載人航天器組合體氧分壓控制仿真分析

靳健

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

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載人航天器組合體氧分壓控制仿真分析

靳健

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

載人航天器組合體通常由多個(gè)具備不同功能的密封艙通過(guò)在軌組裝形成，并由其中的單個(gè)密封艙利用艙間換氣對(duì)組合體空氣環(huán)境進(jìn)行集中控制。文章建立了一種載人航天器組合體氧分壓控制仿真分析模型，對(duì)五艙載人航天器組合體組裝建造過(guò)程中各密封艙氧分壓和空氣總壓變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，受艙間換氣量、密封艙數(shù)量、航天員駐留位置變化等因素的影響，組合體氧分壓和空氣總壓變化趨勢(shì)與單個(gè)密封艙情況存在顯著差異。隨著密封艙數(shù)量的增加，離氧分壓主控艙輸運(yùn)距離越遠(yuǎn)的密封艙，氧分壓的波動(dòng)范圍越窄，且所能達(dá)到的氧分壓上限也越低；同時(shí)，組合體空氣總壓的波動(dòng)范圍也越窄。隨著艙間換氣量的增大，各密封艙氧分壓的差異逐漸縮小，組合體的空氣總壓波動(dòng)范圍增大。五艙組合體的氧分壓和空氣總壓變化范圍及波動(dòng)周期，明顯小于與它總?cè)莘e相同的單個(gè)密封艙，這種差異隨著艙間換氣量的增大而減小。文章的研究結(jié)果有助于載人航天器組合體環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

載人航天器組合體；密封艙；氧分壓；空氣總壓；艙間換氣

1 引言

為實(shí)現(xiàn)航天員長(zhǎng)期在軌駐留以及開展大規(guī)模空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，載人航天器組合體通常由具備不同功能的多個(gè)密封艙在軌組裝形成。以“國(guó)際空間站”為例，這些密封艙包括航天員駐留生活艙、在軌實(shí)驗(yàn)支持艙、節(jié)點(diǎn)艙、載人飛船、貨運(yùn)飛船等。載人航天器組合體各個(gè)艙段在軌組裝有一個(gè)過(guò)程，航天員在軌駐留期間，駐留環(huán)境會(huì)隨著組裝過(guò)程逐漸變化，經(jīng)歷單艙駐留至多艙駐留的過(guò)程。

為確保航天員在軌駐留的安全性和舒適性，必須通過(guò)環(huán)境控制系統(tǒng)在密封艙內(nèi)制造出類似于地面的氧分壓環(huán)境和空氣總壓環(huán)境。在有人駐留的情況下，載人航天器組合體各個(gè)密封艙之間的艙門通常處于開啟狀態(tài)，組合體氧分壓通常由1個(gè)或若干個(gè)密封艙的氧分壓控制系統(tǒng)利用艙間換氣進(jìn)行集中控制[1-7]。為確保氧分壓集中控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)密封艙數(shù)量不斷增加的組合體構(gòu)型，滿足航天員駐留在不同艙段的氧分壓控制需求，必須在設(shè)計(jì)階段對(duì)組合體氧分壓控制情況進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能。文獻(xiàn)[8]建立了單個(gè)密封艙的供氣調(diào)壓模型，分析了艙內(nèi)氧分壓和空氣總壓隨在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明，氧分壓受航天員耗氧和供氧的影響，呈周期性波動(dòng)狀態(tài)，空氣總壓也受氧分壓的影響而周期性波動(dòng)變化。文獻(xiàn)[9]針對(duì)單個(gè)密封空間的空氣總壓和氧分壓變化趨勢(shì)建立了計(jì)算公式，分析得出了解析解，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了解析解的正確性。文獻(xiàn)[10-12]建立了單個(gè)密封艙供氣集成仿真模型，針對(duì)消耗型供氧和再生式供氧2種不同類型的供氧系統(tǒng)，分析了單艙密封艙內(nèi)空氣總壓和氧分壓隨航天員駐留時(shí)間的變化趨勢(shì)。上述研究均是針對(duì)單個(gè)密封艙內(nèi)的氧分壓控制情況進(jìn)行分析，未涉及到組合體氧分壓集中控制的情況。文獻(xiàn)[13]針對(duì)兩艙組合體建立了氧分壓控制仿真分析模型，分析了航天員駐留位置、艙間換氣量以及氧分壓監(jiān)測(cè)方式對(duì)兩艙組合體氧分壓控制效果的影響，但是研究中并未分析組合體氧分壓控制過(guò)程對(duì)組合體空氣總壓的影響。以和平號(hào)空間站、“國(guó)際空間站”和我國(guó)在建空間站為代表的大型載人航天器組合體，其密封艙的數(shù)量遠(yuǎn)多于2個(gè)，這些密封艙承擔(dān)了不同的功能，如負(fù)責(zé)居住、平臺(tái)控制、空間實(shí)驗(yàn)或貯存貨物，因此，對(duì)載人航天器組合體的氧分壓控制方式進(jìn)行分析，對(duì)空間站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、乘員安全性和舒適性的提高、在軌資源的合理利用都具有重要意義。

