载人航天器气闸舱气体复用技术现状及展望

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:曹 军

  气体复用技术是对载人航天器气闸舱泄复压技术的继承和发展,它的出现改变了过去泄复压操作对气体资源的浪费,意义重大。文章综述了气体复用技术,结合国际空间站该技术的应用情况,介绍了气体复用系统的基本构成及设计,建立了气体复用技术不同阶段的数学模型。经飞行试验验证,所建立的数学模型能正确描述气体复用技术,可应用于空间站气闸舱及月球基地气闸舱的气体复用。为了全面验证气体复用技术,应搭建地面试验平台,文章对气体复用技术的地面试验方法做了简要阐述,最后指出空间站气体复用技术工程化过程中应解决的若干问题。

  载人航天器气闸舱是航天员进行出舱活动的门户,而泄复压是载人航天器气闸舱的一大特征。泄复压包括出舱前的泄压及出舱活动结束后返回时的复压两部分,泄压通过将气闸舱气体排放至舱外太空实现,复压则依赖于携带的高压气瓶实现。但这样的做法有一个明显缺点:每进行一次出舱活动,就浪费一定量的气体,若将该部分气体进行回收利用,则可节约宝贵的气体资源。气体复用技术就是在这样的背景下提出的。气体复用技术的应用可减少货运船的上行量,降低发射成本,对空间站的长期经济运行具有重要作用。过去的载人航天器由于出舱活动任务较少,携带的高压气瓶足以对舱内气体环境进行重构,如美俄的早期载人航天器阿波罗登月飞船、航天飞机、天空实验室,东方号飞船、和平号空间站以及我国的神舟七号飞船气闸舱等,但对于长期在轨大型空间站,以及未来的月球基地、载人深空探测等任务,出舱活动量大大增长,回收气体意义重大。气体复用技术已在国际空间站得到应用,节约了宝贵的资源。

  本文全面介绍气体复用技术,阐述系统组成及其设计,建立了气体复用过程各阶段的数学模型,结合在轨实测数据对模型进行验证,并指出气体复用技术的地面试验方法。同时,针对月球基地的应用,探讨了一种有前景的气体复用技术方案。

1、系统基本组成及设计

  气体复用技术继承了早期载人航天器泄复压技术的可取部分,并有所突破,因此,有必要先了解早期载人航天器泄复压技术。

  1.1、早期载人航天器泄复压技术回顾

  为了配合航天服的加、减压程序及气密性检查,泄压一般分两个阶段,复压则分三个阶段。泄压第一阶段从正常舱压到40kPa左右,提供航天服加压、大流量冲洗条件及预吸氧操作,第二阶段从40到2kPa,为完全泄压阶段,到达2kPa后即可开舱门出舱;复压分三个阶段,0到40、40到80kPa,80kPa到正常舱压,分别配合舱外服的减压、断开舱外服的舱载支持、气密性检查等操作。

  系统主要由真空阀、过滤器、非推进排气口、压力计、控制器及其它管路附件组成,见图1。在不同国家的载人航天器上,泄复压系统组件的类型、参数存在差异,但功能及控制原理相同。如我国载人飞船采用气动阀门进行泄复压,航天飞机则采用电动阀作为执行元件等,都是在压力计的指示下,通过控制器或手动打开、关闭真空阀实现气路的导通或截止而实现泄复压。在工程实施中,长寿命、高可靠性要求泄复压系统为冗余设计,如气闸舱与太空间至少应保证两层压力屏障、在轨电控失效后可地面遥控、所有电控失效后航天员可手动操作等。该设计原则对后述的气体复用系统仍然适用。需说明的是,与电控阀相比,气动阀简单可靠,但需携带额外的气源,增加了货物上行量;电控阀不需要气源,但消耗电能,电能可在空间获得,气源则必须依靠地面供给。因此,电控阀在大型空间站应用较广泛。在设计时需对泄复压速率进行控制,以满足一定的航天医学要求,泄复压所产生的振动及噪声不能影响其它设备及航天员正常工作,复压后的空气温度也必须控制在一定范围内等。

