艙外航天服內流場及溫度場仿真分析

李金林， 張海榮

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094；2.北京長城華冠汽車科技股份有限公司， 北京 100031）

1 引言

航天員出艙活動（Extravehicular Activity，EVA）是空間站建造和運營管理的重要組成部分，艙外航天服是航天員出艙活動的必要裝備。航天服可為航天員提供有效安全的生命保障環境，環境控制是服內生命維持和人體舒適性保障的基礎，通過通風回路和液冷回路實現服內溫濕度控制和人體代謝散熱，從而使艙外航天服形成一個自循環的密閉環境，為航天員創造艙外活動生存和工作的基本條件。

人體舒適性和各部位對溫度敏感度研究表明，航天員出艙活動時手動作業效率受溫度影響較大，低溫狀態下航天員手部操作困難，作業效率較低，在國際空間站出艙活動中，航天員曾因手部過冷而不得不提前返回艙內。 人體周圍氣體的流動具有驅散身體周圍濕熱空氣的降溫效應，當置身于輻射源中時，為使人體的舒適程度保持不變，需要較低的空氣溫度。 艙外航天服外表面設計安裝了多層屏蔽隔熱材料，可使其很大程度上免受太空冷黑背景和太陽輻照影響，但同時也使其無法通過自身輻射散熱。 服內航天員的舒適性只能通過內部通風循環等途徑實現，因此航天服內的通風及溫度控制十分重要。

目前尚未見公開發表的有關航天服內流場和溫度場仿真分析文獻，而室內和汽車流場分布相關的研究較多，李珩等研究了通風服的熱防護性能影響，建立了人體在通風條件下的熱調節仿真模型。 本文針對艙外航天服內通風流場和溫度場分布，仿真計算航天服內氣體流場和溫度云圖，研究結果可為航天服的空間布局和通風管路設計提供依據。

2 通風和溫度控制

艙外航天服內通風和溫度控制由氣體內循環系統、液冷循環回路系統實現，艙外航天服通風和液冷循環系統原理框圖如圖1 所示。

1）艙外航天服通風循環系統主要由風機、航天服密閉內腔、回風管路和換熱器組成，經過風機和換熱器散熱作用，服內氣體持續循環，見圖1（a）。 除二氧化碳等有害氣體吸收凈化外，通風系統通過散熱設備降溫將服內氣體由濕熱轉變為溫濕度適宜的狀態，排除航天服氣體攜帶的多余熱量和水汽，維持航天服內合適的溫濕度環境，避免濕度過高導致頭盔面窗起霧結露，滿足航天員操作環境舒適性和視覺工效要求。

2）航天服液冷循環系統主要由泵、液冷服、散熱器和循環管路組成，通過泵和換熱器散熱作用，液冷回路循環散熱，見圖1（b）。 液冷循環系統由泵驅動，航天員穿戴的表面分布微循環管路的液冷服內液體工質經散熱設備降溫后，循環回流為人體降溫散熱，排除艙外活動期間人體代謝產生的熱量，保持航天員的舒適體溫。

液冷循環系統主要為人體排除多余代謝產熱，氣體內循環系統為服內氣體環境散熱除濕，服內氣體循環除熱在艙外航天服整體除熱貢獻中占比平均約為10%，液冷循環除熱占比約為90%，因此氣體循環主要保障服內環境的溫濕度舒適性。

Nishi 等研究表明，人體頭宜涼、手腳宜熱，頭部和四肢所在位置輻射熱與氣流應有區別，相對濕度要適中。 空氣溫度是影響人體熱舒適的主要因素，直接影響人體通過對流及輻射的顯熱交換；在熱環境中，空氣流動或循環凈化通風能為人體提供新鮮的空氣，并在一定程度上加快人體的對流散熱和蒸發散熱，提供冷卻效果，使人體達到熱舒適。 圖1 所示的艙外航天服通風循環系統遵循了上述設計原則，經管路設計實現流量配比和面部通風流場控制，通風和溫控頂層設計可保障航天服內環境維持熱舒適的效果。

圖1 艙外航天服通風和液冷循環工作原理Fig.1 The principle of EVA spacesuit ventilation and liquid cooling circulation

3 服內流場和溫度場仿真計算

艙外航天服內氣體溫度要求18 ～28 ℃，一般控制在20～25 ℃，上下肢通風流量理論配比約為3 ∶2，通過集流器前端回風管路流阻設計實現。中國艙外航天服在軌工作壓力約為40 kPa（絕對壓力，下同），本文分析服內流場和溫度場時針對低壓和地面常壓2 種狀態進行。 艙外航天服模型及其管路布局等按照飛天艙外服的技術狀態生成，人體數模選擇身高為175 cm 的標準模型，使用CFD 流體力學分析軟件STAR?CCM+（CD?adapco 公司，英國）仿真求解，航天服內流場和溫度場計算過程中，經驗證網格尺寸5，10，20 mm和50 mm 的計算結果基本一致。