本文針對(duì)五艙在軌組裝形成的載人航天器組合體，利用數(shù)學(xué)分析軟件Ecosimpro建立組合體密封艙內(nèi)氧分壓控制仿真分析模型；計(jì)算分析了該組合體構(gòu)型下從單艙至五艙組合體組裝完畢過(guò)程中氧分壓和空氣總壓的變化趨勢(shì)，并分析了艙間換氣量和航天員所在艙段位置對(duì)組合體各個(gè)密封艙內(nèi)氧分壓和空氣總壓變化趨勢(shì)的影響；對(duì)確定載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵參數(shù)取值范圍、了解各個(gè)艙段氧分壓和空氣總壓變化規(guī)律等均有參考價(jià)值。

2 氧分壓控制系統(tǒng)組成

本文研究對(duì)象為五艙載人航天器組合體，其中：艙Ⅰ主要提供本艙(單艙)及兩艙到五艙組合體的平臺(tái)管理功能，包括軌道和姿態(tài)控制、載人環(huán)境控制、信息管理等，同時(shí)提供乘員生活和休息設(shè)施。艙Ⅱ提供部分核心平臺(tái)管理功能的備份，提供乘員生活和休息設(shè)施，并支持少量空間載荷試驗(yàn)。艙Ⅲ至艙Ⅴ主要支持空間載荷試驗(yàn)。首先，發(fā)射艙Ⅰ，隨后依次發(fā)射艙Ⅱ至艙Ⅴ，在軌組裝形成組合體。組合體各艙均具備供電功能，但軌道和姿態(tài)控制、信息管理等均由艙Ⅰ統(tǒng)一控制，組合體密封艙氧分壓和空氣總壓也由艙Ⅰ集中控制，當(dāng)艙Ⅰ發(fā)生故障時(shí)，由艙Ⅱ?qū)M合體進(jìn)行集中控制。參考“國(guó)際空間站”指標(biāo)要求[7]，設(shè)定各密封艙內(nèi)氧分壓控制范圍是20 000～24 000 Pa，氧分壓控制系統(tǒng)相關(guān)要素如下。

(1)密封艙：各密封艙有效容積均為36 m3，五艙采用“一”字型組合體。

(2)航天員：駐留人數(shù)為6，忽略航天員代謝水平差異，每位航天員的耗氧速率為0.030 8 kg/h。

(3)氧分壓控制裝置：艙Ⅰ內(nèi)設(shè)置氧分壓控制裝置，同時(shí)控制艙Ⅰ和其他密封艙的氧分壓水平。當(dāng)組合體中有1個(gè)密封艙的氧分壓低于20 000 Pa時(shí)，艙Ⅰ氧分壓控制裝置開始向艙Ⅰ內(nèi)供氧，供氧速率為0.001 kg/s；當(dāng)組合體中有1個(gè)密封艙的氧分壓達(dá)到24 000 Pa時(shí)，艙Ⅰ氧分壓控制裝置停止工作。

(4)艙間換氣系統(tǒng)：在艙Ⅰ配備艙間通風(fēng)風(fēng)機(jī)和艙間通風(fēng)管道，利用通風(fēng)管道將艙Ⅱ的空氣抽至艙Ⅰ，艙Ⅰ空氣通過(guò)對(duì)接通道回風(fēng)至艙Ⅱ。在艙Ⅱ配備艙間通風(fēng)風(fēng)機(jī)和艙間通風(fēng)管道，利用通風(fēng)管道將艙Ⅲ的空氣抽至艙Ⅱ，艙Ⅱ空氣通過(guò)對(duì)接通道回風(fēng)至艙Ⅲ。艙Ⅲ、艙ⅠⅤ和艙Ⅴ的情況依次類推。