早期载人航天器气闸舱泄复压系统结构

图1 早期载人航天器气闸舱泄复压系统结构

  1.2、气体复用系统及设计

  2001年,国际空间站气闸舱在人类载人航天史上首次实现了气体的回收利用,能实现气闸舱65%~70%的气体回收,这通过将气闸舱气体转移抽送至轨道舱实现。系统包括以下部分:泄压泵组件、泄复压平衡阀、泄复压控制器、压力表、扩散器、过滤器、入口安全帽、非推力排气口及复压用的供N2/O2管阀及控制组件等,详细结构见图2所示。

国际空间站气闸舱气体复用系统结构

图2 国际空间站气闸舱气体复用系统结构

  气体复用技术应用于泄压第一阶段,将气体转移抽送至大型轨道舱代替过去排放至轨道太空的做法。第二阶段将剩余气体排至舱外,这是由于舱内气体量变小,若继续回收该部分气体,则消耗的时间及复用系统的能耗将按指数形式增长。因此,实际操作中只复用70%左右的气体,剩余气体仍排放至舱外太空。

  系统的核心部件为一台泄压泵,泵的最大功率为1380W,极限转速可达140000r/min。因此,必须对泄压泵采用主动热控系统的低温回路进行散热、对泵的振动及噪声进行控制等,整个泄压泵组件安装于设备气闸舱的甲板机柜中。为了便于整体维护,泄压泵组件的电、气、液接口均布局在甲板机柜面板上,可快速拆装。泄压泵的机械寿命为1250h,支持4680次泄复压循环。

  泄复压平衡阀为可变开度手自一体阀,常规控制方式为电控,支持手动操作的扩展功能,电控及手动操作均有位置指示功能,且阀门开度信号及工作状态信号可反馈至控制器。出于冗余考虑,在节点一号舱、设备气闸舱及乘员气闸舱间的三个舱门内外各有一台泄复压平衡阀,电控方式为首选操作方式,电控失效时允许航天员手动操作。该类型的阀门应用在国际空间站多个分系统中,如有效载荷真空支持系统,只是规格不同。

  气体复用是与多项技术相结合发挥作用的:在气体复用过程中,航天员必须进行吸氧排氮,以防止减压病的发生;必须穿舱外航天服,以保证航天员在一个密封的环境中执行出舱活动任务;还必须对舱外服的舱载支持进行电、气、液的连接,以保证航天员执行出舱活动任务时的资源供给。另外,航天服不得受外压,气闸舱的气体复用操作程序务必与航天服的加、减压相配合,保证气闸舱的压力在任何时段都不大于航天服压力等。多项技术紧密配合,共同保证航天员安全过闸。

  1.3、气体复用工况设计

  国际空间站气闸舱泄复压分两个工况进行:¹常规泄复压。当出舱活动任务为在轨维修、维护或辅助机械臂组建空间站时,需航天员进行出舱活动,此时仅需对联合气闸舱较小的乘员舱进行泄复压,为常规泄复压操作;º搬运大型在轨可更换单元的泄复压。当需搬运大型在轨可更换单元出入气闸舱时,由于乘员气闸舱的容积不能同时容纳两名航天员及大型在轨可更换单元,因此需对整个联合气闸舱(设备气闸舱及成员气闸舱)进行泄复压。乘员气闸舱的容积为7m3,泄复压时间及电、气、液的消耗较小,而整个联合气闸舱的容积约为27m3,约4倍乘员气闸舱容积,在该工况下,资源消耗及泄复压时间将大大增加。表1为两种泄复压工况下的对比表。

  紧急复压时,仅对乘员舱进行复压,复压时间从0到35kPa为20s,35至101kPa为80s,共100s,复压速率为1.01kPa/s;对联合气闸舱复压,复压时间分别为60,150,210s,复压速率为0.48kPa/s,满足最大复压速率6.89kPa/s的要求。

表1 不同泄复压工况对比(复压为常规复压)

不同泄复压工况对比(复压为常规复压)

