多舱段载人航天器CO2去除系统性能仿真分析

靳 健 侯永青

(中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京100094)

执行中长期乘员驻留任务的载人航天器通常是由多舱段在轨组装形成的组合体，如和平号空间站、国际空间站.我国的目标飞行器在轨期间也通过交会对接与载人飞船形成两舱组合体.载人航天任务过程中，为了保障航天员的生命安全和工作效率，必须在乘员驻留期间严格控制密封舱内的CO2分压水平.由于各舱段密封舱通过舱门彼此连通，参考国外型号和我国载人航天器型号的设计经验，组合体密封舱CO2分压通常由1个或若干个舱段的空气环境控制系统利用舱间通风进行集中控制［1-11］.

目前CO2去除系统性能分析方式通常是建立密封舱CFD仿真分析模型［12-15］，分析密封舱内的CO2分压参数，这种设计方法侧重点在流场分析而不是系统性能分析，存在如下不足:

1)难以对流场参数外的关键参数进行分析，且容易割裂各个参数间的相互影响;

2)舱段通常需要建立三维计算模型，由于舱段众多，几何模型建立和网格划分工作量巨大;

3)为进行众多的参数分析，需计算多个工况，而每个工况计算均需花费较多工时，总计算周期较长;

4)适合进行稳态分析，进行非稳态计算较为不便.

本文针对某三舱载人航天器组合体，利用参数、代数方程、微分方程对空气环境控制系统各个关键部件的性能进行了描述，从而形成各个部件的数学模型，利用这些部件的数学模型搭建了载人航天器组合体CO2去除系统性能仿真分析模型，分析了乘员位置、乘员人数、舱间通风量、去除系统流量对各舱CO2分压水平的影响.

1 CO2去除系统组成说明

本文的研究对象是一个由舱Ⅰ、舱Ⅱ和舱Ⅲ组装形成的三舱段组合体，组合体密封舱CO2分压由舱Ⅰ利用舱间通风进行集中控制，综合参考国际空间站指标要求［8］和我国某在轨载人航天器型号，确定密封舱CO2分压不高于700Pa，短时间内CO2分压上限可以达到1000Pa.模型具体组成如下:

1)舱体.舱Ⅰ、舱Ⅱ和舱Ⅲ密封舱容积均为80 m3，三舱采用“一”字型组合体.

2)乘员.额定乘员3人，轮换期间乘员达到6人，假定各个乘员代谢参数一致，参考我国前期设计经验，单个乘员的 CO2产出速率为0.0417 kg/h.

3)CO2去除装置.参考我国前期载人航天器设计经验，舱Ⅰ配备非再生式LiOH净化罐和风机组件，风机组件从人区抽取空气进入净化罐去除CO2，空气流量可以进行调节，舱Ⅱ和舱Ⅲ不配备CO2净化系统.

4)舱间通风系统.在舱Ⅰ配备舱间通风风机和通风软管，利用通风软管将舱Ⅱ的空气抽至舱Ⅰ，舱Ⅰ空气通过对接通道回风至舱Ⅱ.在舱Ⅱ配备舱间通风风机和通风软管，利用通风软管将舱Ⅲ的空气抽至舱Ⅱ，舱Ⅱ空气通过对接通道回风至舱Ⅲ.舱间通风量可以进行调节.

综上所述，载人航天器组合体密封舱CO2去除系统组成见图1.

图1 三舱组合体CO2去除系统组成Fig.1 Structure of CO2removal system of three-cabin human spacecraft

2 仿真分析模型

本文采用数学分析软件Ecosimpro作为载人航天器空气环境控制系统性能集成分析建模的基础平台，该软件是ESA官方选用分析工具，曾成功用于国际空间站哥伦布舱空气环境控制系统的设计与在轨性能分析工作，该软件能够对任何可以表示为微分代数方程(DAE)或者常微分方程的动态系统以及离散事件进行建模.

本文利用Ecosimpro平台，通过一系列微分代数方程或常微分方程对CO2去除系统各个关键设备性能进行了定义，从而形成各个设备的数学模型.关键设备的主要控制方程描述如下.

1)舱体(cabin).

