“天宮二號”空間實驗室密封艙熱舒適性評價

陳 靈，趙 亮，金 宇，劉炳清，曹劍峰，滿廣龍

（北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）

0 引言

“天宮二號”是我國第一個真正意義上的空間實驗室，于2016年9月發(fā)射入軌，是實現(xiàn)航天員在軌中期駐留的場所。2016年10月，“天宮二號”與“神舟十一號”交會對接形成組合體期間，航天員在“天宮二號”密封艙上工作和生活了30天，為我國歷次載人航天飛行任務駐留時間之最。對于載人航天器密封艙而言，除了保證艙體結(jié)構(gòu)、設(shè)備儀器的溫度處在合適范圍以內(nèi)，還需要為航天員提供舒適的工作、生活場所，尤其對于中長期駐留，這一點更為重要。所謂舒適的環(huán)境主要指密封艙內(nèi)的空氣溫度和濕度控制在合適范圍內(nèi)。目前我國載人航天器密封艙主要通過流體回路和電加熱方式進行溫濕度控制。

環(huán)境是否舒適需通過熱舒適性指標來衡量。熱舒適性是人體對于周圍環(huán)境所做的主觀滿意度評價。人們對于熱舒適性的認識和評價是不斷發(fā)展的。目前最流行的熱舒適性評價方法是采用Fanger教授提出的PMV（predicted mean vote）指標[1]，綜合考慮人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、空氣濕度、周圍環(huán)境平均溫度及空氣流動速度等6個因素。

國內(nèi)對于熱舒適性評價的研究主要集中于住宅、汽車、列車、飛機座艙等領(lǐng)域[2-5]，對于載人航天器密封艙的熱舒適性研究不多。2003年，我國第一位航天員搭乘“神舟”飛船進入太空，科研人員以“神舟”載人飛船為目標開展了載人飛船熱舒適性評價研究[6]；而航天員在軌中長期駐留時的生活、工作場所主要為空間實驗室或空間站。因此，本文以“天宮二號”空間實驗室為對象，采用PMV指標對密封艙的熱舒適性進行評價。

1 熱舒適性評價方法

1984年，國際標準化組織根據(jù)Fanger教授的研究成果，制定了ISO7730標準，采用PMV指標評價人體舒適感。PMV指標建立在人體熱平衡方程的基礎(chǔ)上——人體為了維持正常的體溫，需使產(chǎn)熱和散熱保持平衡，人體的產(chǎn)熱主要為新陳代謝過程中產(chǎn)生的熱量，人體的散熱則以對外做功、對流、輻射和蒸發(fā)方式進行。

人體的熱平衡方程可表示為

式中：M為人體能量代謝率，取決于活動量的大小，W/m2；W為人體對外所做的機械功，W/m2；C為人體外表面通過對流形式向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量，W/m2；R為人體外表面通過輻射形式向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量，W/m2；E為汗液蒸發(fā)和呼出的水蒸氣所帶走的熱量，W/m2；L為人體熱負荷率，W/m2，當L=0時人體感覺最舒服，當L＞0時人體感覺偏熱，當L＜0時則會感覺偏涼。

對于航天員在軌工作和生活，W一般按照0考慮。

人體外表面向周圍空氣的對流換熱量為

式中：fcl為著衣體表面積與裸體表面積之比；hc為衣服與空氣之間的表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tcl為衣服外表面溫度，℃；T為環(huán)境空氣溫度，℃。

其中：當Icl≥0.078 m2·K/W 時，

當Icl＜0.078 m2·K/W 時，

當 2.38(Tcl-T)0.25≥12.1u0.5時，

當 2.38(Tcl-T)0.25＜12.1u0.5時，

式 (3)～(7)中：Icl為衣服熱阻，m2·K/W，常用 clo 表示，1 clo=0.155 m2·K/W；u為空氣流速，m/s。

人體外表面向周圍環(huán)境的輻射散熱量為

其中Tr為周圍環(huán)境平均溫度，℃。

人體蒸發(fā)散熱量為

式中Pa為水蒸氣分壓，kPa，

其中φ為空氣相對濕度。

當L=0時，M-W=R+C+E。為表征人體熱負荷率不為0情況下的人體熱舒適感，F(xiàn)anger教授通過試驗得出人體感覺與熱負荷率之間關(guān)系的回歸公式：

