载人航天器热控分系统噪声控制

金 岩

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

航天员长期在舱内工作、生活，对舱内噪声的控制提出了严格要求，规定航天员生活环境的噪声指标为55～69 dB。在国际空间站上，曾经因噪声指标超出了规定的要求（用随身携带的声强计所测得的噪声水平为72 dB/24 h），航天员不管是睡眠还是工作，都要被迫戴上消音头盔和耳塞等听力保护装置，长时间的飞行任务导致多位航天员的听力受到了永久性损害[1]。对国际空间站上各系统和设备产生的噪声进行分析，发现热控分系统所产生的噪声在整个噪声中占了很大的比例。

为了满足长期载人飞行任务的需求和总体技术要求的规定，噪声控制变得非常迫切。本文针对热控分系统的噪声控制问题，通过热控分系统的布局设计以及单机设备的降噪优化等措施，找到了相关技术途径或方法，可以有效地降低载人航天器热控分系统噪声水平。

1 热控分系统的噪声源

热控分系统的噪声源主要有转速很高的流体回路设备和强迫对流通风设备。

1.1 流体回路设备的噪声

为了便于航天员在轨维修或更换，一般内回路泵布置在舱内。泵是一个噪声源，又长期工作在密封舱内，所产生的噪声对航天员造成很大的影响。流体回路泵产生噪声的原因是多方面的：流体回路泵的转速很高，当泵的叶轮推动液体工质时会形成噪声；因汽蚀作用而导致流体回路的压力出现波动，从而产生噪声；若泵体或轴的刚性不好，在泵运行时容易产生振动噪声；由于泵的叶轮静不平衡或动不平衡的问题，在离心力作用下会引起泵较大的振动而产生噪声；当轴承高速转动的负荷较大时，也会产生噪声；电动机也是重要的噪声源等。由流体回路设备所产生的噪声沿流体回路管路传播至舱内，再通过空气传播至航天员的耳朵。

1.2 强迫对流通风设备的噪声

在微重力环境中，由于自然对流很弱，所以需要用强迫对流的方法来进行热交换，即用风机来推动空气。而热控分系统设备的冷却也需要靠风机强迫空气流动进行换热[2]。

强迫对流通风设备的噪声源主要是各种风机。风机的转速很高，由旋转的叶片与空气的相互作用而形成涡流噪声；由于风机的叶轮静不平衡或动不平衡的原因，在离心力的作用下使风机产生较大振动而产生噪声；其他的重要噪声源还有高负荷的轴承、电动机等。另外，高速气流在输送过程中与风道壁面、风口等的摩擦作用也会产生噪声。

2 热控分系统的噪声控制

热控分系统的噪声控制包括采用减振、隔声、吸声等措施来减少舱内的噪声。

2.1 流体回路设备的噪声控制

流体回路设备的噪声控制措施如下：

1）加强热控分系统布局设计，有效地隔断设备之间的振动传递影响；

2）将流体回路泵组布置在远离航天员活动区的位置；

3）采取减振措施，如在泵出口处增设软管接头以阻断振动沿管路传导的路径，在泵和其他动力设备的安装座上增加减振垫或吸振阻尼措施[3]，在管路支架与管路之间用毛毡等减振；

4）提高运动设备的整体刚度，严格控制各设备的静不平衡和动不平衡量，降低设备的本底噪声水平；

5）设置气泡捕集器和补偿器使溶解在工质中的气体溢出，对流体回路工质进行脱气处理，以减少气蚀作用的发生。

2.2 强迫对流通风设备的噪声控制

2.2.1 降低噪声的优化设计措施

随着空间站的规模加大，通风距离越来越长，通风管路阻力不断提高，也容易产生漏风。若采用单个风机进行送风，则风机功率很大，其噪声也很高。为了避免在管路局部产生过高的压力并减少漏风量，可以采用多风机串联送风的方式（图1），这样一来单机不再需要那么高的功率和转速，可有效地降低风机的噪声。在往舱内送风时，可以采取吹吸式方式（图2），有利于二氧化碳等气体排散，使新鲜空气均匀流通。

图1 空间站风机的串联使用示意图Fig. 1 Application of multi-fans in series in space station

图2 空间站的吹吸式通风示意图Fig. 2 Push-pull ventilation in space station

如不考虑距离的因素，风机的噪声衡量指标是声功率与基准声功率之比，其表达式为

式中：LW为声功率级，dB；W为声功率，W；W0为基准声功率，W0=1×10-12W。

用式(1)来计算两个 60 dB的风机加起来的噪声是63 dB。因此用多个小风机替代一个大风机，在通风效果不变的情况下，可以有效地降低系统的噪声。而且通风控制区域更加灵活，对氧气、二氧化碳浓度和温湿度的控制效果更好。