①空气质量守恒方程:

其中，mj是舱内空气中第j种组分的质量，kg;wi是流入舱内的空气质量流量，kg/s;xi，j是流入舱内的空气中第j种组分的质量分数;wo是流出舱内的空气质量流量，kg/s;xo，j是流出舱内的空气中第j种组分的质量分数;wl，j是乘员代谢产生的第j种空气组分的质量流量，kg/s;Mair是舱内空气总质量，kg;N是舱内空气组分数目;xair，j是第j种组分的质量分数;yair，j是第j种组分摩尔分数;MWl是第l种组分的摩尔质量，g/mol;ρair是舱内空气密度，kg/m3.

②空气能量守恒方程:

其中，Uair是舱内空气的内能，J;hi是流入舱内空气的比焓，J/kg;ho是流出舱内的空气比焓，J/kg;qair是加入空气的总热流，包括乘员代谢产热、设备向人区的漏热，W;u是舱内空气的比内能，J/kg.

式(1)～式(7)确定了舱内空气的密度ρ、比内能u和各种组分的摩尔分数yair，j，则舱内空气状态可以确定，舱内气压Pair、空气温度Tair和空气比焓hair可以通过理想气体相关的方程求出，各种组分的分压如下:

其中 Pair，j是第 j种组分的分压，Pa.

③两舱间通道内气压:设定等于两密封舱气压Pair中较高的一侧的值.

2)乘员(crew).

通过模拟乘员的代谢产热、产湿速率、CO2产出速率和耗氧速率来模拟乘员的在轨代谢活动，上述代谢产物计入舱体空气质量守恒方程和能量守恒方程相关项目中.

3)LiOH净化罐.

①单个净化罐总的CO2净化量控制方程:

其中，MCO2是单个净化罐可处理的CO2总质量，kg;xL是每千克初始状态的LiOH所能去除的CO2质量，kg/kg;mL，0是单个净化罐装填的 LiOH质量，kg.

②CO2净化速率控制方程:

其中，wCO2是CO2净化流速，kg/s;a是LiOH净化罐装填效率，取0.9;r是LiOH与CO2化学反应速率，s-1.

③质量守恒方程:

其中，xzo，CO2是流出净化罐的空气中CO2的质量分数;wzi是流入净化罐的空气质量流量，kg/s;wzo是流出净化罐的空气质量流量，kg/s;xzi，CO2是流入净化罐的空气中CO2的质量分数.

④动量守恒方程:

其中，Δp是空气流过净化罐的压差，Pa;Δpref是空气流过净化罐的参考压差，Pa;wzref是流入净化罐的参考空气质量流量，kg/s;ρzi和 ρzref分别是流入净化罐空气的密度和参考密度，kg/m3.

⑤能量守恒方程:

其中，Tb是净化罐温度，℃;hzi是流入净化罐空气比焓，J/kg;hzo是流出净化罐空气比焓，J/kg;qr是化学反应产生的热量，W;Mb是净化罐总质量，kg;Cpb是净化罐比热，J/(kg·℃).

4)组件间接口关系.

①总质量流量:

其中，w是流过接口的总净质量流量，kg/s;wf和wb分别是顺流和逆流方向总质量流量，kg/s.

②第j种组分质量流量:

其中，wj是流体中第j种组分的质量流量，kg/s;xf，j是第j种组分在顺流方向总质量流量中占的质量分数;xb，j是第j种组分在逆流方向总质量流量中占的质量分数.其中 xf，j和 xb，i与组分流动方向相关，当组分流动方向为正时，xb，i=0，当组分流动方向为负时，xf，j=0.

③能量流:

其中，hf是顺流方向比焓，J/kg;hb是逆流方向比焓，J/kg.

三舱载人航天器组合体CO2去除系统模型见图2.

图2 三舱载人航天器组合体CO2去除系统模型Fig.2 Structure of CO2 removal system of three-cabin human spacecraft

3 结果与分析

利用载人航天器组合体CO2去除系统模型，本文计算分析了乘员位置、乘员人数、舱间通风量、流入去除装置的通风量等参数对密封舱CO2分压的影响.

3.1 乘员所在位置对CO2分压的影响

本文计算分析了3名航天员分别驻留在舱Ⅰ、舱Ⅱ、舱Ⅲ过程中，三舱密封舱CO2分压随在轨时间的变化.计算过程中，舱Ⅰ/舱Ⅱ以及舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量保持为0.021 kg/s，流入CO2去除装置的空气流量为0.0072 kg/s，具体计算流程如下:

1)T0～T0+120 h，3名航天员驻留在舱Ⅰ;

2)T0+120 h～T0+216 h，3名航天员驻留在舱Ⅱ;

3)T0+216 h～T0+312 h，3名航天员驻留在舱Ⅲ.