5、结束语

  气体复用技术可节省载人航天器宝贵的气体资源,有效减小货运船的上行量,对于长期在轨运行的空间站,意义重大,且在未来的长期有人居住月球基地、载人深空探测等领域内,有望在更短的时间内实现更高的复用率。今后,该课题需深入研究及探讨的内容仍有多个方面,总结如下:

  (1)高转速气体复用泵的研发

  提高转速可直接改善抽速,大大减小航天员泄压时间等待,从而节约航天员对出舱服资源的过早消耗。但提高转速本身就需消耗更多的电能,而且将带来一系列的工程技术问题,如电机的振动、噪声、热耗将增大,动密封、动平衡问题更加突出,加工、装配工艺的精度要求更为苛刻等。在经济可行的前提下开展复用泵的研制工作,综合各种因素解决气体复用问题,是首先摆在研制团队面前的一个难题。

  (2)新型紧凑、节能的柔性响应手自一体泄复压阀的研制

  目前载人飞船、卫星等航天器所采用的气路阀门多为手动控制阀或电磁阀,电磁阀由于响应迅速、控制简单曾起到重要作用。但作为真空阀门的应用非常有限,尤其对于大口径真空管路。密封的高可靠性决定电磁阀多为端面密封,该形式密封的流阻较大,改善流阻的一个有效措施是增大阀门开度,这势必带来螺线管匝数成倍增长,阀门的重量及功耗大大增加,且大规格阀门的开启、关闭时的冲击会对空间站微重力环境造成破坏,影响微重力实验的进行。因此,采用步进电机作为执行元件,研制新型柔性响应手自一体电控阀是一个不错的选择。步进电机的控制和启动特性使得其具有广阔的空间应用前景,今天,一个现代通信卫星上有多达20多个步进电机在执行各种定位功能,在国际间站,也大量采用这种阀门进行控制。该阀门的另外一个优点是将自动控制及手动控制方式集为一体,电控失效后可进行手动操作。研制新型紧凑、节能的柔性响应手自一体泄复压阀是另外一个需突破的课题。

  (3)复用率、复用时间、复用泵效率三者之间相互耦合最佳值的确定

  复用率越高,回收的气体量越大,对减少货运船的上行量越有利,但另一方面,随着复用率的升高,复用时间会加长,电能的消耗就会增加,散热量也随之增大,复用泵的效率将越来越低。复用率与单位重量气体的发射成本直接相关,而后者是一个很难准确估计的量。再者,复用泵的效率是一个复杂的函数,由多种不同的因素决定。如何对三者解耦、选择最佳复用率也是一个值得深究的课题。

  (4)地面试验结果与在轨飞行实测数据的偏差分析

  在轨实测泄复压时间与地面试验结果存在一定偏差,直接影响到达开舱门压力点的时间。有限的地面试验条件无法与航天器在轨条件严格一致,除目前采用定性分析的方法外,应深入研究实际气闸舱对泄复压有影响的各种因素,如热控膜及涂层的出气、舱内吸湿材料及低温材料的放气及设备的出气、毗邻舱的渗透、舱壁对气体的扩散及材料内部气体的脱附等,建立合理的数学模型,进行定量分析。

  (5)从原理上探索新型气体复用技术

  国际空间站采用了转移抽送的机械式复用泵,利用压缩原理进行抽气。机械真空泵存在振动、噪声、能耗等问题,并非最理想方案,可寻求更节能环保的气体复用方式,如采用低温吸附泵等。该类型的真空泵利用各种吸气作用将气体吸附在泵体内以达到降低气压的目的,气体并不排除泵外,被暂时的贮存在泵内。复压通过改变低温泵的边界条件,将气体重新释放舱内而实现。该方案可同时解决泄复压过程及气体的贮存,是一种颇具吸引力的气体复用技术。

  载人航天器气闸舱气体复用技术现状及展望为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/engineering/035018.html

  与 真空基础 气体复用技术 相关的文章请阅读:

  真空基础http://www.chvacuum.com/engineering/