3.1 流場仿真計算設置

艙外航天服內部空間呈擬人形態，人體穿入時，身體各部位與航天服內表面之間為近均勻分布的空間，空間截面為圓形或類橢圓形環面，通風過程中氣體沿著環面法線方向流動。 數值計算中，人體穿入后的航天服內部空間狀態如圖2 所示，圖中OUT1～OUT4 分別為上下肢4 個回風口，INLET 為3 個面部排氣口的進風口。

艙外航天服內部通風管路模型中，左右上肢回風管路（腕部回風口至圖1 所示集流器）長度相同，左右下肢回風管路（腳部回風口至圖1所示集流器）長度相同，上下肢回路管路長度相同，上肢與下肢回風管路數量比為3 ∶2，各回風管材質和管徑相同。 圖2 給出了艙外航天服內各通風出入口狀態，為便于模型仿真計算，將集流器處的接口斷開作為輸出口。 網格尺寸設置為20 mm。

圖2 艙外航天服內通風流場分析模型Fig.2 Analysis model of EVA spacesuit ventilation circulation

3.2 溫度場仿真計算設置

在服內流場分析基礎上開展溫度場分析，包括常壓和低壓下不同頭部出風氣溫條件下的服內氣體溫度場仿真計算，STAR?CCM+開啟能量方程（Segre?gated Fluid Temperature， Cell Quality Remediation），網格尺寸設置為20 mm。 綜合考慮航天服在軌出艙時外部真空環境及多層隔熱屏蔽層的隔熱保護，數值計算中將服內表面簡化為絕熱狀態。

3.3 仿真計算條件

1） 服內壓力常壓為101.3 kPa，低壓為40 kPa；

2）頭部通風流量常壓狀態為180 NL／min，低壓狀態為70 NL／min；

3）人體模型皮膚表面溫度為33 ℃；

4）環境初始溫度為33 ℃，頭部出風氣溫為20，23，26 ℃三種工況。

4 仿真結果

4.1 服內流場仿真結果

4.1.1 常壓流場

常壓環境仿真計算結果見圖3，結果表明身體后側尤其是頭部后側流線紊亂，頭部流速比身體其他部位高，面部流線流暢，比較符合面部通風散熱需求，可有效保持人體面部舒適性，同時面部前端流暢的流線可有效避免面窗起霧結露。

圖3 常壓下艙外航天服內及頭部流線圖Fig.3 Streamlines of EVA spacesuit and area around head at normal pressure

通過服內通風流場速度矢量圖分析，身體后側及下部流速較低且存在渦流，頭部左側氣流向前吹，右側氣流向后吹，頭部右側較左側流速高。上下肢流量計算結果見表1，手部流量約占總流量的60%，腿部流量約占總流量的40%，左右流量基本相等，與艙外航天服回風管路設計吻合。

表1 常壓下服內通風流量計算結果Table 1 Flow rate of ventilation at normal pressure

4.1.2 低壓流場

低壓環境仿真計算結果見圖4，結果表明：身體腹部有渦流（圖4（a）），身體后側尤其頭部后側流線紊亂（圖4（d）），頭部流速比其他部位高，面部流線流暢，分布與常壓狀態基本一致但流線密度減小。 通過服內通風流場速度矢量圖（圖4（b））分析，身體后側及下部流速較低且有渦流，頭部左側氣流向前吹，右側氣流向后吹，頭部右側較左側流速高。 上下肢流量計算結果見表2，手部流量約占總流量的60%，腿部流量約占總流量的40%，左右流量基本相等，與艙外航天服回風管路設計吻合。

圖4 低壓下艙外航天服內及頭部流線圖Fig.4 Streamlines of EVA spacesuit and area around head at low pressure

表2 低壓下服內通風流量計算結果Table 2 Flow rate of ventilation at low pressure

4.2 服內溫度場仿真結果

4.2.1 常壓溫度場

常壓環境下，頭部出風氣溫20 ℃時服內溫度場計算結果見圖5，23 ℃，26 ℃工況溫度場分布與20 ℃時相似，但云圖顯示各區域溫度值隨出風氣溫升高而升高。

圖5 常壓頭部出風氣溫為20 ℃時服內溫度云圖Fig.5 Temperature field cloud picture of 20 ℃outlet air temperature at normal pressure

從各工況服內溫度云圖看，人體面部附近溫度較低，頭部右側比左側溫度低，面部比頭部后側溫度低，上肢從胳膊至手腕方向溫度逐漸升高，下肢腿部至腳部方向溫度逐漸升高。 對常壓下不同出風溫度與頭部垂直于人體截線（截線經過兩眼中間并垂直于面部）的溫度數值進行統計，結果見圖6。 從截線溫度分布看，人體表面附近的氣溫接近皮溫約為33 ℃，距離身體越遠溫度越低；頭部出風氣溫越低，服內相同位置處的氣體溫度越低，該現象在遠離身體表面的區域較為明顯；出風氣溫相同的狀態下，身體前部區域整體比后部區域溫度更低，這與身體前部流線密度及流速更大的仿真結果吻合。

圖6 常壓下不同出風溫度頭部截線溫度分布Fig.6 Temperature distribution along one cut line of head under different conditions at normal pres?sure

