载人航天器座舱环境控制系统建模与性能分析

刘炜 陈立平 丁建完 谢刚（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074）

载人航天器座舱环境控制系统建模与性能分析

刘炜 陈立平 丁建完 谢刚
（华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074）

文章以航天器座舱大气环境控制系统为研究对象引出了该系统主要部件的数学控制方程，基于建模语言Modelica建立了重用性高、易于扩展和使用高效的环境控制系统模型库，并阐述了基本的建模方法。利用模型库构建了典型的航天器座舱大气环境控制系统，对温湿度控制、供气调压和二氧化碳净化的性能及其控制方法进行仿真分析，提出了主动温湿度综合控制方法。仿真分析结果表明：供气调压、大气净化和温湿度控制之间存在紧密耦合、互相影响的关系；主动温度控制方法虽然适合温湿度控制，但主动温湿度综合控制方法的性能优于前者；航天员活动状态对各分系统有显著影响，设计和运行管理过程中要重点考虑其动态变化。文中所建模型库和分析结论为载人航天器座舱大气环境控制系统设计改进和运行管理提供了有效的工具及方法。

座舱环境控制；Modelica语言；面向对象建模；温湿度控制；载人航天器

1 引言

座舱大气环境控制系统是航天器环境控制与生命保障系统的关键分系统之一，主要实现航天器座舱内大气压力、气体成分和温湿度的控制，为航天员的生活和工作提供必要的大气环境条件［1］。环境控制系统包括众多子系统，结构复杂、互相耦合、稳定性和可靠性要求极高，给控制策略设计和性能分析带来了较大困难。采用数值模拟方法对环境控制系统进行仿真分析是辅助系统设计优化、试验验证和运行管理的一种非常有效的技术途径，可以大幅度提高系统性能，缩短开发周期。

通常采用计算流体动力学（CFD）软件对座舱内的流场、温度场和浓度场进行仿真分析［2－5］，此类方法侧重于单一结构下的流动分析而不是系统性能分析，在系统级仿真分析方面，难以对流场外的关键系统性能参数及各个参数间的相互影响进行分析［6］；目前系统仿真向集成方向发展，体现在多学科耦合、跨系统交互上［7］，CFD软件对多领域建模也支持不足。Modelica［8－9］是一种功能强大的建模语言，支持面向对象、多领域统一、非因果陈述式和连续—离散混合的建模方法，与Matlab、AMESim等软件相比，具有以下优势：建模过程灵活方便，模型具有统一描述，重用性和扩展性高，利于工程知识积累，适合系统物理建模，软件平台开放。本文探索系统分解的粒度水平、接口设计、介质模型解耦和充分利用面向对象方法的机制，以提高模型的重用性、扩展性和灵活性。分析环境控制系统主要组成部件的物理原理，在完全支持Modelica的多领域建模仿真平台MWorks上建立了易于管理、模块化、参数化和图形化的基础组件模型库。利用开发的模型库构建典型环境控制系统模型进行仿真，定性分析舱压控制子系统、温湿度控制子系统和二氧化碳净化子系统的性能及互相之间的影响。对主动温度控制法和主动湿度控制法的性能做了对比分析，结合这两种方法提出了性能更优的主动温湿度综合控制法。

2 主要模型的控制方程

影响座舱大气环境控制系统的因素众多，本文主要从环境控制系统主要组成部件的物理原理和环境控制系统仿真分析的内容出发，根据质量、能量和动量守恒推导得到部件数学形式的控制方程，用于创建部件模型。控制方程能以自然的数学方程形式描述在Modelica模型中，形成知识积累。

2.1 航天员

主要考虑航天员与环境之间的能量物质交换和身体热平衡。人体新陈代谢产热qm是基本代谢率qm，bas与额外代谢率qm，add之和［10］。人体热平衡采用两节点模型［11］，将身体分为内核和皮肤两部分。内核和皮肤的能量贮存率Sco和Ssk由能量方程平衡方程得到，内核和皮肤的温度变化率通过其能量贮存率、身体的比热容cb和身体质量m集中在皮肤的比例α计算：

式中 qco，sk为从内核传递给皮肤的热流；Eres和Esk分别为呼吸和皮肤的蒸发热流；qc和qr分别为皮肤与环境之间的对流和辐射热流；W为所做的机械功。

根据质量守恒，得到吸入质量流win、呼出质量流wout和第j种组分对应的质量分数xin，jxout，j及其消耗质量流wj之间的关系，氧气的消耗量和CO2的产生量可以通过经验公式计算，假设呼出气体是正好饱和的湿空气，可求出产湿量［10－11］：

