國際空間站艙內(nèi)空氣溫濕度控制技術(shù)綜述

卜珺珺，曹 軍，楊曉林

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

2011年6月1 日，隨著“奮進號”航天飛機執(zhí)行STS-134任務的結(jié)束，歷時近13年的國際空間站建設正式竣工。由數(shù)十個艙段組成的國際空間站，是人類歷史上最大的一個載人空間飛行器。各艙段由16個成員國分工協(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、俄羅斯、歐洲空間局及日本負責研制。

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)的熱源主要來源于設備的產(chǎn)熱及人體的代謝熱；而濕度主要來源于人的呼吸作用及排汗。據(jù)統(tǒng)計，平均每人每天通過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現(xiàn)，稱為主動除濕；也有采用活性炭、分子篩吸附方式進行降溫除濕，又稱為被動除濕[2]。

本文對國際空間站艙內(nèi)溫濕度控制技術(shù)進行跟蹤研究，并特別分析了美國NASA 近年來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)上指出了未來冷凝干燥器（Condensing Heat Exchanger，CHX）的發(fā)展方向。

1 國際空間站各艙段溫濕度控制子系統(tǒng)

環(huán)控生保系統(tǒng)包含多項功能，如氣體供給及控制、氣體再生、溫濕度控制、火災檢測與滅火、水循環(huán)再生、廢水管理等[3]，NASA 把航天員出艙活動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)的各項功能由多個子系統(tǒng)分別承擔，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)的部分來源；火災檢測與滅火子系統(tǒng)的冷卻由溫濕度控制子系統(tǒng)承擔。本文重點介紹國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。

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

國際空間站每個有人活動的艙內(nèi)都設有溫濕度控制子系統(tǒng)，包括美國研制的4 個密封艙及3 個加壓對接適配器，俄羅斯研制的7 個密封艙，歐洲空間局研制的5 個密封艙，以及日本研制的最大密封艙。圖2為國際空間站艙內(nèi)溫濕度控制子系統(tǒng)分布。

圖2 國際空間站艙內(nèi)溫濕度控制子系統(tǒng)分布 Fig.2 Distribution of THC subsystem in the ISS

1.1 美國各艙段

帶有氣體溫濕度控制子系統(tǒng)的美國艙段包括實驗艙，生活艙，氣閘艙，節(jié)點艙Ⅰ、II[5]，以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號加壓對接適配器。各艙的溫濕度控制子系統(tǒng)設計指標見表1。

表1 美國艙段溫濕度控制子系統(tǒng)設計指標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），電子設備空調(diào)組件（Avionics Air Assembly，AAA）和艙間通風組件（Inter-Module Valve，IMV）。其中共用艙室空調(diào)組件（見圖3）不但負責艙室除濕降溫，而且為溫濕度控制提供動力源，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 個艙內(nèi)，即實驗艙（2 臺）、生活艙（1 臺）、節(jié)點艙II（1 臺）及氣閘艙（1 臺），其余艙的溫濕度通過艙間通風組件受其控制。這4個艙熱載荷存在差異，它們的性能不盡相同。

本文重點介紹冷凝干燥器及旋轉(zhuǎn)氣液分離器。冷凝干燥器為一個四通道的冷卻水橫向交叉流動的結(jié)構(gòu)，具有33 個空氣流通層及34 個冷卻層，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。干燥器邊緣為降溫層，有冷凝水管道通過，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入皮托管，穿過截止閥及安全閥，最終注入到液體冷凝管中。空氣止回閥用來防止水分離器不工作時空氣的回流，安全閥則防止冷凝水的回流，以及控制逆流壓。適當?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存到金屬儲箱中。

圖4 美國艙內(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，艙室空氣經(jīng)過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)冷凝干燥器進行干燥，冷凝水被吸入到多孔材料的小孔中；其余空氣進入與旋轉(zhuǎn)氣液分離器相連的管道，由分離器繼續(xù)進行氣液分離，放出的熱量通過主動熱控回路帶走；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程。控制單元共有6 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)部計算機軟件配置項發(fā)出指令并控制組件做出特定動作。