4.2.2 低壓溫度場

低壓環境下，頭部出風氣溫20 ℃時服內溫度場計算結果見圖7，23 ℃、26 ℃工況溫度場分布情況與20 ℃時相似（服內溫度場分布及梯度變化趨勢一致），但云圖顯示各區域溫度值隨出風氣溫升高而升高。

圖7 低壓頭部出風氣溫為20 ℃時服內溫度云圖Fig.7 Temperature field cloud picture of 20 ℃outlet air temperature at low pressure

從各工況服內溫度云圖看，低壓環境下人體周圍溫度場分布與常壓狀態基本一致，低壓下不同出風氣溫頭部垂直于人體的截線溫度統計結果見圖8，氣溫在人體表面較接近體溫，隨與身體表面的距離增加逐漸降低。 由于氣體密度及介質比熱容減小，出風口溫度相同時，與常壓環境相比，低壓環境下的溫度場數值整體升高。

圖8 低壓下不同出風溫度頭部截線溫度分布Fig.8 Temperature distribution along one cut line of head under different conditions at low pres?sure

5 討論

針對艙外航天服頭部出風、四肢末端回風的設計，流場分析結果表明服內流線整體流暢，面部流線均勻流暢。 航天服正常通風循環可保障航天員面部及航天服面窗處的風速在常壓下不小于2 m／s、低壓下不小于1 m／s，可有效防止面窗起霧和保持航天員面部通風舒適性。

艙外航天服內面部流線流暢，頭部后側流線紊亂，這與通風管路出風口均設計在面部上方有關。 風管出風后，經過航天員面部、頭盔面窗及頭盔內不規則分布安裝的設備后，流線逐漸紊亂。在使用輕質細線測試航天服面部流線的實驗中，棉線實際流線方向與仿真結果一致，流線平穩、無紊流波動等情況；地面載人試驗及已完成的空間站出艙活動任務中，著服人員均反饋航天服內整體熱環境舒適，面部通風涼爽、面窗無起霧現象（風機停止工作超過2 min 面窗逐漸出現輕微起霧現象），表明面窗處通風流場滿足設計使用需求。

上下肢風量整體比例為3 ∶2，左右兩側基本相同，該仿真計算結果與通風管路設計預期一致。艙外航天服通風系統設計中，頭部吹出涼風，氣體流經人體表面和服內發熱設備后，氣體溫度從頭部到四肢末端逐漸升高，艙外航天服載人試驗中腿部和肩部附近氣溫比面部平均氣溫高約3.4 ℃，手部和腳部比面部平均高約4.9 ℃，熱仿真云圖及溫度數值變化與測試結果趨勢一致。

各出風溫度工況的仿真結果表明：通過氣體散熱時，氣體溫度與人體表面的距離成負相關關系，人體表面區域氣溫接近人體皮溫（本文設置為恒定皮溫33 ℃），遠離人體表面的區域氣溫相對較低；通風氣體與熱源之間存在溫度梯度，該現象與流動氣體換熱特性相符。 通風散熱能力隨氣壓降低而變弱，出風口溫度相同的狀態下，相同區域的氣體溫度低壓下比常壓下整體偏高，這是由于氣壓降低氣體密度變小所致。

對比通風流場和溫度云圖可知，氣體流量小的區域和存在渦流的區域氣體溫度相對較高，流線流暢和流量大的區域氣體溫度相對較低。 與頭部距離相同的區域，人體前部區域氣溫整體低于后部，背包內區域氣溫最高，這與出風口布局在人體面部區域相關，該設計狀態人體前部區域氣流速度和流線整體優于其他區域。 通過仿真計算獲取的溫度場分布和變化梯度與載人試驗中布設的iButton 溫度傳感器數據分布趨勢一致（通風溫度20.8 ℃，頸部表貼溫度為31.2 ℃，頸部后方2 cm和5 cm 處的溫度分別為28.0 ℃，26.6 ℃）。

經與航天服面窗內部流線測試和載人試驗數據比對分析，本文仿真計算結果與艙外航天服試驗數據一致性較好，說明設置合適的參數后，使用STAR?CCM+等CFD 流體力學分析軟件可有效驗證相關設計的合理性和正確性。 與實驗室試驗相比，仿真計算成本低、效率高，可重復迭代優化。通過數值計算可驗證服內空間和管路布局及出風回風設計的合理性，經過迭代優化保障服內適宜的通風流場和溫度場，盡量規避或減少渦流區域，在有限的空間資源條件下最大限度提升人體整體熱舒適性。

6 結論

1）利用航天服和人體數字模型及流體工程仿真軟件，通過數值仿真計算可有效獲取服內流場和溫度場分布狀態。

2）艙外航天服內部流場整體流暢，四肢回風量分配與設計預期一致；頭部風管上的出風口設計合理，面窗處流線平穩流暢，流線分布相對均勻。

3）頭部出風溫度最低，沿著身體及四肢回風方向氣體溫度逐漸升高，背包內部相對遠離主通風區域及有渦流的部位氣溫相對較高，溫度場分布與流場分布相關。