乘员驻留位置对各舱密封舱CO2分压水平的影响如图3所示.各舱的CO2分压与CO2产出源至去除装置间的输运距离直接相关.在T0～T0+120 h阶段，3名航天员驻留在舱Ⅰ且CO2由舱Ⅰ来去除，CO2产出源至去除装置间输运距离可以认为是0，三舱CO2分压较为一致，均维持在320 Pa.在T0+120h～T0+216h阶段，3名航天员驻留在舱Ⅱ，CO2产出源也转移至舱Ⅱ，因此，舱Ⅰ的CO2分压在乘员刚离开时短时间下降.但由于舱Ⅰ需处理的CO2量与T0～T0+120 h阶段一致，稳定后舱Ⅰ的CO2分压与T0～T0+120 h阶段也一致.由于舱间通风对CO2的输运能力较强，舱Ⅱ和舱Ⅲ的CO2分压水平一致.由于舱Ⅱ和舱Ⅲ的CO2需要转移至舱Ⅰ来处理，造成舱Ⅱ和舱Ⅲ的CO2分压要高于舱Ⅰ，维持在425 Pa.在T0+216 h～T0+312 h阶段，3名航天员驻留在舱Ⅲ，CO2产出源也转移至舱Ⅲ，CO2产出源与去除装置间的输运距离进一步加大，造成舱Ⅲ的CO2分压升至530 Pa，舱Ⅱ的CO2分压与T0+120 h～T0+216 h阶段一致，而舱Ⅰ由于需处理的CO2量与T0～T0+120 h阶段一致，稳定后舱Ⅰ的CO2分压与T0～T0+120 h阶段也一致.

图3 乘员位置对CO2分压水平的影响Fig.3 Influence of crew location to CO2partial pressure

综上所述，在上述去除系统参数设定下，三舱CO2分压均满足不高于700 Pa的要求，但随着CO2产出源与去除装置间输运距离的加大，CO2产出源所在舱体的CO2分压也逐渐加大.

3.2 乘员人数对CO2分压的影响

根据3.1节分析可知，航天员驻留在舱Ⅲ时，舱Ⅲ的CO2分压要高于其他工况.因此，设定航天员驻留在舱Ⅲ，本文计算分析了驻留人数由3人逐渐增加至6人过程中，三舱密封舱CO2分压随在轨时间的变化.计算过程中，舱Ⅰ/舱Ⅱ以及舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量保持为0.021 kg/s，流入CO2去除装置的空气流量为0.0072 kg/s，计算流程如下:

1)T0～T0+120 h，3名航天员驻留在舱Ⅲ;

2)T0+120 h～T0+216 h，4名航天员驻留在舱Ⅲ;

3)T0+216 h～T0+312 h，5名航天员驻留在舱Ⅲ;

4)T0+312 h～T0+408 h，6名航天员驻留在舱Ⅲ.

乘员人数对各舱密封舱CO2分压水平的影响如图4所示.随着航天员人数的增加，各舱CO2分压均随之上升.由于舱Ⅲ距离CO2去除装置的输运距离最远，舱Ⅲ的CO2分压始终高于其他舱段.当乘员人数达到4人时，舱Ⅲ的CO2分压达到了上限700 Pa，当乘员人数达到6人时，舱Ⅲ的CO2分压超过了1000Pa，舱Ⅱ的CO2分压也超过了700 Pa.

图4 乘员人数对CO2分压水平的影响Fig.4 Influence of crew number to CO2partial pressure

综上所述，在上述去除系统参数设定下，4名乘员驻留在舱Ⅲ时，舱Ⅲ的CO2分压已达上限.

3.3 舱间通风量对CO2分压的影响

根据3.2节分析可知，6名航天员驻留在舱Ⅲ时，舱Ⅲ和舱Ⅱ的CO2分压均超出了指标上限.本节分析了提高舱间通风量对各舱CO2分压的影响.计算过程中，6人驻留在舱Ⅲ，流入CO2去除装置的空气流量为0.0072kg/s，具体计算流程如下:

1)T0～T0+120 h，舱Ⅰ/舱Ⅱ和舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量为0.021 kg/s;

2)T0+120h～T0+216h，舱Ⅰ/舱Ⅱ和舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量为0.041 kg/s;

3)T0+216h～T0+312h，舱Ⅰ/舱Ⅱ和舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量为0.056 kg/s;

4)T0+312h～T0+408h，舱Ⅰ/舱Ⅱ和舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量为0.07 kg/s.

