载人航天器密封舱噪声控制与试验

魏传锋，张 伟，曹剑峰，郝 平

（1.中国空间技术研究院 载人航天总体部；2.北京空间飞行器总体设计部：北京 100094）

0 引言

载人航天器密封舱为航天员工作和生活的场所，需要满足航天员生命医学要求。为确保航天员长期在轨驻留的身心健康，必须控制密封舱内的噪声水平，包括工作区噪声和睡眠区噪声。

在载人航天器方案设计阶段，首先要进行噪声源的识别，并对识别出的噪声源单机进行单机降噪控制；然后结合载人航天器噪声源的布局进行系统级降噪设计，并通过仿真分析评估载人航天器密封舱内各个位置的噪声水平，再以仿真结果为依据对降噪设计进行迭代。

在载人航天器的初样和正样研制阶段，要进行密封舱噪声测试，以验证密封舱噪声控制的设计与实施的效果。

本文以某中期驻留载人航天器为例，重点介绍其密封舱噪声控制与试验的方法。

1 噪声控制要求

载人航天器密封舱噪声分为瞬态噪声和稳态噪声。其中瞬态噪声主要由泄复压、密封舱排气等剧烈气体波动引起，作用时间短，控制与验证方法相对简单。本文主要研究载人航天器密封舱稳态噪声的控制与试验方法。参照国内外载人航天医学要 求[1]，一般稳态噪声的指标要求不大于65 dB(A)。

2 噪声源的识别

载人航天器密封舱的噪声源与其工作方式有关，主要来源于大型高速旋转部件[2-3]，包括辐射传播和振动传导两种方式。

1）辐射传播：风机、风阀机构、气动噪声、电子设备在工作时都会产生噪声，但考虑噪声的量级及产生频率，气动噪声、电子设备及风阀机构产生的噪声远小于风机产生的噪声。因此，辐射传播的噪声源主要定位在密封舱内的风机上。

2）振动传导：大型控制力矩陀螺、流体回路泵均会产生振动传导噪声，其中流体回路泵的转速和功率均小于大型控制力矩陀螺。因此，振动传导的噪声源主要定位在大型控制力矩陀螺上。

经识别，载人航天器的主要噪声源如表1所示。

表1 载人航天器主要噪声源Table 1 Main noise sources of the manned spacecraft

3 噪声控制措施

载人航天器密封舱内噪声控制的措施主要包括吸声、隔声、消声、减振4 个方面，根据前面识别确认的主要噪声源所采取的噪声控制措施如下[4-5]。

1）吸声措施

声音一部分直接传播到人耳，称为直达声；一部分通过室内的各个界面多次反射后传播到达人耳，称为混响声。人耳听到的声音为直达声与混响声的叠加[6]。通过在密封舱内壁布置吸声材料或采用吸声构造等，吸收部分反射声能，可以降低噪声。载人航天器密封舱舱壁直接参与构成通风风道，声音在传播过程中可直接到达热控泡沫表面并被吸收；密封舱内装饰材料选用美塔斯布中间缝制聚氨酯泡沫，对噪声具有吸收功能。

2）隔声措施

利用密封舱承载用的结构仪器板及挡风帘将风机所在区域密闭，在满足通风功能要求的同时，可实现隔声降噪。

3）消声措施

在风机所在的送风管路系统中增加消声控制措施。例如，在风机的出口处增加静压箱，其作为阻性消声器具有较宽的消声频率范围，在中、高频段的消声效果尤为显著。通过调整阻性消声器的结构形式、吸声材料、流经消声器的气流速度以及消声器的有效长度等，可以提高噪声控制效果。

4）减振措施

可通过降低振动源的振动或降低振动传递效率这2 种方式实现减振控制。前者主要是指对振源设备进行减振设计，后者则包括引入弹性减振元件以及增加振动传播途径的阻尼等。例如，将风机均安装在蜂窝板上，蜂窝板结构对振动具有阻尼减振效果；令风机的进口全部为自由端，出口管道全部为软管连接，可以隔离风机对下游管路的振动传递。

4 噪声环境仿真

根据载人航天器密封舱内的实际噪声源和控制措施，构建的噪声计算模型如图1所示。噪声源为4 台风机和5 只控制力矩陀螺，其本体噪声见表1。密封舱本体尺寸为柱段直径3.5 m、长5 m。

图1 密封舱内噪声计算模型Fig.1 Noise calculation model for the pressurized cabin

由噪声计算模型仿真分析得出的舱体内声压级水平分布结果如图2所示，舱体内声压级在睡眠区的分布结果如图3所示。

图2 舱体内声压级水平分布仿真图Fig.2 Simulation result of noise level distributions in the pressurized cabin

图3 舱体内睡眠区声压级分布仿真图Fig.3 Simulation result of noise level distributions in sleeping area of the pressurized cabin

由仿真结果可知，经吸声、隔声、消声、减振控制后，密封舱内的噪声水平为55～62 dB(A)，满足不大于65 dB(A)的指标要求。

5 噪声测试

在正样载人航天器总装实施完毕后，全部噪声源均加电工作，以与在轨飞行状态一致的试验状态对密封舱内的噪声水平进行测试。

1）试验状态

测试时载人航天器内的风机设备、控制力矩陀螺等噪声源，以及与通风相关设备、管路和电缆等均与在轨状态一致，按正常在轨飞行程序加电。

舱内噪声测试采用ISO-TECH 手持式声级计（型号SLM-1352A），仪表量程为30～130 dB，精度为±1.5 dB，测量时选择量程范围为40～90 dB。

工作区及睡眠区的测点分布分别如图4和图5所示。

图4 工作区测点分布示意图Fig.4 Measurement points in the living &working area

图5 睡眠区测点分布示意图Fig.5 Measurement points in the sleeping area

2）试验结果

测试结果的统计分析表明，密封舱内的稳态噪声为57.2～60.8 dB，满足不大于65 dB 的要求。同时可见，密封舱稳态噪声的实测结果与仿真结果相当，表明噪声仿真可以用于方案阶段对噪声环境进行预估，并指导噪声控制设计；噪声控制的方法有 效，满足医学指标要求。

6 结束语

本文对载人航天器密封舱内噪声源进行了识别并提出了相应控制方案，对舱内噪声分布进行了仿真计算和实际测试，结果表明噪声仿真计算模型及控制措施正确、有效，能满足指标要求。本文提出的噪声源识别方法、噪声控制和试验方法可为其他载人航天器噪声控制设计和试验提供参考。

（References）

[1] NASA SSP-500094 NASA/RSA joint specifications standards document for the ISS Russian segment[S].Rev.B, 2009:6-192

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社, 2004:15-30

[3]周新祥.噪声控制及应用实例[M].北京:海洋出版社, 1999:1-434

[4]Lane S, Kenedy S, Richard R.Noise transmission studies of an advanced grid-stiffened composite fairing[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2007, 44(5):1131-1139

[5]Hill R E.Space shuttle crew module prior noise reduction efforts[R].The Acoustical Noise Working Group, Houston, USA, 1992

[6]Jennifer B N, Gregory L, Carlos S.Human engineer applied to International Space Station design, SAE972400[R]