PMV以7級熱感覺標尺作為熱舒適性指標，如表1[1]所示。

表1 PMV 熱感覺標尺Table 1 The scaling of thermal comfort by PMV

國際標準化組織在ISO7730中規(guī)定，熱環(huán)境的舒適標準為：-0.5＜PMV＜0.5；我國學者認為此標準指標要求過高，實現(xiàn)起來難度較大，一般認為可接受的舒適環(huán)境PMV指標為：-1＜PMV＜1。

2 “天宮二號”熱舒適性評價

“天宮二號”與“神舟十一號”交會對接形成組合體后，航天員在30天的駐留期內(nèi)大部分時間工作、生活在“天宮二號”內(nèi)。

圖1為“天宮二號”在軌飛行期間密封艙內(nèi)空氣溫度和濕度變化曲線，其中空氣相對濕度數(shù)據(jù)跳變時刻為航天員從“神舟十一號”載人飛船進入“天宮二號”，在此之前“天宮二號”為無人狀態(tài)。

圖1 “天宮二號”密封艙內(nèi)空氣溫度和相對濕度隨時間變化曲線Fig.1 Variations of air temperature and humidity in the airtight cabin of Tiangong-2 space lab

由圖1可知，在組合體飛行過程中，密封艙空氣溫度比較穩(wěn)定，變化在 ±3℃范圍內(nèi)，波動較小；空氣濕度大部分時間內(nèi)也是比較穩(wěn)定的，大約為34%，受航天員在軌運動出汗影響，某些時刻下空氣濕度會增大，最大達到43%，航天員運動結(jié)束后，在流體回路除濕作用下，密封艙內(nèi)空氣濕度逐漸恢復正常。

因此，熱舒適性計算時分別考慮航天員在密封艙內(nèi)正常工作和劇烈運動2種情況，計算中使用的參數(shù)如表2所示。

表2 “天宮二號”密封艙熱舒適性計算參數(shù)Table 2 Parameters for thermal comfort calculation of Tiangong-2's airtight cabin

根據(jù)表2中參數(shù)，計算得到航天員在“天宮二號”密封艙內(nèi)正常工作情況下PMV= -0.19，體感屬于比較舒適；航天員在跑步時的PMV=1.9，體感比較暖和。計算結(jié)果與航天員實際感受吻合。

由圖1可知，在航天員運動結(jié)束后，密封艙內(nèi)空氣濕度逐漸恢復正常，大部分時間內(nèi)密封艙環(huán)境相對穩(wěn)定，密封艙熱舒適性屬于比較舒適。因此可以認為，在采取泡沫和多層包覆、艙內(nèi)流體回路和通風散熱熱控設(shè)計后，“天宮二號”密封艙給航天員提供了舒適穩(wěn)定的駐留場所。

3 與載人飛船熱舒適性比對

在“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船組合體期間，“天宮二號”與載人飛船是相通的，航天員根據(jù)需要會回到飛船軌道艙和返回艙，因此對載人飛船熱舒適性也進行了計算，計算使用的參數(shù)如表3所示。

表3 “神舟十一號”載人飛船密封艙熱舒適性計算參數(shù)Table 3 Parameters for thermal comfort calculation of Shenzhou-11's airtight cabin

