大型空间站气闸舱气体复用技术研究

曹军 卜珺珺 杨晓林 崔致和 张正军

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

1 引言

随着载人航天工程三期任务的立项，我国将建立自己的空间站［1］。与载人飞船相比，空间站为大型载人航天器，且长期在轨，应具备载人飞船所不具备的诸多功能，如气闸舱气体复用技术。气闸舱气体复用技术采用常压转移方式，通过将气闸舱的气体转移抽送到其他密封舱，完成出舱活动后进行复压来实现。气体复用技术的应用可有效减轻货运飞船的货物上行量，减少发射成本，节约资源，因此气体复用技术对空间站长期经济运行将起到重要作用。例如，对于4．25m3的气闸舱，在常温下将101kPa的空气全部排放到外太空可造成约5．5kg的资源浪费，若执行10次出舱活动，每次回收60%的气体，则可节约近33kg气体，这是很可观的一部分气体资源［2］。对于长期在轨，支持多次进行出舱活动的空间站来说，节约资源意义重大。

气体复用技术已于2001年应用在“国际空间站”联合气闸舱，实现了气闸舱气体的回收利用［2］。虽然我国神舟-7飞船在轨任务期间实现了出舱活动，但轨道舱（兼作气闸舱）内的气体被直接排放到外太空，没有实现气体复用。我国空间站气闸舱必须具备气体复用技术，为空间站的长期在轨运行节约资源。本文报道了“国际空间站”气闸舱气体复用技术的基本情况，并结合国内该方面的研究，探讨了空间站气闸舱气体复用技术的初步方案。

2 国外研究现状

2．1 基本情况

在载人航天史上，“国际空间站”联合气闸舱首次实现了泄压气体的复用，可在10 min 内完成65%的气体回收［3-4］。其基本原理是在气闸舱进行泄压时，采用一台真空泵将气闸舱内的空气抽送至相邻的密封舱。“国际空间站”联合气闸舱包括设备气闸舱和乘员气闸舱两个舱，乘员气闸舱的有效容积为4．25m3，设备气闸舱的有效容积为26．75m3。视不同的泄复压工况，气体复用系统转移抽送整个气闸舱或仅转移乘员气闸舱内的气体，将气体转移至设备气闸舱或节点一号舱。气体复用技术的原理见图1，气体复用泵组件位于设备气闸舱，系统布局图见图2。

“国际空间站”泄复压过程分三个阶段进行：第一阶段利用气体复用系统泄压，将舱压从101kPa降至35kPa，用时10min，后停留15min进行出舱航天服气密性检查；第二阶段利用出舱泄压阀将乘员舱剩余气体排放至太空，从35kPa降至3．5kPa，用时15min左右。完成泄压后航天员出舱执行任务［5］。第三阶段为复压过程，复压也分两个阶段进行，0kPa复压至35kPa，35kPa复压至正常舱压。

另外，日本为“国际空间站”建造了两个舱及一个舱外暴露平台。两个舱分别为实验舱及实验后勤舱，前者为密封舱，后者为非密封舱。在实验舱内有一个实验气闸室（Experiment Airlock，EAL），供有效载荷在密封舱与舱外暴露平台间的运输，正如联合气闸舱供航天员出入舱一样，具有泄复压功能，并采用气体复用系统对气体进行回收。系统结构如图3所示［2］。

图1 气体复用技术原理Fig.1Principle of gas recovery technology

图2 气体复用系统布局简图Fig．2 Sketch of the gas recovery system layout

图3 “国际空间站”日本舱气闸室气体复用系统Fig．3 ISS Japanese EAL gas recovery system schematic

2．2 系统组成及硬件设计

“国际空间站”联合气闸舱气体复用系统包括6条气流通路、2台泄复压控制器、一个压力表及一套泄压泵组件。气流通路分别布局在节点I号舱与设备气闸舱的舱门、设备气闸舱与乘员气闸舱的舱门、乘员气闸舱出舱舱门上。出于冗余考虑，每个舱门上布置两条，每条气流通路包括一套泄（复）压平衡阀组件、一个安全帽、一只入口过滤器及一只出口扩散器。泄复压控制器在设备气闸舱及乘员气闸舱各一台，供航天员在不同的泄压阶段使用。泄压泵组件为系统的核心组件，气闸舱的气体即借助于该组件实现了重复利用。由于气体复用系统从载人航天器泄复压系统的基础上发展而来，因此，系统有共同组件，如过滤器、气流管路、压力表等，本节只介绍新硬件设备。

