吳 軍，宣建強(qiáng)，羅 斌

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108；2.上海航天技術(shù)研究院，上海201108）

1 引言

與傳統(tǒng)衛(wèi)星的地面總裝、測(cè)試相比，載人航天器密封艙的地面總裝、電測(cè)過(guò)程存在3個(gè)方面特殊需求：

1）載人航天器密封艙對(duì)艙內(nèi)微生物控制有嚴(yán)格要求。致病微生物會(huì)導(dǎo)致航天員生病，會(huì)腐蝕和降解航天器的各種材料，導(dǎo)致設(shè)備故障［1］；

2）載人航天器密封艙熱控多采用流體回路方案，在地面電性能測(cè)試期間，流體回路無(wú)法工作，密封艙內(nèi)設(shè)備的產(chǎn)生的熱量，需要及時(shí)帶出艙外；

3）地面操作工人在相對(duì)密閉的密封艙內(nèi)工作時(shí)，需要進(jìn)行通風(fēng)，確?？諝饬魍ǎ梭w舒適。

因此，載人航天器一般采用地面通風(fēng)設(shè)備對(duì)密封艙內(nèi)的大氣環(huán)境溫度、濕度、通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行控制。載人航天一期、二期工程中研制了類(lèi)似的地面設(shè)備用于密封艙通風(fēng)散熱，但未見(jiàn)系統(tǒng)總結(jié)。

本文主要研究地面通風(fēng)設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的各種設(shè)計(jì)因素，結(jié)合某載人航天器地面通風(fēng)設(shè)備參數(shù)過(guò)程實(shí)例，總結(jié)通風(fēng)設(shè)備的設(shè)計(jì)方法。

2 設(shè)計(jì)因素

載人航天器地面通風(fēng)設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：

表1 地面通風(fēng)設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main parameters of ground ventilation equipment

3 設(shè)計(jì)流程

3.1 設(shè)計(jì)條件

3.1.1 廠房條件

載人航天器地面通風(fēng)設(shè)備一般工作在廠房環(huán)境中，隨航天器一起輾轉(zhuǎn)于各測(cè)試廠房，為航天器密封艙提供支持。因此，地面通風(fēng)設(shè)備的工作外部環(huán)境即是廠房的內(nèi)部環(huán)境。

表2給出了某載人航天器總裝測(cè)試過(guò)程中典型廠房的環(huán)境條件。在確定廠房條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取最?lèi)毫拥那闆r作為設(shè)計(jì)依據(jù)，故以廠房A的環(huán)境條件來(lái)開(kāi)展設(shè)計(jì)。

表2 某載人航天器典型廠房環(huán)境Table 2 Typical environment of manned spacecraft AIT plant

3.1.2 航天器條件

載人航天的設(shè)計(jì)輸入條件主要包括：1）密封艙構(gòu)型、容積；2）密封艙內(nèi)最大熱耗水平。

以某載人航天器為例，其密封艙構(gòu)型如圖1所示，容積約103 m3。密封艙前部開(kāi)有直徑800 mm的艙門(mén)。按照該密封艙艙內(nèi)設(shè)備開(kāi)機(jī)情況，密封艙內(nèi)熱耗水平0～7 kW，均值約3 kW。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

3.2.1 通風(fēng)量確定

一般來(lái)說(shuō)，密封空間內(nèi)如需保證空氣新鮮，則通風(fēng)量至少應(yīng)當(dāng)保證每小時(shí)將艙內(nèi)空氣的置換次數(shù)在10～15次左右［2］，因此，密封艙的通風(fēng)量應(yīng)當(dāng)≥1545 m3／h。

圖1 某載人航天器密封艙構(gòu)型Fig．1 Layout of pressurized cabin in a manned spacecraft

艙內(nèi)通風(fēng)量應(yīng)當(dāng)保證密封艙內(nèi)在不同熱耗水平條件下，盡可能的保證密封艙的溫度水平均處于比較合適的條件，并且需要保證通風(fēng)設(shè)備的出風(fēng)口溫度處于合理區(qū)間?？砂匆韵氯介_(kāi)展設(shè)計(jì)計(jì)算：