式中 RQ为呼吸商；MCO2和MO2分别为二氧化碳和氧气的摩尔质量；r为气化潜热。

2.2 座舱

座舱是航天员生活和工作的场所，本文将设备区和人员活动区分开考虑，设备区的影响通过热流传递给人员活动区。座舱分解为大气区、舱壁和舱壁上的冷凝水膜三部分。大气区的第j种组分的质量守恒方程为

式中 win和wout是流入和流出座舱的质量流；wlf，in和wlf，out是航天员呼出和吸入的质量流；xin，jxout，jxlf，in，jxlf，out，j分别是第j种组分对应的质量分数；wair，film，j为大气区与舱壁物质交换的质量流。

根据大气区的能量守恒，能量Uair的变化率为

式中 hin和hout为流入和流出座舱的大气比焓；hlf，in和hlf，out为航天员呼出和吸入气体的比焓；hair，film为空气与舱壁交换物质的比焓；qair，wall为大气传递给舱壁的热流；qequip，air为电气设备传递给大气的热流。

舱壁上冷凝水膜区的质量守恒和舱壁的能量守恒方程如下：

2.3 冷凝换热器

冷凝换热器同时控制温度和湿度。温度控制通过把热量传递给冷却回路来实现；将大气温度降低到露点以下，使水蒸气冷凝，从大气流中分离出来，实现湿度控制。大气侧和冷却侧的质量守恒方程如下，吸水端口液体水的质量流wdrain，liq通过吸水区入口液体水的质量分数xslurp，liq和吸水效率εslurp得到：

式中 wcold，in和wcold，out为冷却侧入口和出口的质量流；whot，in、whot，out、wdrain分别是大气侧入口、出口及吸水端口的质量流；xhot，in，jxhot，out，jxdrain，j分别是第j种组分对应的质量分数。

冷凝换热器的总换热热流qhex为

式中 Cmin为两侧热容的较小值；hhot，in、hhot，out、hdrain、hcold，in、hcold，out分别为对应端口流体的比焓；Mwall，cold和Mwall，hot为冷却侧和大气侧固体壁的质量；cwall，cold和cwall，hot为对应的比热容；Mfluid，cold和Mfluid，hot为冷却侧和大气侧流体的质量，cfluid，cold和cfluid，hot为对应的比热容。

根据式（8）求出冷却侧出口和大气侧出口流体温度Tcold，out和Thot，out的变化率，换热效率η则根据换热器的类型进行计算［12］。

换热器对应端口的压降ΔP可以通过参考压降ΔPref计算，得到

式中 ρref和wref是参考密度和质量流；ρin和win是入口密度和质量流；n为压降方程的指数。

2.4 氢氧化锂装置

采用无水LiOH作为CO2吸收剂安全可靠，吸收效率高。假设LiOH与CO2的反应速率只取决于单位面积内CO2的质量流，温度和湿度对反应速率的影响通过效率体现，罐壁与大气之间为理想传热。LiOH罐的质量守恒方程与式（3）类似。CO2吸收质量流wCO2和水产生质量流wH2O分别为

式中 xload为CO2负载；xload，max为最大CO2负载；εLiOH，CO2为LiOH与CO2的反应速率；mLiOH，0为初始时罐中LiOH的质量。

动量守恒方程与式（9）类似，能量守恒方程为

式中 Tout为出口处的流体温度；qre为反应产热流；Mbed和Mfluid分别为反应床和罐中大气的质量；cbed、cfluid为反应床和罐中大气的比热容。

3 Modelica模型的构建方法

Modelica是一种面向对象和支持非因果建模的新语言，以模型库构架管理模型，这些新特征需要一种较先进的建模流程和方法指导建模过程。基本建模过程应用面向对象的物理建模法，首先明确研究系统对象；然后将系统分解成基本的组件，并定义组件之间的通信接口；最后利用Modelica灵活强大的功能构建组件模型和系统模型。

3.1 系统分解及接口设计

根据自然的物理边界和模型做出的假设，按照自顶向下的方法对系统进行分解，决定系统的层次拓扑结构、内部的通信方式、模型重用性和扩展性。系统分解应包含两个层面：一是面向组件的分解，将系统分解为物理上的部件；二是主体分解，在物理部件的基础上进一步分解，得到通用物理现象或方法的集合。系统分解得到相对独立对象的集合及其层次拓扑关系。每个对象即是一个组件模型，利用面向对象方法独立构建，组件与外界之间的交互通信通过接口实现。