五艙載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 仿真分析模型

本文采取面向?qū)ο蟮慕７绞浇⑤d人航天器組合體氧分壓控制仿真分析模型，根據(jù)實(shí)際載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，識(shí)別艙體、乘員代謝、氧分壓控制、艙間換氣這些物理對(duì)象中的關(guān)鍵參數(shù)、主要性能描述方程、設(shè)備間物質(zhì)和能量接口關(guān)系，并通過(guò)定義一組變量和一組微分代數(shù)方程、常微分方程對(duì)這些物理對(duì)象進(jìn)行描述，形成各個(gè)物理對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的接口關(guān)系將這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、能量、信息在各個(gè)數(shù)學(xué)模型間的傳遞關(guān)系。

本文具體選用的建模工具為Ecosimpro，以及配套使用的數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫(kù)“環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)”(ECLSS)，通過(guò)對(duì)ECLSS中預(yù)設(shè)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修改和邏輯關(guān)聯(lián)，形成本文所需的仿真分析模型。Ecosimpro和ECLSS的詳細(xì)信息參見(jiàn)文獻(xiàn)[12-13]，主要數(shù)學(xué)模型描述如下。

密封艙內(nèi)空氣質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：mj為密封艙內(nèi)空氣中第j種成分的質(zhì)量；wi為從各個(gè)接口進(jìn)入密封艙的空氣質(zhì)量流量；xi,j為進(jìn)入密封艙的空氣質(zhì)量流量中第j種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wo為從各個(gè)接口流出密封艙的空氣質(zhì)量流量；xo,j為從各個(gè)接口流出密封艙的空氣質(zhì)量流量中第j種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wl,j為航天員代謝產(chǎn)生的第j種空氣成分的質(zhì)量流量；t為計(jì)算時(shí)間。

密封艙內(nèi)空氣總質(zhì)量為

(2)

式中：N為密封艙內(nèi)空氣成分總數(shù)。

密封艙內(nèi)空氣中第j種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

(3)

密封艙內(nèi)空氣中第j種成分的摩爾分?jǐn)?shù)為

(4)

式中：Wl為密封艙內(nèi)空氣中第l種成分的摩爾質(zhì)量。

密封艙內(nèi)空氣密度為

(5)

式中：Vair為密封艙內(nèi)空氣體積。

供氧組件工作時(shí)，以恒定質(zhì)量速率向密封艙內(nèi)輸送氧氣，即

(6)

式中：MO為供氧組件工作期間向密封艙內(nèi)供氧的總質(zhì)量；wm,O為供氧組件工作期間向密封艙內(nèi)供氧的質(zhì)量速率。

存在接口關(guān)系的數(shù)學(xué)模型間物質(zhì)質(zhì)量流量為

(7)

式中：w為流過(guò)接口的總凈質(zhì)量流量；wf為從上游流向下游的物質(zhì)質(zhì)量流量；wb為從下游逆向流向上游的物質(zhì)質(zhì)量流量。

存在接口關(guān)系的數(shù)學(xué)模型間流過(guò)接口的第j種物質(zhì)成分質(zhì)量流量為

wj=wfxf,j-wbxb,j

(8)

式中：xf,j為接口處從上游流向下游的第j種物質(zhì)成分在該流向的總質(zhì)量流量中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；xb,j為接口處從下游逆向流向上游的第j種成分在該流向的總質(zhì)量流量中占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

五艙載人航天器組合體氧分壓控制仿真模型見(jiàn)圖2，氧分壓控制系統(tǒng)安裝在艙Ⅰ里，通過(guò)艙間換氣集中控制組合體各個(gè)艙段內(nèi)的氧分壓。

4 結(jié)果與分析

4.1 航天員駐留位置對(duì)氧分壓和空氣總壓的影響

利用載人航天器組合體氧分壓控制仿真模型，本文計(jì)算分析了隨著組合體密封艙數(shù)量的增加，航天員駐留位置對(duì)各個(gè)密封艙氧分壓和空氣總壓的影響。在本文計(jì)算分析中，主要設(shè)定如下。

(1)6名航天員的代謝耗氧速率一致，且忽略航天員代謝水平的波動(dòng)。

(2)從最初的1個(gè)密封艙通過(guò)在軌組裝最終擴(kuò)展成5個(gè)密封艙，在這個(gè)過(guò)程中設(shè)定航天員駐留在新組裝的密封艙內(nèi)，如圖1所示。