（1）气体复用泵。气体复用泵采用了一台俄罗斯制造的离心叶轮泵（centrifugal vane pump），由离心压缩机改造而来，是一台双级真空泵（two-stage vacuum pump），见图4、5所示［6-7］。其设计寿命为1250h，额定功率为1380 W，最大截止转速为28 000r／min，电机用气体轴承进行支撑。在俄罗斯给NASA 交付该泵时，由于噪音太大（95dB），NASA 后来在排气口设计安装了消音器，为进一步降低噪音和减小振动，将泵置于泡沫塑料制的声学消音盒内，使噪音进一步降到72dB［6］。排气口与进气口有管路从消音盒侧壁穿出。

气体复用泵的性能曲线见图6，可计算出气体复用泵的实际抽速为33．6m3／h（9．3L／s）。

图4 联合气闸舱气体复用泵Fig．4 Gas recovery pump in Quest airlock

图5 气体复用泵装配图Fig．5 Exploded chart of the gas recovery pump

图6 “国际空间站”气体复用泵性能曲线Fig．6 Performance curve of the gas recovery pump of ISS

（2）手自一体泄复压阀。在航天飞机气闸舱泄复压系统中，采用电动阀进行泄复压操作，但电控操作的可靠性低于手动操作。手自一体阀即是为了防止电控操作的失效而设计的，一旦电控失效可手动操作。手自一体泄复压阀具有向真空排气时流导较小、紧急复压时流导较大的优点。平均功率为19 W，峰值功率45 W，通过安装法兰进行散热。工作时，需多路信号选择器的模拟信号输出卡及离散输出卡同时提供直流±15V 的“使能”信号及直流±5V 的差分电压信号才能打开。前者使阀门处于“待命”状态，后者用以控制阀门开度。手动控制功能通过“T”形把手控制，扭矩在0．5～2Nm 的范围，具有四档：全开、全关、半开、半关。

（3）手动泄复压阀。气体复用系统的另外一个关键部件为手动泄复压阀，为了减小泄压气流对空间站姿态控制系统造成额外负担，手动泄压阀的出口沿径向排气。为了降低噪声，作了消音设计处理。为了防止阀口结霜及阀喉处灰尘堆积，设计了保护帽等。阀门还具有开关指示功能。手动泄压阀见图7所示，从35kPa到3．5kPa的排气性能见图8所示，可计算出在该段泄压过程的流导约为4L／s。

图7 乘员气闸舱手动泄压阀Fig．7 Manual depressurization valve of the crewlock

图8 手动泄压阀性能曲线Fig．8 Performance curve of the manual depressurization valve

（4）泄复压控制器。泄复压控制器在乘员舱及设备舱内各一台，乘员舱内的最大外形尺寸为292mm×292mm×152 mm，重7．4kg，设备舱的稍大，为292mm×343 mm×152 mm，重8．5kg。前者不具备控制设备舱及节点I号舱舱门平衡阀的功能。控制器的安装位置尽量靠近泄复压功能硬件，以免电控失效时人员可以尽快到达被控设备。为了使航天员训练时更为方便，两台控制器的面板按键及开关布局相似。控制器通过RS 485协议与空间站数据管理分系统交换数据，软件则按简单的逻辑互锁矩阵进行，可对故障硬件进行报错。

