載人航天器氣閘艙氣體復用技術(shù)現狀及展望

　　氣體復用技術(shù)是對載人航天器氣閘艙泄復壓技術(shù)的繼承和發(fā)展，它的出現改變了過(guò)去泄復壓操作對氣體資源的浪費，意義重大。文章綜述了氣體復用技術(shù)，結合國際空間站該技術(shù)的應用情況，介紹了氣體復用系統的基本構成及設計，建立了氣體復用技術(shù)不同階段的數學(xué)模型。經(jīng)飛行試驗驗證，所建立的數學(xué)模型能正確描述氣體復用技術(shù)，可應用于空間站氣閘艙及月球基地氣閘艙的氣體復用。為了全面驗證氣體復用技術(shù)，應搭建地面試驗平臺，文章對氣體復用技術(shù)的地面試驗方法做了簡(jiǎn)要闡述，最后指出空間站氣體復用技術(shù)工程化過(guò)程中應解決的若干問(wèn)題。

　　載人航天器氣閘艙是航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)的門(mén)戶(hù)，而泄復壓是載人航天器氣閘艙的一大特征。泄復壓包括出艙前的泄壓及出艙活動(dòng)結束后返回時(shí)的復壓兩部分，泄壓通過(guò)將氣閘艙氣體排放至艙外太空實(shí)現，復壓則依賴(lài)于攜帶的高壓氣瓶實(shí)現。但這樣的做法有一個(gè)明顯缺點(diǎn):每進(jìn)行一次出艙活動(dòng)，就浪費一定量的氣體，若將該部分氣體進(jìn)行回收利用，則可節約寶貴的氣體資源。氣體復用技術(shù)就是在這樣的背景下提出的。氣體復用技術(shù)的應用可減少貨運船的上行量，降低發(fā)射成本，對空間站的長(cháng)期經(jīng)濟運行具有重要作用。過(guò)去的載人航天器由于出艙活動(dòng)任務(wù)較少，攜帶的高壓氣瓶足以對艙內氣體環(huán)境進(jìn)行重構，如美俄的早期載人航天器阿波羅登月飛船、航天飛機、天空實(shí)驗室，東方號飛船、和平號空間站以及我國的神舟七號飛船氣閘艙等，但對于長(cháng)期在軌大型空間站，以及未來(lái)的月球基地、載人深空探測等任務(wù)，出艙活動(dòng)量大大增長(cháng)，回收氣體意義重大。氣體復用技術(shù)已在國際空間站得到應用，節約了寶貴的資源。

　　本文全面介紹氣體復用技術(shù)，闡述系統組成及其設計，建立了氣體復用過(guò)程各階段的數學(xué)模型，結合在軌實(shí)測數據對模型進(jìn)行驗證，并指出氣體復用技術(shù)的地面試驗方法。同時(shí)，針對月球基地的應用，探討了一種有前景的氣體復用技術(shù)方案。

1、系統基本組成及設計

　　氣體復用技術(shù)繼承了早期載人航天器泄復壓技術(shù)的可取部分，并有所突破，因此，有必要先了解早期載人航天器泄復壓技術(shù)。

　　1.1、早期載人航天器泄復壓技術(shù)回顧

　　為了配合航天服的加、減壓程序及氣密性檢查，泄壓一般分兩個(gè)階段，復壓則分三個(gè)階段。泄壓第一階段從正常艙壓到40kPa左右，提供航天服加壓、大流量沖洗條件及預吸氧操作，第二階段從40到2kPa，為完全泄壓階段，到達2kPa后即可開(kāi)艙門(mén)出艙;復壓分三個(gè)階段，0到40、40到80kPa，80kPa到正常艙壓，分別配合艙外服的減壓、斷開(kāi)艙外服的艙載支持、氣密性檢查等操作。

　　系統主要由真空閥、過(guò)濾器、非推進(jìn)排氣口、壓力計、控制器及其它管路附件組成，見(jiàn)圖1。在不同國家的載人航天器上，泄復壓系統組件的類(lèi)型、參數存在差異，但功能及控制原理相同。如我國載人飛船采用氣動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行泄復壓，航天飛機則采用電動(dòng)閥作為執行元件等，都是在壓力計的指示下，通過(guò)控制器或手動(dòng)打開(kāi)、關(guān)閉真空閥實(shí)現氣路的導通或截止而實(shí)現泄復壓。在工程實(shí)施中，長(cháng)壽命、高可靠性要求泄復壓系統為冗余設計，如氣閘艙與太空間至少應保證兩層壓力屏障、在軌電控失效后可地面遙控、所有電控失效后航天員可手動(dòng)操作等。該設計原則對后述的氣體復用系統仍然適用。需說(shuō)明的是，與電控閥相比，氣動(dòng)閥簡(jiǎn)單可靠，但需攜帶額外的氣源，增加了貨物上行量;電控閥不需要氣源，但消耗電能，電能可在空間獲得，氣源則必須依靠地面供給。因此，電控閥在大型空間站應用較廣泛。在設計時(shí)需對泄復壓速率進(jìn)行控制，以滿(mǎn)足一定的航天醫學(xué)要求，泄復壓所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲不能影響其它設備及航天員正常工作，復壓后的空氣溫度也必須控制在一定范圍內等。