(3)艙間換氣量為1.0 m3/min。

(4)參考我國(guó)前期載人航天器在軌飛行經(jīng)驗(yàn)，密封艙內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)獾臅r(shí)間間隔超過(guò)半年，表明密封艙體的氣體自然泄漏率很低，本文分析的時(shí)間周期為7天，因此，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略艙體自然泄漏的影響。

在載人航天器組合體組裝建造過(guò)程中，密封艙內(nèi)氧分壓和空氣總壓變化過(guò)程計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)可知，隨著航天員耗氧和氧分壓控制系統(tǒng)供氧，單艙階段，艙Ⅰ的氧分壓在20 000～24 000 Pa呈周期性波動(dòng)，每次供氧的時(shí)間間隔為40 000 s。由圖3(d)可知，艙Ⅰ的空氣總壓也隨著氧分壓的變化在95 800～99 800 Pa波動(dòng)，波動(dòng)間隔與氧分壓一致。

由圖3(b)可知，兩艙階段，艙Ⅰ的氧分壓在20 100～24 000 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅱ的氧分壓在20 000～22 800 Pa呈周期性波動(dòng)。與單艙相比，兩艙組合體的氧分壓波動(dòng)范圍在縮小，由于組合體容積增大，供氧的時(shí)間間隔延長(zhǎng)為60 000 s。由圖3(e)可知，兩艙階段，艙Ⅰ和艙Ⅱ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在95 800～99 400 Pa波動(dòng)，波動(dòng)間隔與氧分壓一致；與圖3(d)對(duì)比可知，空氣總壓的波動(dòng)范圍已經(jīng)不是4000 Pa，而是縮小為3600 Pa。

由圖3(c)可知，五艙階段，艙Ⅰ的氧分壓在20 350～24 000 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅱ的氧分壓在20 300～22 280 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅲ的氧分壓在21 500～22 040 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅳ的氧分壓在20 120～21 170 Pa呈周期性波動(dòng)；航天員所在的艙Ⅴ的氧分壓在20 000～21 000 Pa呈周期性波動(dòng)。與單艙階段和兩艙階段相比，五艙階段的氧分壓波動(dòng)范圍進(jìn)一步減小。由于組合體容積增大，供氧的時(shí)間間隔延長(zhǎng)為65 000 s。由圖3(f)可知，五艙階段，艙Ⅰ～艙Ⅴ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在96 000～97 750 Pa波動(dòng)，波動(dòng)間隔與氧分壓一致；與圖3(d)對(duì)比可知，空氣總壓的波動(dòng)范圍已經(jīng)不是4000 Pa，而是縮小為1750 Pa。

綜上所述，隨著組合體密封艙的增多，離氧分壓主控艙輸運(yùn)距離越遠(yuǎn)的艙段，氧分壓的控制帶越窄，且所能達(dá)到的氧分壓上限也越低。以五艙組合體為例，當(dāng)航天員駐留在艙Ⅴ時(shí)，艙Ⅴ的氧分壓控制帶只有1000 Pa，而且在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，艙Ⅴ的氧分壓也沒(méi)有超出21 000 Pa，這與單艙階段艙Ⅰ的氧分壓變化趨勢(shì)差異明顯。

4.2 艙間換氣量對(duì)氧分壓和空氣總壓的影響

組合體各艙間的換氣量對(duì)艙間空氣成分輸運(yùn)速率有直接影響，因此，在組合體空氣環(huán)境集成控制設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確定合理的艙間換氣量，確保空氣成分在艙間輸運(yùn)的需求。針對(duì)五艙組合體，分析了艙間換氣量分別為0.7 m3/min和2.0 m3/min時(shí)組合體各密封艙氧分壓和空氣總壓隨在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)，計(jì)算時(shí)的其他設(shè)定同第4.1節(jié)，分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4(a)可知，當(dāng)艙間換氣量為0.7 m3/min時(shí)，艙Ⅰ的氧分壓在20 500～24 000 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅱ的氧分壓在20 450～22 050 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅲ的氧分壓在20 350～21 300 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅳ的氧分壓在20 200～20 900 Pa呈周期性波動(dòng)；航天員所在的艙Ⅴ的氧分壓在20 000～20 580 Pa呈周期性波動(dòng)。供氧的時(shí)間間隔為52 500 s。對(duì)比圖3(c)可知，隨著艙間換氣量減小，各艙氧分壓的波動(dòng)范圍進(jìn)一步縮小，對(duì)于航天員駐留的艙Ⅴ，氧分壓波動(dòng)范圍已經(jīng)減小至580 Pa，且供氧的時(shí)間間隔縮短。