2．3 系统特点及性能

系统具有以下几个方面的特点：

（1）常规泄复压及紧急复压的速率不得超过航天员生理极限，分别为常规0．34kPa／s，紧急复压6．89kPa／s。

（2）气闸舱必须在30min内完成泄压（不包括中间停顿），最少支持4680次泄复压循环。

（3）泄复压系统必须支持在气闸舱内、节点舱内及出舱舱门外操作。

（4）每年支持52次出舱活动。

（5）每次出舱活动应至少实现60%的气体复用。

（6）出舱活动为零容错任务，出舱活动硬件即使故障也不能导致出舱活动失败，系统修复过程必须在24h内完成。

（7）出舱活动结束后的入舱允许两次出错，即两次出错后还能保证正常入舱。

（8）气闸舱应具备紧急复压功能，紧急复压时间有如下要求：①常规出舱活动任务时，气闸舱（只对乘员舱复压）在20s内复压至35kPa，在80s内复压至正常舱压101kPa；②在搬运大型在轨可更换单元时，气闸舱（对乘员舱及设备舱都要复压）在60s内复压至35kPa，在150s内复压至正常舱压。

除以上基本特点外，气闸舱还应具备出舱前的吸氧排氮功能。

系统性能可通过泄复压时间曲线看出，“国际空间站”联合气闸舱乘员舱某次出舱任务泄压曲线见图9，泄压第二阶段即手动泄压阀泄压的典型曲线见图10所示。

图9 “国际空间站”气闸舱气体复用系统典型泄压曲线Fig．9 Typical depressurization curve of ISS airlock gas recovery system

图10 气闸舱手动泄压气路性能曲线Fig．10 Performance curve of the manual gas depressurization pathway

2．4 泄复压方式冗余设计

为了防止气路异常对泄复压（主要是泄压）的影响，NASA 作了系统级冗余设计，对泄压管路的出气端管路组件进行了备份。主份泄压管路全部在乘员气闸舱内，排气口在舱压控制台处通往舱外。备份泄压管路则穿越三个舱门，依次为乘员气闸舱与设备气闸舱间的舱门、设备气闸舱与节点I号舱间的舱门、节点I号舱与命运号实验舱间的舱门，排气口位于命运号实验舱的舱压控制台处。由于命运号实验舱为“国际空间站”的指令中心，在执行出舱活动任务时，该舱驻留航天员对泄复压操作进行监视，一旦主份泄压管路不能正常泄压，可立即启动备份泄压管路，该冗余设计可提高系统可靠性。

在不同阶段，冗余设计提供了多种可选泄压方式，见表1、2［4］所示。泄压方式的定义及内容从表中可知，各种泄压方式的时间消耗及气体损耗均列在表中。

各种泄压方式泄压时间曲线的比较见图11、12［4］。复压则有两种方式可选：大型密封舱平衡复压及高压气瓶复压，两种复压方式互为备份，同时具备了紧急复压功能。

表1 101～35kPa（760～259mmHg）时的泄压方式Table 1 Crewlock depressurization methods from 101kPa to 35kPa mmHg

表2 35～3．5kPa（259～26mmHg）时的泄压方式Table 2 Crewlock depressurization methods from 35kPa to 3．5kPa mmHg

图11 泄压第一阶段不同泄压方式性能比较Fig．11 Comparison of different depressurization methods in first depressurization phase

图12 泄压第二阶段不同泄压方式性能曲线比较Fig．12 Comparison of different depressurization methods in second depressurization phase

3 我国空间站气闸舱气体复用技术方案研究

3．1 气体复用技术方案特点

对一个密闭容器降压复用的方法有三类：气体转移法、吸附剂吸附法和压缩空气液化法。经可行性及经济性论证，常压转移法足以满足出舱活动的气体复用要求，因此，我国空间站采用常压转移法来实现对气体的复用。转移抽送方案的基本技术要求是气体复用泵对气闸舱和轨道舱都不能产生任何污染，可直接从大气压抽气，在大气压下排放。另一方面，轨道舱舱压有一个正常范围［8］，转移的气体不能使轨道舱的舱压超出正常范围。由于空间站轨道舱的体积远大于气闸舱体积，经计算，条件满足。