表1 接口类型及变量Tab.1 Interface types and variables in interfaces

接口应该使组件连接变得简单自然，对于物理组件模型的接口，必须在物理上能够连接组件。设计环境控制系统的两类接口如表1所示。Modelica的接口有两种基本变量类型——流变量和势变量，其规律遵守广义基尔霍夫定律，即连接在同一接口上的流变量之和为零，势变量相等。为了满足热流体系统建模的需要，Modelica增加了一种新的接口变量，即附流变量，附流变量与其绑定的流变量之积可以看作流变量。接口之间可以连接，生成表示接口变量关系的连接方程。

3.2 介质模型

介质模型基于Modelica标准库的标准介质接口［13］扩展和专门化而得到。设计独立的介质模型，可以实现介质模型与设备模型控制方程的解耦，从而在构建设备模型时可以独立于介质模型，以最自然的方式描述控制方程和构建设备模型。介质模型在设备模型中定义为可替换组件，设备模型通过重声明可以任意选择介质模型。一种介质模型是一个模型包，由四部分组成：1）常数，包括介质的名称、摩尔质量等常数；2）属性模型，主要包含介质的状态方程和其他热力学方程，描述介质主要变量的关系；3）功能函数，计算介质在不同状态下属性参数的函数，例如计算动力粘度；4）类型，声明适用于热力学变量的类型，例如限定变量的大小。

图1 航天员模型示例Fig.1 Example of crew model

3.3 组件模型

组件模型是一种Modelica限制类，可包括参数、变量、嵌套类、方程和算法。组件模型的建立采用自低向上方法，通常从继承基类模型开始，并声明子组件模型和接口，补充变量和方程（参见第2节），按照组件的各层次嵌套子模型的组成及其拓扑关系，结合文本建模和拖放式建模逐层递进构建组件模型。组件模型对应于系统中的基本物理部件，例如管道、阀门、风机、换热器等，组件模型是功能完整的模型，可以直接实例化并应用。所有模型在模型库中按照设计的架构分类管理。航天员模型如图1所示。左图是本文视图下的部分代码；右下侧是在组件视图下的模型图标，它具有用于连接的接口。

4 环境控制系统仿真分析

4.1 环境控制系统模型

图2 航天器座舱环境控制系统模型Fig.2 Model of environmental control system

航天器座舱环境控制系统由温湿度控制子系统、CO2净化子系统和供气调压子系统组成。系统模型的构建采用自底向上集成的方法，按照系统物理结构，采用第3.3节所开发的座舱、航天员、供气调压组件、冷凝换热器、LiOH吸收罐、气液分离器、风机、管道、边界条件和控制器等组件模型构建一种典型系统的模型。在MWork平台的支持下，利用模型库中的组件模型可以直接进行可视化拖放建模；每个组件是独立的对象，封装了数据和方程，通过接口连接实现组件之间的交互，接口间的连接会自动生成连接方程；组件模型组合可以封装成子系统模型，实现层次化。环境控制系统的Modelica模型组件视图如图2所示，模型结构与实际物理系统的拓扑结构相对应。

4.2 大气环境指标与模型参数

表2 大气环境指标Tab.2 Requirement of atmosphere environment

表3 不同活动状态下人的能耗Tab.3 Energy consume of crew in different activity level

环境控制系统的主要性能指标和技术参数［1，14］是仿真模型的重要数据。载人航天器座舱环境控制系统需要将大气环境控制在适合航天员生活工作的合理范围内，大气环境指标如表2所示。

航天员的代谢热量和排出的湿气是座舱内的主要热湿载荷。航天员在不同活动等级下的代谢热量如表3所示。

进入冷凝换热器冷侧的冷却回路液体温度保持恒温，通常为（9±2）℃。供气调压系统供氧的最大质量流为0.005kg／s，供氮的最大质量流为0.02kg／s。温湿度控制系统风机从座舱抽取空气的质量流为0.08kg／s左右CO2净化系统风机从座舱抽取空气的质量流为0.01kg／s左右。