由圖4(b)可知，當(dāng)艙間換氣量為2.0 m3/min時(shí)，艙Ⅰ的氧分壓在20 200～24 000 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅱ的氧分壓在20 170～22 770 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅲ的氧分壓在20 130～22 050 Pa呈周期性波動(dòng)；艙Ⅳ的氧分壓在20 170～21 800 Pa呈周期性波動(dòng)；航天員所在的艙Ⅴ的氧分壓在20 000～21 700 Pa呈周期性波動(dòng)。供氧的時(shí)間間隔為91 000 s。對(duì)比圖3(c)可知，隨著艙間換氣量增大，各艙氧分壓的波動(dòng)范圍顯著增大，對(duì)于航天員駐留的艙Ⅴ，氧分壓波動(dòng)范圍增大至1700 Pa。

由圖4(c)可知，艙Ⅰ～艙Ⅴ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在96 100～97 520 Pa波動(dòng)，波動(dòng)間隔與氧分壓一致，空氣總壓的波動(dòng)范圍縮小為1420 Pa。對(duì)比圖3(f)可知，隨著艙間換氣量減小，組合體空氣總壓的波動(dòng)范圍也進(jìn)一步減小。

由圖4(d)可知，艙Ⅰ～艙Ⅴ的空氣總壓一致，隨著氧分壓的變化在96 000～98 400 Pa波動(dòng)，波動(dòng)間隔與氧分壓一致，空氣總壓的波動(dòng)范圍縮小為2400 Pa，對(duì)比圖3(f)可知，隨著艙間換氣量增大，組合體空氣總壓的波動(dòng)范圍也增大。

4.3 組合體結(jié)構(gòu)與單艙結(jié)構(gòu)的氧分壓和空氣總壓對(duì)比

由前文分析可知，組合體密封艙數(shù)量的增加以及艙間換氣量的變化，對(duì)各艙氧分壓和空氣總壓的變化范圍及供氧過(guò)程的時(shí)間間隔均產(chǎn)生顯著影響。為進(jìn)一步分析組合體氧分壓和空氣總壓由單艙段進(jìn)行集中控制的特點(diǎn)，本文計(jì)算了與五艙組合體總?cè)莘e相同(180 m3)的單個(gè)密封艙在艙間換氣量為2.0 m3/min時(shí)對(duì)應(yīng)的氧分壓和空氣總壓變化趨勢(shì)，與五艙組合體進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

由圖5(a)可知，對(duì)于容積為180 m3的單個(gè)密封艙，氧分壓在20 000～24 000 Pa呈周期性波動(dòng)，供氧時(shí)間間隔為200 000 s。與圖4(a)對(duì)比可知，雖然五艙組合體的總?cè)莘e也是180 m3，但各個(gè)密封艙的氧分壓波動(dòng)范圍和供氧的時(shí)間間隔明顯小于容積為180 m3的單個(gè)密封艙。與圖3(c)和圖4(b)對(duì)比可知，隨著艙間換氣量的增大，五艙組合體的氧分壓變化范圍及波動(dòng)間隔均有所增大。

由圖5(b)可知，對(duì)于容積為180 m3的單個(gè)密封艙，空氣總壓隨著氧分壓的變化在95 850～99 850 Pa周期性波動(dòng)。與圖4(c)、圖3(f)和圖4(d)對(duì)比可知，雖然五艙組合體的總?cè)莘e也是180 m3，但各個(gè)密封艙的空氣總壓波動(dòng)受氧分壓波動(dòng)的影響，變化范圍和波動(dòng)周期明顯小于容積為180 m3的單個(gè)密封艙，隨著艙間換氣量的增大，五艙組合體的空氣總壓變化范圍及波動(dòng)間隔均有所增大。