3．2 泄复压方案

空间站气体复用方案在我国神舟-7 飞船泄复压的基础上进行改进设计，泄压阶段采用气体复用泵对气体进行回收，复压时可通过轨道舱平衡复压或高压气瓶补气复压，从而实现气体的重复利用。类似于神舟-7飞船泄复压分阶段完成，空间站气闸舱泄复压也分阶段完成。

泄压分三个阶段［9］，第一阶段利用气体复用系统泄压，将舱压从101kPa降至70kPa，后暂停泄压40min左右，航天员利用该段时间进行吸氧排氮、对航天服进行大流量冲洗等；第二阶段从70kPa左右泄压至30kPa左右，仍为气体复用阶段；第三阶段采用泄压阀泄压，将气闸舱剩余气体排放至太空。这是因为随着舱压的降低，泄压时间按指数规律变化，若仍对剩余气体进行回收，则气体复用泵消耗的电能及气体复用时间将按指数规律增长，所花的代价增大，经济性下降，因此，第三阶段采用类似神舟-7泄压方式，将剩余气体排放掉。

复压也分三个阶段：0kPa复压至40kPa，40kPa复压至80kPa，80kPa至正常舱压。不同复压阶段间的停顿是为了配合航天员断开航天服的舱载支持连接及航天服复压等操作。常规复压采用轨道舱气体进行平衡复压，但在最后阶段，复压速率下降，为了减少复压时间等待，可打开高压气瓶进行补气复压。

另外，为应对突发情况，如舱外航天服泄漏、燃料耗尽等危及航天员生命的事件发生时，出舱航天员必须尽快过闸返回；或应对更糟糕的意外发生，需将舱外航天员搬运至舱内时，为营救航天员争取时间，必须对气闸紧急复压［10］。此时所需的复压时间要大大小于一般情况的复压，操作时，须一开始就同时打开高压气瓶复压阀及轨道舱平衡压力复压阀，且调节阀门的开度达到最大，在航天医学允许的范围内，争取最大复压速率。

在整个泄复压过程中，应满足多方面的要求，如泄复压速率应满足一定的航天医学要求，40kPa以上降压速率不大于1．33kPa／s，40kPa以下降压速率不大于4kPa／s；40kPa 以上复压速率不大于0．133kPa／s，40kPa以下复压速率不大于1．33kPa／s。泄复压所产生的振动及噪声、复压后的空气温度也必须控制在一定范围内等［11］。

3．3 系统基本组成

系统主要由泄压组件Ⅰ、泄压组件Ⅱ、复压组件Ⅰ及复压组件Ⅱ组成。泄压组件Ⅰ的核心部件为气体复用泵，用在泄压第一阶段，以将气闸舱的大部分气体转移至大型轨道舱。气体复用泵为清洁无油干式机械真空泵，保证转移抽送后的气体可重复利用。气体复用泵可置于气闸舱内或大型轨道舱内，当置于气闸舱内时，随着气体被抽走，复用泵的对流散热条件逐渐恶劣，需主动热控低温回路引入进行散热；当置于大型轨道舱内时，则无需主动控温，见图13、14所示。

图13 气体复用泵置于气闸舱内的情况Fig．13 Instance of the gas recovery pump parking in an airlock

图14 气体复用泵置于大型轨道舱内的情况Fig．14 Instance of the gas recovery pump parking in a large orbit module

泄压组件Ⅱ的核心部件为泄压阀，为一真空阀，用在泄压第二阶段，以将气闸舱内复用泵转移抽送后剩余的气体排放至舱外太空，方便航天员打开舱门。复压组件Ⅰ用来将气闸舱复压至正常舱压，通过将大型轨道舱内的气体平衡至气闸舱实现复压。其核心部件为复压阀，也是一真空阀，与泄压组件Ⅱ中的泄压阀原理及控制方式相同，只是规格不同。复压组件Ⅱ为高压气瓶复压组件，当大型轨道舱不允许进行压力平衡时对气闸舱进行复压，或者气闸舱需紧急复压时配合复压组件Ⅰ完成紧急复压。