2）電子設備空調(diào)組件

電子設備空調(diào)組件為火災檢測與滅火子系統(tǒng)提供冷卻空氣，見圖5。

圖5 電子設備空調(diào)組件Fig.5 Avionics air assembly (AAA)

電子設備空調(diào)組件是一個高度集成的袖珍型組件，集成有入出口消音器、煙霧檢測器、風扇、電動機、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）。

3）艙間通風組件

艙間通風組件包括風機、艙間通風閥、通風管路及高效微粒空氣過濾器（HEPA）等[7]。該組件的主要功能是為沒有獨立配備溫濕度控制設備的艙室提供溫濕度控制并監(jiān)測污染。艙間通風組件承擔艙室溫濕度的保持、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，同時還承擔空氣在整個空間站加壓艙間的循環(huán)任務。

1.1.2 降溫除濕工況

降溫除濕共分兩個工況：

1）當俄羅斯相應艙段的氣體供應未輸送到美國實驗艙時，由艙室尾部的模塊間通風風機工作作為補充；

2）當聯(lián)合氣閘艙對接之后，且沒有在聯(lián)合氣閘艙執(zhí)行出艙活動時，則由艙室右舷部位的模塊間通風風機工作作為補充。

1.2 其他國家或機構(gòu)的艙段

1）俄羅斯艙段

俄羅斯艙段主要有服務艙（SM）、功能貨物艙（FGB）及生命支持艙（LSM）。SM 內(nèi)有2 臺冷凝干燥器組件，LSM 內(nèi)也有2 臺。俄羅斯冷凝干燥器見圖6(a)。俄羅斯的冷凝干燥器與美國的在結(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驗艙（APM）和多用途后勤艙（MPLM）。APM 具有獨立的溫濕度控制子系統(tǒng)，MPLM 則通過通風管路由美國實驗艙控制。歐洲空間局的冷凝干燥器組件在結(jié)構(gòu)上與美國的相似，除濕原理相同[8-9]，見圖6(b)。艙內(nèi)設有2 臺干燥器（并聯(lián)安裝，除濕時，只有一臺工作，另一臺作備份），干燥器通道表面覆蓋親水材料蒙皮，且可對空氣進行除菌處理，吸管將蒙皮通向儲水器。兩臺并聯(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。

3）日本艙段

日本艙段包含實驗艙（JEM）及實驗后勤艙（ELM）。其冷凝干燥器及旋轉(zhuǎn)氣液分離器的原理與美國的相同，僅封裝略有區(qū)別，見圖6(c)。

圖6 其他國家或機構(gòu)艙段的冷凝干燥器組件Fig.6 CHX assemblies in modules of other countries or agencies

2 關(guān)鍵設備的除濕原理和運行技術(shù)分析

縱觀國際空間站各艙段的空氣溫濕度控制技術(shù)，無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。廢熱被主動熱控回路工質(zhì)帶走，最終排放到艙外太空。在實現(xiàn)降溫除濕過程中涉及兩個關(guān)鍵設備：一個是冷凝干燥器，利用它來實現(xiàn)汽水初級分離；另一個是旋轉(zhuǎn)氣液分離器，利用它實現(xiàn)汽水二級分離。除此之外，國際空間站溫濕度控制子系統(tǒng)還用到多項運行技術(shù)，如拓撲組織結(jié)構(gòu)、機柜式安裝管理及自動控制等。

2.1 關(guān)鍵設備的除濕原理

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駐留在干燥器的波浪狀表層，之后冷凝干燥器的吸濕層開始發(fā)揮作用：當形成的液滴被氣流吹到微孔時，微孔即利用毛細作用力將液滴引向干燥器內(nèi)層的儲水管，實現(xiàn)了氣液的初級分離，為下一步完全分離做好準備。圖7所示為冷凝干燥器的內(nèi)部除濕原理。