1）確定密封艙內(nèi)空氣溫度的目標(biāo)控制值，以人體工作舒適、設(shè)備溫度耐受水平，選取合理的目標(biāo)控制值，此處取26℃。

2）根據(jù)不同通風(fēng)量計(jì)算在不同密封艙熱耗水平下艙內(nèi)空氣的溫升情況，計(jì)算方法如式（1）：

其中ΔT為艙內(nèi)空氣溫升，℃；Q為艙內(nèi)熱耗，W；ρ為空氣密度，kg／m3；V 為通風(fēng)量，m3／h；c為空氣比熱容，J／（m3·K）。

3）根據(jù)溫升情況，倒推通風(fēng)設(shè)備出風(fēng)口溫度水平。

4）判斷得到的出風(fēng)口溫度水平是否合適。既保證出風(fēng)口沒(méi)有結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，也要考慮能夠降低制冷量／制熱量，降低設(shè)備的功耗水平。

5）確定通風(fēng)參數(shù)。

以3.1.2節(jié)給出的某載人航天器為例，首先確定其最小通風(fēng)量應(yīng)當(dāng)大于 1030 m3／h～1545 m3／h。選取典型通風(fēng)量值，計(jì)算溫升水平及出風(fēng)口溫度（此處選取 1500 m3／h、2000 m3／h、2500 m3／h三檔）。算得的艙內(nèi)溫升水平及出風(fēng)口溫度需求如表3～表5。

表3 1500 m3／h 情況Table 3 1500 m3／h case

表4 2000 m3／h 情況Table 4 2000 m3／h case

表5 2500 m3／h 情況Table 5 2500 m3／h case

當(dāng)廠房?jī)?nèi)空氣處于高溫高濕狀態(tài)時(shí)（25℃，60%相對(duì)濕度），在不同出風(fēng)口溫度下，可由公式（3）、（4）得到出風(fēng)口的相對(duì)濕度如圖 2。

圖2 出風(fēng)口相對(duì)濕度Fig．2 Relative humidity at outlet

從圖中可以看出，若需要保證出風(fēng)口不結(jié)露，至少應(yīng)當(dāng)保證出風(fēng)口溫度＞16℃，因此，通風(fēng)量應(yīng)當(dāng)保證＞2000 m3／h?？紤]通風(fēng)量增大會(huì)帶來(lái)風(fēng)機(jī)功率增加，增加設(shè)備的功耗及重量，綜合權(quán)衡，選取通風(fēng)設(shè)備通風(fēng)量在2000 m3／h。相應(yīng)確定出風(fēng)口溫度T應(yīng)當(dāng)在16℃ ～24.5℃之間。

3.2.2 制冷＼制熱量確定

在確定了通風(fēng)設(shè)備的通風(fēng)量及出風(fēng)口溫度后，應(yīng)當(dāng)根據(jù)廠房的條件綜合判斷、確定設(shè)備的制冷量與制熱量，具體方法如下：

1）取廠房低溫低濕、高溫高濕2種極端情況作為依據(jù)，如式（2）計(jì)算設(shè)備的極端制冷量與極端制熱量：

式中，Qc為制冷量，W；T廠房為廠房空氣溫度，℃；Tout為出風(fēng)口空氣溫度，℃。

2）根據(jù)廠房的實(shí)際情況權(quán)衡確定設(shè)備制冷量與制熱量。

在本例中，廠房低溫低濕極端工況取15℃、30%相對(duì)濕度，高溫高濕工況取25℃、60%相對(duì)濕度。則在通風(fēng)量2000 m3／h，出風(fēng)口溫度16℃～24.5℃條件下，設(shè)備的制冷量或制熱量如表6所示。

表6 制冷量與出風(fēng)溫度關(guān)系Table 6 Relationship between cooling capacity and outlet air temperature

從表中可以看出，設(shè)備的最大制冷量應(yīng)當(dāng)在6 kW左右，制熱量也應(yīng)當(dāng)在6 kW左右。一般來(lái)說(shuō)，空調(diào)機(jī)組的制冷效率在2左右，意味著設(shè)備制冷時(shí)的制冷量是設(shè)備功率的2倍，設(shè)備產(chǎn)生6 kW的制冷量只需要3 kW的功率，但制熱6 kW卻至少需要消耗6 kW的功率。為了降低設(shè)備的整體功率，并且考慮到艙內(nèi)電測(cè)時(shí)，艙內(nèi)有均值3 kW左右的熱耗，可利用這部分熱量降低對(duì)加熱功率的需求，可將設(shè)備的制冷量選定在6 kW，制熱量選擇在3 kW。