4.3 大气环境控制性能分析

设定座舱内有三名航天员，作息时间相同，每天处于安静状态8h，轻松工作状态14h，高强度工作状态2h。温湿度控制策略采用主动温度控制，被动湿度控制，即控制过程中只存在对被控温度的反馈作用，形成闭环，调节流入冷凝换热器的流量，设置最佳温度为22℃。一天内座舱大气温度和相对湿度的变化分别如图3所示。仿真结果显示温度基本维持最佳温度，在航天员代谢状态变化时，温度有小幅度的波动；相对湿度随产生量的变化而变化，变化幅度较大，能控制在大气环境指标要求的范围内。

下面分析温湿度控制策略采用被动温度控制、主动湿度控制，即控制过程中只存在对被控湿度的反馈作用，调节流入冷凝换热器的流量，设置最佳相对湿度为50%。一天内座舱大气温度和相对湿度的变化分别如图4所示。从仿真结果可以看到，相对湿度能够控制在要求的范围内；但温度变化剧烈，超出了规定范围。相对湿度不仅与含湿量有关，而且受温度影响。主动湿度控制过程中存在温度和湿度矛盾的情况，试图提高湿度控制能力时削弱了温度控制能力，反而导致湿度情况恶化。

图3 主动温度控制的大气温湿度Fig.3 T＆H under active temperature control

图4 主动湿度控制的大气温湿度Fig.4 T＆H under active humidity control

结合以上两种控制方法的特点，本文提出了一种主动温湿度控制策略，控制过程中同时存在对被控温度和被控湿度的反馈，形成闭环。温度闭环控制信号直接调节大气加热器，将温度闭环控制信号和湿度闭环控制信号分别乘以一定的权重系数，利用两者之和控制进入冷凝换热器的流量。设置最佳大气温度为22℃，最佳相对湿度为50%，一天内座舱大气温度和相对湿度的变化分别如图5所示。仿真结果显示，大气温度维持在控制设定温度，热负载巨变时有小幅度波动。当产湿量适中时，相对湿度能够维持在控制设定值。当产湿量较大或较小时，相对湿度偏离了设定值，但与前两种控制方法相比，其变化范围缩小了，湿度控制的整体效果得到提高。系统结构和控制策略比前两种系统复杂，加热器会消耗额外的能量。

CO2分压和氧气分压的控制比较简单。CO2净化系统风机从座舱抽取空气的流量设置为合理的大小，当CO2分压高于最大值时，认为LiOH罐吸收能力不足，将切换新的LiOH罐开始工作。当氧气分压低于最小界限时，供气调压系统开始补充氧气，速率根据总压的大小决定，直到氧气分压大于最大界限时，停止供氧。一周内座舱大气CO2分压和氧气分压分别如图6所示，都在技术指标要求的变化范围内。

图5 温湿度综合控制的大气温湿度Fig.5 T＆H under active temperature and humidity control

图6 座舱大气的CO2和氧气分压Fig.6 CO2and O2partial pressure in cabin

5 结束语

本文推导出载人航天器座舱大气环境控制系统主要部件的数学控制方程，能够较准确地模拟系统特性。基于Modelica语言建立了环境控制系统模型库，凭借其建模优势，模型具有很高的重用性、扩展性、易用性及知识积累能力。搭建一种典型环境控制系统的模型，对环境控制性能进行仿真分析，提出主动温湿度综合控制方法。得到结论如下：

1）主动温度控制方法能够满足温湿度控制的需求，结构简单，稳定性高；单纯的主动湿度控制方法削弱了温度控制能力，也不利于湿度控制；主动温湿度综合控制方法考虑温湿度的耦合作用，能够同时有效地控制温度和湿度。

2）总压和氧分压采用“先氧后氮”及设定上下界限的常用控制方法，CO2净化采用通过调节进入LiOH装置的流量和超出CO2分压上界后更换LiOH装置的方法，压力和气体成分都能够有效地控制在要求的范围内。

3）各子系统联系紧密，互相影响，必须综合分析，航天员活动状态、补充氧气氮气的温度、CO2净化量及电气设备产热都会影响温湿度变化；尤其航天员的活动状态变化会明显地影响几乎所有子系统。

［1］ 林贵平，王普秀.载人航天生命保障技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006：1－2，38－46.

［2］ ZAPATA J L，SON C H.Analysis of air ventilation and crew comfort for the International Space Station Cupola［C］.32ndInternational Conference on Environmental Systems，San Antonio，Texas，2002.

［3］ SPEISER D，PINES D，SON C H.Computational fluid dynamic of air flow in Node 1of the International Space Station［C］.35ndInternational Conference on Environmental Systems，Rome，2005.

