載人航天器熱控分系統噪聲控制

金 巖

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

航天員長期在艙內工作、生活，對艙內噪聲的控制提出了嚴格要求，規定航天員生活環境的噪聲指標為55～69 dB。在國際空間站上，曾經因噪聲指標超出了規定的要求（用隨身攜帶的聲強計所測得的噪聲水平為72 dB/24 h），航天員不管是睡眠還是工作，都要被迫戴上消音頭盔和耳塞等聽力保護裝置，長時間的飛行任務導致多位航天員的聽力受到了永久性損害[1]。對國際空間站上各系統和設備產生的噪聲進行分析，發現熱控分系統所產生的噪聲在整個噪聲中占了很大的比例。

為了滿足長期載人飛行任務的需求和總體技術要求的規定，噪聲控制變得非常迫切。本文針對熱控分系統的噪聲控制問題，通過熱控分系統的布局設計以及單機設備的降噪優化等措施，找到了相關技術途徑或方法，可以有效地降低載人航天器熱控分系統噪聲水平。

1 熱控分系統的噪聲源

熱控分系統的噪聲源主要有轉速很高的流體回路設備和強迫對流通風設備。

1.1 流體回路設備的噪聲

為了便于航天員在軌維修或更換，一般內回路泵布置在艙內。泵是一個噪聲源，又長期工作在密封艙內，所產生的噪聲對航天員造成很大的影響。流體回路泵產生噪聲的原因是多方面的：流體回路泵的轉速很高，當泵的葉輪推動液體工質時會形成噪聲；因汽蝕作用而導致流體回路的壓力出現波動，從而產生噪聲；若泵體或軸的剛性不好，在泵運行時容易產生振動噪聲；由于泵的葉輪靜不平衡或動不平衡的問題，在離心力作用下會引起泵較大的振動而產生噪聲；當軸承高速轉動的負荷較大時，也會產生噪聲；電動機也是重要的噪聲源等。由流體回路設備所產生的噪聲沿流體回路管路傳播至艙內，再通過空氣傳播至航天員的耳朵。

1.2 強迫對流通風設備的噪聲

在微重力環境中，由于自然對流很弱，所以需要用強迫對流的方法來進行熱交換，即用風機來推動空氣。而熱控分系統設備的冷卻也需要靠風機強迫空氣流動進行換熱[2]。

強迫對流通風設備的噪聲源主要是各種風機。風機的轉速很高，由旋轉的葉片與空氣的相互作用而形成渦流噪聲；由于風機的葉輪靜不平衡或動不平衡的原因，在離心力的作用下使風機產生較大振動而產生噪聲；其他的重要噪聲源還有高負荷的軸承、電動機等。另外，高速氣流在輸送過程中與風道壁面、風口等的摩擦作用也會產生噪聲。

2 熱控分系統的噪聲控制

熱控分系統的噪聲控制包括采用減振、隔聲、吸聲等措施來減少艙內的噪聲。

2.1 流體回路設備的噪聲控制

流體回路設備的噪聲控制措施如下：

1）加強熱控分系統布局設計，有效地隔斷設備之間的振動傳遞影響；

2）將流體回路泵組布置在遠離航天員活動區的位置；

3）采取減振措施，如在泵出口處增設軟管接頭以阻斷振動沿管路傳導的路徑，在泵和其他動力設備的安裝座上增加減振墊或吸振阻尼措施[3]，在管路支架與管路之間用毛氈等減振；

4）提高運動設備的整體剛度，嚴格控制各設備的靜不平衡和動不平衡量，降低設備的本底噪聲水平；

5）設置氣泡捕集器和補償器使溶解在工質中的氣體溢出，對流體回路工質進行脫氣處理，以減少氣蝕作用的發生。

2.2 強迫對流通風設備的噪聲控制

2.2.1 降低噪聲的優化設計措施

隨著空間站的規模加大，通風距離越來越長，通風管路阻力不斷提高，也容易產生漏風。若采用單個風機進行送風，則風機功率很大，其噪聲也很高。為了避免在管路局部產生過高的壓力并減少漏風量，可以采用多風機串聯送風的方式（圖1），這樣一來單機不再需要那么高的功率和轉速，可有效地降低風機的噪聲。在往艙內送風時，可以采取吹吸式方式（圖2），有利于二氧化碳等氣體排散，使新鮮空氣均勻流通。

圖1 空間站風機的串聯使用示意圖Fig. 1 Application of multi-fans in series in space station

圖2 空間站的吹吸式通風示意圖Fig. 2 Push-pull ventilation in space station

如不考慮距離的因素，風機的噪聲衡量指標是聲功率與基準聲功率之比，其表達式為

式中：LW為聲功率級，dB；W為聲功率，W；W0為基準聲功率，W0=1×10-12W。

用式(1)來計算兩個 60 dB的風機加起來的噪聲是63 dB。因此用多個小風機替代一個大風機，在通風效果不變的情況下，可以有效地降低系統的噪聲。而且通風控制區域更加靈活，對氧氣、二氧化碳濃度和溫濕度的控制效果更好。