舱间通风量对各舱密封舱CO2分压水平的影响如图5所示.随着舱间通风量的增加，舱Ⅱ和舱Ⅲ的CO2分压均随之下降，这是因为舱间通风量的增大增加了舱间CO2的传质速率，缩小了各舱CO2分压的差值.但是由于CO2去除装置所在的舱Ⅰ中CO2分压已经达到了630 Pa，造成舱Ⅱ和舱Ⅲ在整个计算过程中均在700 Pa以上.当舱间通风量达到0.07 kg/s时，舱Ⅱ的CO2分压为715 Pa，航天员所在的舱ⅢCO2分压为780 Pa.

图5 舱间通风量对CO2分压水平的影响Fig.5 Influence of inter-cabin air flux to CO2partial pressure

综上所述，由于舱Ⅰ的CO2分压已经接近上限，所以加大舱间通风量虽能降低舱Ⅱ和舱Ⅲ的CO2分压，但是这两个舱段的CO2分压仍然超标.

3.4 去除系统流量对CO2分压的影响

根据3.3节分析可知，单纯增加舱间通风量对降低舱Ⅲ和舱ⅡCO2分压作用有限.本节分析了提高流入CO2去除装置流量对各舱CO2分压的影响.计算过程中，6人驻留在舱Ⅲ，舱Ⅰ/舱Ⅱ以及舱Ⅱ/舱Ⅲ的舱间通风量保持为0.041 kg/s，具体计算流程如下:

1)T0～T0+120h，流入CO2去除装置的流量为0.0072 kg/s;

2)T0+120 h～T0+216 h，流入 CO2去除装置的流量为0.0093 kg/s;

3)T0+216 h～T0+312 h，流入 CO2去除装置的流量为0.0113 kg/s;

4)T0+312 h～T0+408 h，流入 CO2去除装置的流量为0.0134 kg/s.

流入CO2去除装置通风量对各舱密封舱CO2分压水平的影响如图6所示.随着流入CO2去除装置通风量的增加，各舱CO2分压均随之显著下降，这是因为舱Ⅰ中CO2分压显著下降，带动其他舱段CO2分压也随之下降，当流入CO2去除装置的通风量达到0.011 3 kg/s时，舱Ⅲ的CO2分压已经低于700 Pa指标要求.

图6 CO2净化装置进风量对CO2分压水平的影响Fig.6 Influence of air flux into CO2 removal equipment to CO2 partial pressure

4 结论

本文利用Ecosimpro建立了多舱段载人航天器CO2去除系统性能仿真分析模型.结果表明，通过该模型能够快速准确地得到密封舱内CO2水平随在轨时间的变化趋势，并能够综合考虑各个参数对CO2去除系统性能的影响.根据本文的计算结果，各个关键参数的取值范围以及对各个密封舱CO2水平的定量影响如下:

1)非主控舱段CO2分压随CO2产出源至去除装置间输运距离的增加而上升，舱间通风量为0.021 kg/s，流入 CO2去除装置的空气流量为0.0072 kg/s时，3名航天员驻留在舱Ⅲ时，舱Ⅲ的CO2分压达到了530 Pa;

2)各舱CO2分压随着驻留人数的增加而增加，舱间通风量为0.021 kg/s，流入CO2去除装置的空气流量为0.0072 kg/s时，4名乘员驻留在舱Ⅲ时，舱Ⅲ的CO2分压已经达到了上限;

3)舱Ⅱ和舱Ⅲ的CO2分压随着舱间通风量的增加而下降，当舱间通风量达到0.07 kg/s时，舱Ⅱ的CO2分压为715 Pa，航天员所在的舱ⅢCO2分压为780 Pa.

4)各舱CO2分压随着流入CO2去除装置的空气流量增加而下降，舱间通风量为0.041 kg/s，当流入CO2去除装置的通风量达到0.011 3 kg/s时，舱Ⅲ的CO2分压已经低于700 Pa指标要求.

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