3.2.3 出風(fēng)口濕度

從3.2.2節(jié)中可以看出，出風(fēng)口溫度范圍選擇已經(jīng)考慮了出風(fēng)口的相對(duì)濕度，保證出風(fēng)口不結(jié)露。因此，通風(fēng)設(shè)備的濕度控制功能并不是必須的。在通風(fēng)設(shè)備不具備濕度控制功能的情況下，密封艙內(nèi)相對(duì)濕度僅僅與廠房?jī)?nèi)的空氣溫濕度相關(guān)，如式（3） ～ （4）［3］。

式中，d為空氣中的絕對(duì)含濕量，kg；p為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；?廠房為廠房空氣的相對(duì)濕度，%；pT廠房為廠房溫度下的飽和蒸汽壓，Pa；φ艙內(nèi)為密封艙空氣的相對(duì)濕度，%；pT艙內(nèi)為密封艙溫度下的飽和蒸汽壓，Pa。假設(shè)密封艙地面測(cè)試期間，通過(guò)調(diào)節(jié)出風(fēng)量及出風(fēng)口溫度，將溫度恒定在26℃，則密封艙相對(duì)濕度與廠房溫濕度關(guān)系如表7。

表7 密封艙內(nèi)相對(duì)濕度與廠房空氣溫濕度關(guān)系Table 7 Relationship of relative humidity in AIT plant and in the pressurized cabin

從表中可以看出，當(dāng)廠房環(huán)境不同時(shí)，密封艙內(nèi)的環(huán)境屬于恒溫不恒濕的環(huán)境。若載人航天器總體分析認(rèn)為密封艙內(nèi)濕度不恒定對(duì)飛行器測(cè)試無(wú)影響，則可不對(duì)出風(fēng)口濕度提出要求。

一般來(lái)說(shuō)，密封艙內(nèi)濕度過(guò)低可能會(huì)帶來(lái)靜電積累，打火等現(xiàn)象，而且從設(shè)備長(zhǎng)期地面存儲(chǔ)角度，一般也希望密封艙內(nèi)恒溫恒濕。因此，需要對(duì)設(shè)備提出出風(fēng)口相對(duì)濕度的要求，從而達(dá)到控制艙內(nèi)濕度的目的。若希望將密封艙的恒定在溫度26℃，相對(duì)濕度50%范圍，則出風(fēng)口的溫度濕度的匹配關(guān)系可由公式（3）、（4）確定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 出風(fēng)口相對(duì)溫濕度關(guān)系Fig．3 Relationship between relative humidity and temperature at outlet

綜上，從工程角度，應(yīng)當(dāng)對(duì)出風(fēng)口溫濕度提出如下要求：

1）出風(fēng)口溫度15～16℃，出風(fēng)口相對(duì)濕度控制在80%左右；

2）出風(fēng)口溫度17～20℃，出風(fēng)口相對(duì)濕度控制在70%左右；

3）出風(fēng)口溫度21～24℃，出風(fēng)口相對(duì)濕度控制在60%左右。

3.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

應(yīng)用本文提出的方法，針對(duì)某載人航天器地面通風(fēng)設(shè)備，設(shè)計(jì)輸入條件如2.1節(jié)所述。設(shè)計(jì)結(jié)果如表8中設(shè)計(jì)參數(shù)一列所述。經(jīng)過(guò)與設(shè)備生產(chǎn)廠家的詳細(xì)溝通協(xié)調(diào)，確定了地面通風(fēng)設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表8。

表8 某航天器地面通風(fēng)設(shè)備主要參數(shù)Table 8 Main parameters of ground ventilation equipment for a certain manned spacecraft

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)載人航天器地面通風(fēng)設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)的基本方法進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，提出了需要考慮的主要因素、設(shè)計(jì)流程。應(yīng)用該方法對(duì)某載人航天器型號(hào)的地面通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)。今后載人航天器研制類(lèi)似設(shè)備時(shí)，可以提供參考。由于此類(lèi)設(shè)備可調(diào)參數(shù)較多，各參數(shù)之間相互聯(lián)系、相互影響，后續(xù)可以對(duì)此類(lèi)設(shè)備地面的使用方式進(jìn)行進(jìn)一步探討。

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