圖1 早期載人航天器氣閘艙泄復壓系統結構

　　1.2、氣體復用系統及設計

　　2001年，國際空間站氣閘艙在人類(lèi)載人航天史上首次實(shí)現了氣體的回收利用，能實(shí)現氣閘艙65%~70%的氣體回收，這通過(guò)將氣閘艙氣體轉移抽送至軌道艙實(shí)現。系統包括以下部分:泄壓泵組件、泄復壓平衡閥、泄復壓控制器、壓力表、擴散器、過(guò)濾器、入口安全帽、非推力排氣口及復壓用的供N2/O2管閥及控制組件等，詳細結構見(jiàn)圖2所示。

圖2 國際空間站氣閘艙氣體復用系統結構

　　氣體復用技術(shù)應用于泄壓第一階段，將氣體轉移抽送至大型軌道艙代替過(guò)去排放至軌道太空的做法。第二階段將剩余氣體排至艙外，這是由于艙內氣體量變小，若繼續回收該部分氣體，則消耗的時(shí)間及復用系統的能耗將按指數形式增長(cháng)。因此，實(shí)際操作中只復用70%左右的氣體，剩余氣體仍排放至艙外太空。

　　系統的核心部件為一臺泄壓泵，泵的最大功率為1380W，極限轉速可達140000r/min。因此，必須對泄壓泵采用主動(dòng)熱控系統的低溫回路進(jìn)行散熱、對泵的振動(dòng)及噪聲進(jìn)行控制等，整個(gè)泄壓泵組件安裝于設備氣閘艙的甲板機柜中。為了便于整體維護，泄壓泵組件的電、氣、液接口均布局在甲板機柜面板上，可快速拆裝。泄壓泵的機械壽命為1250h，支持4680次泄復壓循環(huán)。

　　泄復壓平衡閥為可變開(kāi)度手自一體閥，常規控制方式為電控，支持手動(dòng)操作的擴展功能，電控及手動(dòng)操作均有位置指示功能，且閥門(mén)開(kāi)度信號及工作狀態(tài)信號可反饋至控制器。出于冗余考慮，在節點(diǎn)一號艙、設備氣閘艙及乘員氣閘艙間的三個(gè)艙門(mén)內外各有一臺泄復壓平衡閥，電控方式為首選操作方式，電控失效時(shí)允許航天員手動(dòng)操作。該類(lèi)型的閥門(mén)應用在國際空間站多個(gè)分系統中，如有效載荷真空支持系統，只是規格不同。

　　氣體復用是與多項技術(shù)相結合發(fā)揮作用的:在氣體復用過(guò)程中，航天員必須進(jìn)行吸氧排氮，以防止減壓病的發(fā)生;必須穿艙外航天服，以保證航天員在一個(gè)密封的環(huán)境中執行出艙活動(dòng)任務(wù);還必須對艙外服的艙載支持進(jìn)行電、氣、液的連接，以保證航天員執行出艙活動(dòng)任務(wù)時(shí)的資源供給。另外，航天服不得受外壓，氣閘艙的氣體復用操作程序務(wù)必與航天服的加、減壓相配合，保證氣閘艙的壓力在任何時(shí)段都不大于航天服壓力等。多項技術(shù)緊密配合，共同保證航天員安全過(guò)閘。

　　1.3、氣體復用工況設計

　　國際空間站氣閘艙泄復壓分兩個(gè)工況進(jìn)行:¹常規泄復壓。當出艙活動(dòng)任務(wù)為在軌維修、維護或輔助機械臂組建空間站時(shí)，需航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)，此時(shí)僅需對聯(lián)合氣閘艙較小的乘員艙進(jìn)行泄復壓，為常規泄復壓操作;º搬運大型在軌可更換單元的泄復壓。當需搬運大型在軌可更換單元出入氣閘艙時(shí)，由于乘員氣閘艙的容積不能同時(shí)容納兩名航天員及大型在軌可更換單元，因此需對整個(gè)聯(lián)合氣閘艙(設備氣閘艙及成員氣閘艙)進(jìn)行泄復壓。乘員氣閘艙的容積為7m3，泄復壓時(shí)間及電、氣、液的消耗較小，而整個(gè)聯(lián)合氣閘艙的容積約為27m3，約4倍乘員氣閘艙容積，在該工況下，資源消耗及泄復壓時(shí)間將大大增加。表1為兩種泄復壓工況下的對比表。

　　緊急復壓時(shí)，僅對乘員艙進(jìn)行復壓，復壓時(shí)間從0到35kPa為20s，35至101kPa為80s，共100s，復壓速率為1.01kPa/s;對聯(lián)合氣閘艙復壓，復壓時(shí)間分別為60，150，210s，復壓速率為0.48kPa/s，滿(mǎn)足最大復壓速率6.89kPa/s的要求。