除控制风机自身的声功率外，还需对通风系统进行消声和隔声的控制，以降低航天员生活区的实际噪声。

仪器区的风机可以加装密闭的隔声罩，而由隔声阻尼材料、吸声层和阻燃布组成的隔声罩具有隔声和吸声的双重降噪效果。两台仪器区的风机装在同一个密闭箱（消声箱）体内，而在箱体内壁上粘贴泡沫塑料，外覆阻燃布，用于隔离和吸收风机产生的噪声。风机的进口、出口采用软管连接，用于隔离通过管路传递的振动。风机下游的静压分配箱设计成消声静压箱，箱内壁粘贴厚泡沫塑料和阻燃布，用于吸收通过管路传递的噪声。

空间站的设备机柜如果采用整体通风循环并联送风，则风机的通风流量、功耗和噪声均很大，因此机柜适合配置各自的通风系统，在机柜内部形成独立通风回路。若采用单风机送风而噪声比较大时，则可以采用多风机送风方式，可有效降低机柜的噪声。机柜内部的电子设备若采用射流通风冷却，则在流速较高时也会产生噪声。在不改变压强和流速的情况下，射流的通风孔采用相同面积的梅花孔，可以降低噪声。

2.2.2 风机的降低噪声设计措施

目前载人航天器风机采用的叶轮材料主要是塑料，若将叶轮的材料换成铝合金，则其寿命将大大提高，可以满足空间站的寿命要求。换成铝合金材质后，叶轮也可以做成特定形状来降低噪声。

适当降低风机叶片压力面尾缘的粗糙度，可以改善轴流通风机的气动性能，并能降低噪声。

锯齿型叶片尾缘增加了吸力面和压力面气流的掺混，减弱了叶片尾迹的强度，从而降低风机的涡流噪声。在叶片上打孔也可起到类似的效果。这两种做法都要进行试验，以避免因为薄叶片的振颤而使噪声上升。

在叶片尖位置所对应的机壳内壁上加软材料的环型围带，能够大幅度地提高轴流风机的气动性能，并显著降低风机的噪声。

在电机后面加锥形整流器，改善轴流风机的气动性能，也能降低噪声[4-5]。

2.3 改进电动机轴承的精度

采用小游隙的高精度轴承来作为泵与风机的电动机轴承，经仔细筛选后再进行装配，严格控制轴承的振动加速度级，以降低因这个因素而产生的机械噪声。选用负载能力强的轴承，既可减小噪声又可提高轴承的寿命。采用高精度轴承，可以提高扇叶和电动机转子的动平衡精度。

2.4 使用磁悬浮技术来降低噪声

磁悬浮轴承与普通轴承相比，具有非接触、无摩擦、噪声小、寿命长、不用润滑等优点。1991年，NASA第一次召开了磁悬浮技术在航天应用的讨论会。美国、法国、日本、瑞士和我国都在开展磁悬浮轴承的研究工作，同时推动其在工业上的广泛应用[6]。近年来，磁悬浮技术广泛地被应用在高速离心机、卫星高速储能飞轮等设备中。如果泵和风机能够使用磁悬浮轴承，必将大幅降低设备噪声。

3 结束语

综上所述，载人航天器热控分系统的噪声问题是不可忽视的。通过热控分系统的布局设计以及单机设备的降噪优化措施，来降低整个系统噪声，满足航天员对生活环境的基本需求。建议对噪声控制技术进行深入的研究，突破其关键技术，为空间站等载人航天项目中热控分系统降噪的实际应用提供有力的技术支撑。

（References）

[1]朱毅麟. 国际空间站建造十年经验初探[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, 胡金刚. 航天器热控制技术——原理及其应用[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2007: 236-247

[3]金岩. 高速旋转部件在载人航天器热控系统中的应用[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]聂能光, 李福忠. 风机节能与降噪[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 1990

[5]殷海红, 昌泽舟. 轴流式通风机的噪声机理及降噪措施[J]. 风机技术, 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]张士勇. 磁悬浮技术的应用现状与展望[J]. 工业仪表与自动化装置, 2003(3): 63-65 Zhang Shiyong. The application status and prospect of magnetic suspension technology[J]. Industrial Instrumentation& Automation, 2003(3): 63-65