3．4 地面试验方法

地面试验应根据气体复用需求搭建地面试验平台，对泄复压时间、泄复压速率及气体复用率进行验证，对气体复用过程中系统的力学、热学、电子学性能进行验证。应重点关注复用气体成分，分析污染性，对系统在氧气浓度增大时的安全性进行验证。对不同泄复压工况进行设计及验证，满足多工况下的泄复压，还应进行紧急复压的验证。另外，应对泄复压建立数学模型，从理论模型角度分析气体复用率、泄复压时间及复用泵效率间的最佳值。

3．5 试验条件影响性分析

1）泄压起始压力影响

地面大气压力随海拔、温湿度有所差异，在进行地面试验时，大气压力P与气闸舱压P0存在差异，当P＜P0时，泄压是从P开始的，则从P0至P的泄压段无法进行考核验证，应结合可验证段的计算值与试验值建立数学模型，采用模型进行估算，并分析误差。

2）模拟舱与真实气闸舱的差异影响

为重点关注气体复用系统对气体的转移抽送规律，地面气闸舱模拟容器为金属空腔容器，可视为理想容器。试验验证时，实际模拟容器中发生的各种气体——固体间的相互作用现象如物理化学吸附、金属内部扩散及脱附等现象对总气体量的影响均忽略不计。而由于真实气闸舱内安装有其他出舱保障设备，舱内气体环境由环控生保系统提供对流、温湿度控制器及功能材料等的存在，且航天员出舱时着舱外航天服，真实气闸舱内发生的各种吸气、放气现象非常复杂，气闸舱模拟舱不需要，也难以完全模拟飞行状态的条件，因此与真实气闸舱不可避免存在差异。由于吸、放气现象在一定程度上影响开舱门压力点2kPa的到达［11］，因此，该差异性也应建立数学模型，从理论角度进行影响分析。

3）轨道太空模拟舱与真实轨道太空的差异影响

空间站轨道高度约在距地面350km 左右，气压在1×10-6Pa量级，泄压第二阶段向舱外太空排气，相当于一个无限大抽速的真空系统对气闸舱抽气。而在地面，即使可将模拟容器的真空度抽至1×10-6Pa量级，一旦泄压开始，模拟容器的真空度将迅速下降。因此，无法真实模拟轨道太空的真空度，泄压时间会否受到影响，应进行分析。另外，应考察模拟容器温度与轨道太空温度差异对泄压的影响［12］。

4）地面大气环境模拟大型轨道舱的差异影响

大型轨道舱用以接收复用的气体，其显著特征是其体积远大于气闸舱体积，且舱压尽量不发生变化。在地面情况下，大气环境即是一个理想的模拟容器，可以保持吸收气闸舱气体后压力不发生变化，同时省略了大型模拟舱。采用地面大气环境模拟大型轨道舱是一个很好的策略，该方案对气体复用速率及时间有无影响，应进行理论分析。

4 结束语

空间站气闸舱气体复用技术实现了气体复用，与早期的载人航天器泄复压技术相比，具有独特的优越性，总结如下：

1）资源的回收利用

与神舟-7飞船等载人航天器泄复压技术相比，气体复用技术最突出的优势是对气闸舱气体实现重复利用，节约了宝贵的气体资源，可减少货运飞船的上行量，降低发射成本，对于空间站长期在轨运行以及未来长期有人居住的月球基地、载人深空探测等任务具有重要意义。

2）性能及操作程序的可预见性

“国际空间站”新型控制器使用了多项新技术，将控制器采集的系统状态信号及工作情况与站载计算机进行通信。泄复压时，各种状况与事先设置好的软件程序进行比较，当状态异常及硬件故障时可及时报错，提示驻留航天员介入。性能及系统可靠性得到提高，泄复压程序成为可预见的操作。