［4］ 程文龙，赵锐，黄家荣，等.载人航天器独立飞行时密封舱内流动换热及热湿分析研究 ［J］.宇航学报，2009，30（6）：2410－2416.

CHENG WENLONG，ZHAO RUI，HUANG JIARONG，et al.Numerical simulation of flow heat transfer and humidity distribution in pressured cabins of an independent flight manned spacecraft［J］.Journal of Astronautics，2009，30（6）：2410－2416.

［5］ 付仕明，徐小平，李劲东，等.空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象 ［J］.北京航空航天大学学报，2007，33（5）：523－526.

FU SHIMING，XU XIAOPING，LI JINDONG，et al.Carbon dioxide accumulation of space station crew quarters［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33（5）：523－526.

［6］ 靳健，侯永青，杨雷.载人航天器大气环境控制系统性能集成分析［J］.航天器环境工程，2013，30（4）：380－387.

JIN JIAN，HOU YONGQING，YANG LEI.Integrated analysis of characteristics of the air environment control system of manned spacecraft［J］.Spacecraft Environment Engineering，2013，30（4）：380－387.

［7］ 付仕明，魏传锋，李劲东.空间站热分析综述［J］.航天器环境工程，2013，30（5）：467－472.

FU SHIMING，WEI CHUANFENG，LI JINDONG.Thermal analysis for a space station［J］.Spacecraft Environment Engineering，2013，30（5）：467－472.

［8］ 赵建军，丁建完，周凡利，等.Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理［J］.系统仿真学报，2006，18（2）：570－573.

ZHAO JIANJUN，DING JIANWAN，ZHOU FANLI，et al.Modelica and its mechanism of multi－domain unified modeling and simulation［J］.Journal of System Simulation，2006，18（2）：570－573.

［9］ FRITZSON P.Principles of object－oriented modeling and simulation with Modelica 2.1［M］.New York：John Wiley ＆Sons，2010.

［10］ FIALA D，LOMAS K J，STOHRER M.Dynamic simulation of human heat transfer and thermal comfort［J］.Environmental Ergonomics XII，Biomed，Ljubljana，2007：513－515.

［11］ GAGGE A P.An effective temperature scale based on a simple model of human physiological regulatory response［J］.Ashrae Transactions，1971，77：247－262.

［12］ INCROPERA F P.Fundamentals of heat and mass transfer［M］.New York：John Wiley ＆Sons，2011：670－705.

［13］ ELMQVIST H，TUMMESCHEIT H，OTTER M.Object－oriented modeling of thermo－fluid systems［C］.3rd International Modelica Conference，Linkoping，2003：269－286.

［14］ 戚发轫，朱仁璋，李颐黎.载人航天器技术［M］.2版.北京：国防工业出版社，2003：136－146.

刘 炜 1992年生，2013年毕业于华中科技大学机械设计制造及其自动化专业，现为华中科技大学机械设计及理论专业硕士研究生。研究方向为热流体系统多领域统一建模仿真与优化设计。

陈立平 1964年生，1995年获华中科大学械设计及理论专业工学博士学位，教授，博士生导师。主要研究几何约束求解、多体系统动力学和多领域建模仿真数字化设计支撑技术。

Modeling and Analysis of Cabin Atmospheric Environmental Control System in a Manned Spacecraft

LIU Wei CHEN Liping DING Jianwan XIE Gang
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074）

The governing equations of components for cabin atmospheric environmental control system in manned spacecraft were built.The general method of establishing model library using multi－domain unified modeling method based on Modelica was presented.A powerful library with high reusability，extensibility and feasibility was built for the environmental control system.A kind of environmental control system including an atmosphere control and supply subsystem（ACSS），atmosphere revitalization subsystem（ARS）and a temperature and humidity control subsystem（THCS）was modeled to carry out the performance analysis and the control strategy study.The investigation shows that three subsystems are coupled deeply and have influence on each other.The active temperature control method is appropriate for THCS.And a better control strategy of active temperature and humidity control was put forward to achieve more effective control capability.The crew activity level should be considered as a variation，which has heavy effects on other subsystems.The established model library and analysis results provide an efficient way to improve the design and running management of the cabin environmental control system in the manned spacecraft.

Atmospheric environmental control；Modelica；Object－oriented modeling；Temperature and humidity control；Manned spacecraft

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.007

（编辑：王晓宇）

国家863计划（2013AA041301）资助项目

2014－10－17。收修改稿日期：2015－01－21