圖7 美國艙內(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現(xiàn)分離，分離出的水進入水循環(huán)再生子系統(tǒng)，氣體即被降溫除濕。

2.2 運行技術(shù)

1）拓撲組織結(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接組織在一起，相鄰艙間隔著艙門，通風管路可以穿過艙門從一艙到達另一艙，采用拓撲結(jié)構(gòu)能方便地實現(xiàn)溫濕度控制子系統(tǒng)對艙段群的局部控制。如以實驗艙為中心，設置冷凝干燥器，用通風管路將相鄰的節(jié)點艙Ⅰ、Ⅱ與實驗艙相連（歐空局多用途后勤艙的溫濕度也受實驗艙控制）。多艙拓撲結(jié)構(gòu)原理見圖8。

圖8 多艙拓撲結(jié)構(gòu)原理 Fig.8 Principle of topology structure of multiple modules

拓撲組織結(jié)構(gòu)設計可以避免每個須降溫除濕的密封艙都設置共用艙室空調(diào)組件，降溫除濕時，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。實現(xiàn)以共用艙室空調(diào)組件為結(jié)點的溫濕度控制拓撲結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)整合性及工作效率。

2）機柜式安裝管理技術(shù)

與以往航天器不同的是，國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柜中，如電源模塊、主動熱控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊及實驗載荷模塊等。機柜式安裝管理理念在環(huán)控生保系統(tǒng)中也得到體現(xiàn)，如美國艙內(nèi)的溫濕度控制硬件設備集中安裝在實驗艙右舷第6 個機柜中，便于集中管理，見圖9。

圖9 溫濕度控制機柜 Fig.9 THC rack

3）自動控制技術(shù)

在降溫除濕過程中，出口的空氣參數(shù)由傳感器監(jiān)測，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：當空氣溫濕度達不到要求時，控制器自動加大溫控閥的開度，使出口空氣的溫濕度逐漸接近，直至達到預設目標值；當溫濕度超出要求時，控制器自動減小溫控閥的開度，以維持預設目標值。在整個工作過程中，航天員只需設定目標值，類似于地面空調(diào)的溫度設置。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度來調(diào)節(jié)氣流量。

綜上所述的僅是溫濕度控制方面的運行管理技術(shù)，其實環(huán)控生保系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)所涉及的運行管理同樣重要，為了提高工作效率、節(jié)省空間，需綜合考慮。

2.3 新型冷凝干燥器

圖6中各冷凝干燥器的結(jié)構(gòu)被證明有兩個缺點：1）冷凝水在材料表面形成的薄膜影響了熱傳導；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，只要控制好牽引時吸入壓頭的壓力，即可達到氣液分離的目的。此時氣泡只會留在冷凝基中而不會進入到多孔陶瓷材料中，多孔陶瓷材料與牽引設備相連，其中的冷凝水即被牽走。總的來說，冷凝基利用毛細作用力同時實現(xiàn)氣 液兩級分離。

降溫除濕過程可簡單描述如下：空氣流動至冷凝干燥器表面時，濕氣在多孔材料基表層開始凝結(jié)成水，多孔材料基表層的小孔將凝結(jié)后的水暫時收集起來；當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，中央吸管上的毛細管憑借毛細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)點在于，可以直接將空氣中的氣液進行分離，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，計劃用于未來航天器上。表2為新型冷凝干燥器與傳統(tǒng)冷凝干燥器的比對。

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

3 結(jié)束語

文章對國際空間站的溫濕度控制子系統(tǒng)進行了跟蹤研究，同時對其關(guān)鍵設備即冷凝干燥器及旋轉(zhuǎn)氣液分離器進行了分析。在工程管理上，國際空間站艙段間利用了拓撲組織結(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作用同時實現(xiàn)了汽水冷凝及氣液分離，技術(shù)優(yōu)勢明顯，是冷凝干燥器未來的一個發(fā)展方向。

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