根據(jù)表3中參數(shù)計算得到飛船軌道艙內(nèi)PMV=-0.35，屬于比較舒適的感覺，但比“天宮二號”密封艙熱舒適性略差；返回艙內(nèi)PMV= -1.23，屬于比較涼的感覺。于新剛等[6]對以往載人飛船返回艙熱舒適性計算結(jié)果為PMV= -1.62，與本文計算結(jié)果基本一致。本文對“神舟十一號”載人飛船返回艙計算時所用的空氣溫度和周圍環(huán)境溫度參數(shù)均比參考文獻[6]的計算參數(shù)略高，因此計算得到的返回艙PMV值略高。此外，在軌飛行期間，3名航天員均在“天宮二號”睡眠休息，不在飛船軌道艙內(nèi)休息，其中2名航天員在“天宮二號”密封艙2個睡眠區(qū)睡覺休息，另外1名航天員在“天宮二號”密封艙過道睡眠休息，且航天員在飛船返回艙值守期間常有蜷縮、搓手等表現(xiàn)，而在“天宮二號”鮮有此類表現(xiàn)，證明“天宮二號”的熱舒適性更優(yōu)。

組合體期間，載人飛船大部分設(shè)備處于斷電停靠狀態(tài)，其熱耗小、溫度相對較低，導致熱舒適性較“天宮二號”差。由于載人飛船軌道艙采取了包覆多層和泡沫隔熱設(shè)計，所以軌道艙熱舒適性與“天宮二號”接近；但返回艙外表面的防熱層直接暴露在外太空，漏熱較嚴重，故返回艙無論是空氣溫度還是艙壁溫度均較低，從而熱舒適性略差。

4 與“天宮一號”熱舒適性比對

“天宮二號”密封艙在結(jié)構(gòu)、布局、熱耗等方面與“天宮一號”基本一致，主要差別在于熱控工作模式：在“天宮一號”與“神舟九號”載人飛船組合體飛行前期，熱控流體回路控溫8℃；飛行后期因載人飛船返回艙發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，“天宮一號”流體回路控溫由8℃調(diào)整為2℃，進行深冷除濕，達到了良好效果。之后的“天宮一號”與“神舟十號”載人飛船組合體以及“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船組合體均繼承了“天宮一號”與“神舟九號”載人飛船組合體飛行后期的熱控工作模式，模式的變化對密封艙內(nèi)空氣溫度和濕度有一定影響。

為獲得更多載人航天器密封艙在軌熱舒適性數(shù)據(jù)，同時分析熱控工作模式變化是否對“天宮”密封艙熱舒適性產(chǎn)生影響，對“天宮一號”熱舒適性也進行了計算，計算參數(shù)的選取如表4所示。根據(jù)表4參數(shù)計算，得到在組合體飛行前期密封艙PMV=0.06，在組合體飛行后期密封艙PMV= -0.3。

表4 “天宮一號”密封艙熱舒適性計算參數(shù)Table 4 Parameters for thermal comfort calculation of Tiangong-1's airtight cabin

由計算結(jié)果可知，在組合體飛行前期，由于熱控流體回路控溫較高，密封艙溫度較高，熱舒適性較好；在組合體飛行后期，熱控流體回路控溫點調(diào)低后，密封艙溫度和濕度都有所下降，熱舒適感略下降。由于結(jié)構(gòu)布局條件、熱控設(shè)計方案以及熱控工作模式基本一致，“天宮二號”與“天宮一號”組合體飛行后期的熱舒適感基本相同。在熱控工作模式變化后，流體回路控溫降低，導致密封艙被帶走更多熱量，溫度降低，熱舒適感下降，因此，為保持相對穩(wěn)定的舒適環(huán)境，在流體回路控溫降低后，需要注意適當提高空氣控溫值，升高空氣溫度。

