2006年完成了理論及數(shù)值模擬研究,計(jì)劃用于未來(lái)航天器上。表2為新型冷凝干燥器與傳統(tǒng)冷凝干燥器的比對(duì)。
表2 新型冷凝干燥器與傳統(tǒng)冷凝干燥器的比較Table 2 Comparison between traditional and new type CHXs
文章對(duì)國(guó)際空間站的溫濕度控制子系統(tǒng)進(jìn)行了跟蹤研究,同時(shí)對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備即冷凝干燥器及旋轉(zhuǎn)氣液分離器進(jìn)行了分析。在工程管理上,國(guó)際空間站艙段間利用了拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)管理整體性及工作效率;硬件安裝則采用機(jī)柜安裝理念,有利于集中管理。值得一提的是,NASA 新近研制的新型多孔滲水冷凝干燥器完全利用毛細(xì)作用同時(shí)實(shí)現(xiàn)了汽水冷凝及氣液分離,技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯,是冷凝干燥器未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。
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