表1 不同泄復壓工況對比(復壓為常規復壓)

5、結束語(yǔ)

　　氣體復用技術(shù)可節省載人航天器寶貴的氣體資源，有效減小貨運船的上行量，對于長(cháng)期在軌運行的空間站，意義重大，且在未來(lái)的長(cháng)期有人居住月球基地、載人深空探測等領(lǐng)域內，有望在更短的時(shí)間內實(shí)現更高的復用率。今后，該課題需深入研究及探討的內容仍有多個(gè)方面，總結如下:

　　(1)高轉速氣體復用泵的研發(fā)

　　提高轉速可直接改善抽速，大大減小航天員泄壓時(shí)間等待，從而節約航天員對出艙服資源的過(guò)早消耗。但提高轉速本身就需消耗更多的電能，而且將帶來(lái)一系列的工程技術(shù)問(wèn)題，如電機的振動(dòng)、噪聲、熱耗將增大，動(dòng)密封、動(dòng)平衡問(wèn)題更加突出，加工、裝配工藝的精度要求更為苛刻等。在經(jīng)濟可行的前提下開(kāi)展復用泵的研制工作，綜合各種因素解決氣體復用問(wèn)題，是首先擺在研制團隊面前的一個(gè)難題。

　　(2)新型緊湊、節能的柔性響應手自一體泄復壓閥的研制

　　目前載人飛船、衛星等航天器所采用的氣路閥門(mén)多為手動(dòng)控制閥或電磁閥，電磁閥由于響應迅速、控制簡(jiǎn)單曾起到重要作用。但作為真空閥門(mén)的應用非常有限，尤其對于大口徑真空管路。密封的高可靠性決定電磁閥多為端面密封，該形式密封的流阻較大，改善流阻的一個(gè)有效措施是增大閥門(mén)開(kāi)度，這勢必帶來(lái)螺線(xiàn)管匝數成倍增長(cháng)，閥門(mén)的重量及功耗大大增加，且大規格閥門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的沖擊會(huì )對空間站微重力環(huán)境造成破壞，影響微重力實(shí)驗的進(jìn)行。因此，采用步進(jìn)電機作為執行元件，研制新型柔性響應手自一體電控閥是一個(gè)不錯的選擇。步進(jìn)電機的控制和啟動(dòng)特性使得其具有廣闊的空間應用前景，今天，一個(gè)現代通信衛星上有多達20多個(gè)步進(jìn)電機在執行各種定位功能，在國際間站，也大量采用這種閥門(mén)進(jìn)行控制。該閥門(mén)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將自動(dòng)控制及手動(dòng)控制方式集為一體，電控失效后可進(jìn)行手動(dòng)操作。研制新型緊湊、節能的柔性響應手自一體泄復壓閥是另外一個(gè)需突破的課題。

　　(3)復用率、復用時(shí)間、復用泵效率三者之間相互耦合最佳值的確定

　　復用率越高，回收的氣體量越大，對減少貨運船的上行量越有利，但另一方面，隨著(zhù)復用率的升高，復用時(shí)間會(huì )加長(cháng)，電能的消耗就會(huì )增加，散熱量也隨之增大，復用泵的效率將越來(lái)越低。復用率與單位重量氣體的發(fā)射成本直接相關(guān)，而后者是一個(gè)很難準確估計的量。再者，復用泵的效率是一個(gè)復雜的函數，由多種不同的因素決定。如何對三者解耦、選擇最佳復用率也是一個(gè)值得深究的課題。

　　(4)地面試驗結果與在軌飛行實(shí)測數據的偏差分析

　　在軌實(shí)測泄復壓時(shí)間與地面試驗結果存在一定偏差，直接影響到達開(kāi)艙門(mén)壓力點(diǎn)的時(shí)間。有限的地面試驗條件無(wú)法與航天器在軌條件嚴格一致，除目前采用定性分析的方法外，應深入研究實(shí)際氣閘艙對泄復壓有影響的各種因素，如熱控膜及涂層的出氣、艙內吸濕材料及低溫材料的放氣及設備的出氣、毗鄰艙的滲透、艙壁對氣體的擴散及材料內部氣體的脫附等，建立合理的數學(xué)模型，進(jìn)行定量分析。

　　(5)從原理上探索新型氣體復用技術(shù)

　　國際空間站采用了轉移抽送的機械式復用泵，利用壓縮原理進(jìn)行抽氣。機械真空泵存在振動(dòng)、噪聲、能耗等問(wèn)題，并非最理想方案，可尋求更節能環(huán)保的氣體復用方式，如采用低溫吸附泵等。該類(lèi)型的真空泵利用各種吸氣作用將氣體吸附在泵體內以達到降低氣壓的目的，氣體并不排除泵外，被暫時(shí)的貯存在泵內。復壓通過(guò)改變低溫泵的邊界條件，將氣體重新釋放艙內而實(shí)現。該方案可同時(shí)解決泄復壓過(guò)程及氣體的貯存，是一種頗具吸引力的氣體復用技術(shù)。