5 空氣溫度、濕度和艙壁溫度對熱舒適性的影響

由PMV的定義可知，影響PMV值的有人體活動程度、衣服熱阻、空氣溫度、空氣濕度、周圍環(huán)境溫度（對載人航天器密封艙而言，周圍環(huán)境溫度即艙壁溫度）及空氣流動速度。航天員在軌期間，除了運動時間外，人體活動產(chǎn)熱量和衣服熱阻可認為變化不大；載人航天器設(shè)計完成后，密封艙內(nèi)空氣流場基本就已確定，并且可調(diào)性較小，只具備局部調(diào)整能力；艙內(nèi)空氣溫度、空氣濕度和艙內(nèi)壁溫度可通過流體回路控溫和空氣電加熱方式進行調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)范圍較大。因此，在考慮載人航天器密封艙熱舒適性評價時主要考慮空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度的影響。

以“天宮二號”密封艙為研究對象，分別分析空氣溫度、空氣濕度和密封艙內(nèi)艙壁溫度對航天員熱舒適感覺的影響，計算空氣溫度、濕度、艙壁溫度某一參數(shù)對PMV值的影響時，保持其余參數(shù)不變。

圖2、圖3和圖4分別給出了不同空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度下的密封艙PMV值。可以看出空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度對PMV值的影響基本是線性的：空氣溫度每增加1℃，PMV值增加0.15；空氣濕度每增加10%，PMV值增加0.07；艙壁溫度每增加1℃，PMV值增加0.11。

圖2 “天宮二號”密封艙PMV值隨空氣溫度變化Fig.2 Variations of PMV value vs.air temperature of Tiangong-2's airtight cabin

圖3 “天宮二號”密封艙PMV值隨空氣相對濕度變化Fig.3 Variations of PMV value vs.relative air humidity of Tiangong-2's airtight cabin

圖4 “天宮二號”密封艙PMV值隨艙壁溫度變化Fig.4 Variations of PMV value vs.wall temperature of Tiangong-2's airtight cabin

由第1章的公式推導可知，在保持其余參數(shù)不變的情況下，PMV值與T、Pa是線性相關(guān)的，即與空氣溫度、濕度線性相關(guān)。另，PMV值與(Tcl4-Tr4)是線性相關(guān)的，而(Tcl4-Tr4)可表示為(Tcl2+Tr2)(Tcl+Tr)(Tcl-Tr)；在保持Tcl不變，Tr在 19～26℃ 小區(qū)間變化范圍內(nèi)時，可認為(Tcl2+Tr2)(Tcl+Tr)是常數(shù)，從而PMV值與Tr基本線性相關(guān)，即與艙壁溫度基本線性相關(guān)。可見計算結(jié)果與理論分析相符。

由計算結(jié)果可知，空氣溫度對增加PMV值效果最明顯，艙壁溫度效果次之，空氣濕度效果最不明顯。因此，載人航天器在軌飛行時，若根據(jù)航天員熱舒適感受需進行PMV值調(diào)整時，調(diào)節(jié)空氣溫度是最直接快速有效的方法；艙壁溫度調(diào)整需要耗費較大的資源，一般不優(yōu)先推薦；空氣濕度對PMV值的影響相對較不明顯，為防止密封艙內(nèi)發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，可以適當降低流體回路控溫點進行除濕，并通過電加熱方法彌補空氣溫度降低的影響，從而維持密封艙舒適的熱環(huán)境。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)在軌飛行數(shù)據(jù)，對“天宮二號”空間實驗室密封艙熱舒適性進行了評價，通過空氣溫度、空氣濕度和艙壁溫度對密封艙熱舒適性的影響分析，認為空氣溫度對熱舒適性影響最為明顯，是調(diào)節(jié)熱舒適性的首選參數(shù)。

同時，與“天宮一號”橫向比較的結(jié)果表明，“天宮二號”與“天宮一號”密封艙熱舒適性的一致性較好。經(jīng)“天宮二號”飛行任務，再一次驗證了密封熱控設(shè)計、工藝和實施的可重復性，積累了航天器密封艙熱設(shè)計研制經(jīng)驗，對后續(xù)空間站、載人登月等航天器密封艙熱舒適度的設(shè)計具有借鑒意義。