除控制風機自身的聲功率外，還需對通風系統進行消聲和隔聲的控制，以降低航天員生活區的實際噪聲。

儀器區的風機可以加裝密閉的隔聲罩，而由隔聲阻尼材料、吸聲層和阻燃布組成的隔聲罩具有隔聲和吸聲的雙重降噪效果。兩臺儀器區的風機裝在同一個密閉箱（消聲箱）體內，而在箱體內壁上粘貼泡沫塑料，外覆阻燃布，用于隔離和吸收風機產生的噪聲。風機的進口、出口采用軟管連接，用于隔離通過管路傳遞的振動。風機下游的靜壓分配箱設計成消聲靜壓箱，箱內壁粘貼厚泡沫塑料和阻燃布，用于吸收通過管路傳遞的噪聲。

空間站的設備機柜如果采用整體通風循環并聯送風，則風機的通風流量、功耗和噪聲均很大，因此機柜適合配置各自的通風系統，在機柜內部形成獨立通風回路。若采用單風機送風而噪聲比較大時，則可以采用多風機送風方式，可有效降低機柜的噪聲。機柜內部的電子設備若采用射流通風冷卻，則在流速較高時也會產生噪聲。在不改變壓強和流速的情況下，射流的通風孔采用相同面積的梅花孔，可以降低噪聲。

2.2.2 風機的降低噪聲設計措施

目前載人航天器風機采用的葉輪材料主要是塑料，若將葉輪的材料換成鋁合金，則其壽命將大大提高，可以滿足空間站的壽命要求。換成鋁合金材質后，葉輪也可以做成特定形狀來降低噪聲。

適當降低風機葉片壓力面尾緣的粗糙度，可以改善軸流通風機的氣動性能，并能降低噪聲。

鋸齒型葉片尾緣增加了吸力面和壓力面氣流的摻混，減弱了葉片尾跡的強度，從而降低風機的渦流噪聲。在葉片上打孔也可起到類似的效果。這兩種做法都要進行試驗，以避免因為薄葉片的振顫而使噪聲上升。

在葉片尖位置所對應的機殼內壁上加軟材料的環型圍帶，能夠大幅度地提高軸流風機的氣動性能，并顯著降低風機的噪聲。

在電機后面加錐形整流器，改善軸流風機的氣動性能，也能降低噪聲[4-5]。

2.3 改進電動機軸承的精度

采用小游隙的高精度軸承來作為泵與風機的電動機軸承，經仔細篩選后再進行裝配，嚴格控制軸承的振動加速度級，以降低因這個因素而產生的機械噪聲。選用負載能力強的軸承，既可減小噪聲又可提高軸承的壽命。采用高精度軸承，可以提高扇葉和電動機轉子的動平衡精度。

2.4 使用磁懸浮技術來降低噪聲

磁懸浮軸承與普通軸承相比，具有非接觸、無摩擦、噪聲小、壽命長、不用潤滑等優點。1991年，NASA第一次召開了磁懸浮技術在航天應用的討論會。美國、法國、日本、瑞士和我國都在開展磁懸浮軸承的研究工作，同時推動其在工業上的廣泛應用[6]。近年來，磁懸浮技術廣泛地被應用在高速離心機、衛星高速儲能飛輪等設備中。如果泵和風機能夠使用磁懸浮軸承，必將大幅降低設備噪聲。

3 結束語

綜上所述，載人航天器熱控分系統的噪聲問題是不可忽視的。通過熱控分系統的布局設計以及單機設備的降噪優化措施，來降低整個系統噪聲，滿足航天員對生活環境的基本需求。建議對噪聲控制技術進行深入的研究，突破其關鍵技術，為空間站等載人航天項目中熱控分系統降噪的實際應用提供有力的技術支撐。

（References）

[1]朱毅麟. 國際空間站建造十年經驗初探[J]. 航天器工程, 2010, 19(1): 50-59 Zhu Yilin. Lessons learned from ten-year construction of International Space Station[J]. Spacecraft Engineering,2010,19(1): 50-59

[2]侯增祺, 胡金剛. 航天器熱控制技術——原理及其應用[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 2007: 236-247

[3]金巖. 高速旋轉部件在載人航天器熱控系統中的應用[J].航天器工程, 2007, 16(6): 57-60 Jin Yan. Applications of high speed rotating parts in thermal control system of manned spacecraft[J].Spacecraft Engineering, 2007, 16(6): 57-60

[4]聶能光, 李福忠. 風機節能與降噪[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1990

[5]殷海紅, 昌澤舟. 軸流式通風機的噪聲機理及降噪措施[J]. 風機技術, 2007(1): 16-17 Yin Haihong, Chang Zezhou. Principle of axial flow fan noise and methods to reduce noise[J]. Compressor, Blower& Fan Technology, 2007(1): 16-17

[6]張士勇. 磁懸浮技術的應用現狀與展望[J]. 工業儀表與自動化裝置, 2003(3): 63-65 Zhang Shiyong. The application status and prospect of magnetic suspension technology[J]. Industrial Instrumentation& Automation, 2003(3): 63-65