3）冗余设计

为了防止泄复压硬件及管路异常等现象，如阀门管路在泄复压过程中异常时，系统具有备份泄复压措施，可及时切换泄复压路径，保证出舱活动的如期进行。

4）全新的技术

“国际空间站”气体复用泵实为离心压缩机，最大转速为28 000r／min，采用了气体润滑轴承。在空间微重力环境下，气体轴承更能显示出其优越性。另外，手自一体泄复压阀是一项崭新的技术，与电磁阀相比，具有可变开度、柔性响应、功耗较小的优点，是一种有广泛应用前景的空间阀门。“国际空间站”采用了多种新技术进行建设，我国空间站气体复用技术也应开发新型节能设备，进行全面的验证后，服务于出舱活动任务。

（References）

［1］孙自法．中国载人空间站正立项审批［J］．中国航天，2009（10）：16

Sun Zifa．China’s manned space station project submitted for approval［J］．Aerospace China，2009（10）：16（in Chinese）

［2］Marmolejo J A，Landis P A，Sommers M．Delivery of servicing ＆performance checkout equipment to the International Space Station joint airlock to support extravehicular activity［C］／／32nd International Conference on Environmental Systems．Detroit：Engineering Society for Advancing Mobility and Land Sea Air and Space，2002：16-30

［3］Schaezler R N，Leonard D J，Suri S．International Space Station（ISS）extravehicular activity（EVA）gas usage［C］／／35th International Conference on Environmental Systems．Detroit：Engineering Society for Advancing Mobility and Land Sea Air and Space，2005：449-457

［4］Williams D E，Leonard D J，Booth V J，et al．International Space Station（ISS）airlock crew lock depressurization methods［C］／／34International Conference on Environmental Systems，Colorado Springs．Detroit：Engineering Society for Advancing Mobility and Land Sea Air and Space，2004：1-12

［5］Wieland P O．Living together in space：the design and operation of the life support systems on the International Space Station，NASA／TM--98-206956［R］．Alabama：Marshall Space Flight Center，1998

［6］Grosveld F W，Goodman J R，Pilkinton G D．Interna-tional Space Station acoustic noise control—case studies［EB／OL］．［2013-01-24］．http：／／www．nasa．gov／centers／Johnson／pdf／485152main＿Iss-Case-Studies．pdf

［7］James D G．Space station freedom airlock depress／repress system design and performance［C］／／22nd International Conference on Environmental Systems．Detroit：Engineering Society for Advancing Mobility and Land Sea Air and Space，1992：1-16

［8］黄志德，高峰，李健，等．出舱活动气闸舱环境控制与出舱保障系统研制［J］．载人航天，2009，15（4）：32-39

Huang Zhide，Gao Feng，Li Jian，et al．Development of environment control and support system for airlock in extravehicular activity［J］．Manned Spaceflight．2009，15（4）：32-39（in Chinese）

［9］耿丽艳，李新明．载人飞船泄复压过程中轨道舱的噪声环境试验研究［J］．航天器环境工程，2008，25（6）：523-528

Geng Liyan，Li Xinming．The acoustic environment in the orbit cabin during the depressurization ＆repressurization courses［J］．Spacecraft Environment Engineering．2008，25（6）：523-528（in Chinese）

［10］阳高峰，尹大勇．载人试验舱综合复压系统［J］．航天器环境工程，2005，22（6）：315-360

Yang Gaofeng，Yin Dayong．Repressurization system of manned vacuum chambers［J］．Spacecraft Environment Engineering，2005，22（6）：315-360（in Chinese）

［11］朱光晨，贾世锦．出舱活动的地面试验验证［J］．载人航天，2009，15（3）：48-53

Zhu Guangchen，Jia Shijin．The ground verification of spacecraft EVA functions［J］．Manned Spaceflight，2009，15（3）：48-53（in Chinese）

［12］张昊，魏传峰，满广龙，等．载人航天器泄复压地面模拟试验方法［J］．航天器工程，2012，21（4）：106-110

Zhang Hao，Wei Chuanfeng，Man Guanglong，et al．Simulation test method of manned spacecraft depressurization and repressurization［J］．Spacecraft Engineering，2012，21（4）：106-110（in Chinese）