上述結(jié)果是由于艙間傳質(zhì)能力的差異和氧分壓控制策略共同造成的，單個(gè)密封艙內(nèi)部強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)系統(tǒng)總換氣量通常在20.0 m3/min以上，在本艙內(nèi)的空氣成分輸運(yùn)能力較強(qiáng)，可確保氧分壓在艙內(nèi)較為均勻的分布。而艙間換氣系統(tǒng)受功耗、構(gòu)型、輸運(yùn)距離等多個(gè)因素的限制，空氣成分的艙間輸運(yùn)能力相對(duì)較弱，而組合體氧分壓控制策略是無(wú)論哪個(gè)密封艙的氧分壓達(dá)到下限，主控艙都會(huì)啟動(dòng)供氧操作，無(wú)論哪個(gè)密封艙的氧分壓達(dá)到上限，都會(huì)停止供氧。因此，在總?cè)莘e和氧分壓控制系統(tǒng)參數(shù)均相同的情況下，組合體的氧分壓和空氣總壓變化趨勢(shì)與單個(gè)密封艙的有顯著差別，組合體中部分密封艙的氧分壓變化范圍明顯小于20 000～24 000 Pa的控制范圍。隨著艙間換氣量的增加，艙間輸運(yùn)能力增強(qiáng)，這種差別也就隨之減弱。

5 結(jié)論

本文通過(guò)Ecosimpro軟件搭建了仿真分析模型，對(duì)載人航天器五艙組合體氧分壓控制過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，包括五艙組合體組建過(guò)程中各個(gè)密封艙的氧分壓和空氣總壓隨在軌時(shí)間的變化趨勢(shì)，主要結(jié)論如下。

(1)隨著組合體密封艙數(shù)量的增加，各艙氧分壓變化趨勢(shì)差異明顯，離氧分壓主控艙輸運(yùn)距離越遠(yuǎn)的密封艙，氧分壓的控制帶越窄，且所能達(dá)到的氧分壓上限也越低。在本文設(shè)定的五艙組合體中，當(dāng)航天員駐留在艙Ⅴ時(shí)，艙Ⅴ的氧分壓控制帶只有1000 Pa。組合體各艙空氣總壓保持一致，但波動(dòng)范圍受氧分壓影響，為1750 Pa。

(2)隨著艙間換氣量的增大，各艙氧分壓的差異逐漸縮小，且各艙氧分壓波動(dòng)范圍加大，組合體空氣總壓變化范圍也逐漸增大。

(3)本文對(duì)比了總?cè)莘e和氧分壓控制系統(tǒng)參數(shù)相同情況下，單個(gè)密封艙和五艙組合體的氧分壓和空氣總壓變化趨勢(shì)。由于艙間傳質(zhì)能力的差異和氧分壓控制策略的共同作用，五艙組合體的氧分壓和空氣總壓變化范圍及波動(dòng)周期顯著小于單個(gè)密封艙，這種差異隨著艙間換氣量的增大而減小。

本文的研究結(jié)果有助于確定載人航天器組合體供氣調(diào)壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)取值范圍，了解各個(gè)密封艙的氧分壓和空氣總壓變化規(guī)律，為載人航天器組合體氧分壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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(編輯：夏光)

Simulation Analysis on O2Partial Pressure Control of Manned Spacecraft Combination

JIN Jian

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

Manned spacecraft combination is usually assembled by several pressurized cabins with different functions. Air environment of manned spacecraft combination is usually controlled by one of these pressurized cabins through inter-cabin ventilation. A simulation analysis model of O2partial pressure control of manned spacecraft combination is developed. By using this simulation model, O2partial pressure and air pressure of manned spacecraft combination with five cabins are analyzed during the assembling process. The analysis results show that O2partial pressure and air pressure of combination have different varying trends from that of single cabin due to the change of inter-cabin mass transfer, cabin number, crew location, etc. As transport distance of inter-cabin ventilation is increasing, varying range of O2partial pressure of pressurized cabins without O2partial pressure control system is getting smaller and smaller, furthermore, O2partial pressure highest value is becoming lower and lower, meanwhile, varying range of air pressure of combination is getting smaller and smaller. As inter-cabin ventilation flux is increasing, difference of O2partial pressure between pressurized cabins is decreasing and varying range of air pressure of combination is increasing. Varying range and cycle of O2partial pressure as well as air pressure of five-cabin combination are dramatically smaller than that of single pressurized cabin with the same volume. The difference is decreasing when the inter-cabin ventilation flux is increasing. The ana-lysis results can contribute to the design and optimization of environment control system of manned spacecraft combination.

manned spacecraft combination； pressurized cabin； O2partial pressure； air pressure； inter-cabin ventilation

2017-01-11；

2017-01-25

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

靳健，男，博士，高級(jí)工程師，從事空間站熱管理系統(tǒng)和載人環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。Email：jinjian0331@126.com。

V416.5

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.008