载人航天器密封舱内除湿研究

赵建贺，张 健，王鑫哲，安金坤

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

随着载人航天技术的发展，航天器湿度控制技术越来越引起人们的重视。为满足载人航天器密封舱内航天员的在轨热舒适性以及避免舱内设备低温表面结露，需要对载人航天器密封舱内湿度进行控制。

根据湿度来源的不同，密封舱内湿度控制分为地面封舱前除湿和在轨密封舱除湿。

封舱前，载人航天器置于总装厂房内，舱内湿度与厂房内湿度基本相同。我国正在海南文昌兴建现代化大型航天发射场[1]，海南发射场主要承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位载人航天器和深空探测器等的发射任务。该地区常年高温年均相对湿度达86.4%，使得厂房工作间内湿度也较高；即使采取湿度控制，在温度为18～28℃范围内，厂房的相对湿度最高也可达60%。为了降低密封舱内湿度，防止在轨时结露，要在封舱前采用干空气对舱内湿空气进行空气置换。

载人航天器在轨飞行时，航天员不断产湿排放到密封舱内，致使密封舱内含湿量增加，相对湿度增大。如果舱体隔热措施不够好，在外热流较小的部位所对应的舱内区域会形成低于露点温度的低温区域，低温区域附近的空气成为饱和湿空气，低温设备表面很可能产生结露现象[2]，因此在轨需采用冷凝干燥装置对舱内空气进行除湿。

本文主要通过理论分析，得出载人航天器地面 封舱前干空气置换相对湿度估算方法以及航天器在轨除湿通风量估算方法，以期通过这些方法优化舱内湿度环境，降低载人航天器密封舱结露风险。

1 封舱前除湿

对于货运飞船、空间站等需要在海南发射的大型载人航天器，在封舱前，需要采用干空气置换的方法来降低密封舱内空气的湿度，避免将过多的水蒸气带入密封舱，以降低载人航天器在轨结露的风险。

图1为空气置换示意图，假设将与密封舱同样体积的干空气分段注入到密封舱内。将干空气体积V分成n份，每次注入1/n体积的干空气，在干空气与密封舱内湿空气充分混合后，从密封舱向外部排出与送风量等量的混合气体。

图1 空气置换 Fig.1 Schematic diagram of air replacement

密封舱内湿空气初始相对湿度为ϕ0，第1 次注入1/n体积的干空气，排出1/n体积的均匀混合气体，此时密封舱中空气的相对湿度为

同理，第2 次注入1/n体积的干空气，排出1/n体积的均匀混合气体，此时密封舱中空气的 相对湿度为

当第n次注入1/n体积的干空气，排出1/n体积的均匀混合气体后，此时整个气瓶内体积为V的干空气使用完毕，密封舱中空气的相对湿度 为

当次数n趋于无穷时，也就是小流量连续对密封舱内空气进行置换时，密封舱内空气的相对湿度为

假设置换前载人航天器密封舱内相对湿度与厂房工作间内相对湿度相同，同为60%，经过同体积干空气置换一次后，密封舱内相对湿度则降至22.1%。

当然，这是理想状况下的置换结果，实际置换结果还与具体的试验操作有关，比如出风口有无回流、舱内气体是否混合均匀等。

2 密封舱在轨除湿

密封舱在轨除湿技术主要包括吸湿材料[3]、可再生除湿装置[4]、调湿涂层[5]等被动湿度控制技术以及冷凝干燥装置等主动湿度控制技术。

由于被动湿度控制方法已不能满足载人航天领域航天员人数增加、工作时间延长的需求，使得以冷凝干燥装置为代表的主动湿度控制技术被各国载人航天器广泛采用[5]。

2.1 冷凝干燥装置的工作原理

由冷凝干燥风机将密封舱内的热湿空气吸入冷凝-干燥换热器（要求液侧液体温度低于空气的露点温度），进行热交换，降低空气温度并除去多余水分后，再将处理后的空气送回密封舱[6]，如图2所示。

图2 密封舱内除湿 Fig.2 Dehumidification in sealed cabin

同时，通过调节冷干风门开度，采用旁路控制的方法使部分风量不经过冷凝热交换器，以实现密封舱内不同湿度的控制要求[2]。

2.2 冷干风机风量估算

在容积为V的密封舱中，冷干装置启动前密封舱中空气含湿量为d1，采用冷干装置降低密封舱内空气的湿度，根据质量守恒定律，建立湿度平衡方程（假设除湿过程中密封舱内空气温度保持不变）。在时间间隔dτ内，舱内得到的湿负荷

（包括航天员的产湿和冷干送风中的湿负荷）与密封舱内排出（进入冷干）的湿负荷之差应等于整个密封舱内增加（或减少）的湿负荷，即

式中：为冷干风机风量，m3/h；为航天员单位时间内的产湿量（湿负荷），g/h；ρ为空气密度，kg/m3；d为某时刻舱内空气中的含湿量，g/kg；d0为冷干送风的含湿量（分析过程中，假设冷干送风的含湿量保持不变），g/kg；dτ为某一无限小的时间间隔，h；dd为dτ时间内密封舱内含湿量的增量，g/kg。

式(2)可以变换为

若在τ时间内，密封舱内含湿量由d1变化到d2，则

冷干风机风量一定时，任意时刻密封舱内的含湿量为

将式(8)表示在d-τ曲线上，如图3所示。当时间τ→∞时，exp (V)趋于0，舱内湿度d2趋于稳定，则

式(9)表明，当时间足够长时，密封舱内含湿量与舱内初始含湿量d1无关。

图3 含湿量变化曲线 Fig.3 Curve of moisture content

据式(9)，密封舱内目标含湿量d2处于稳定状态时，所需要冷干风机风量为

对于式(10)而言，可通过查焓湿图[7]获得相对湿度ϕ与含湿量d的对应关系。通过调节冷干风门控制出口空气含湿量d0；航天员舒适环境的相对湿度为28%～65%[8]，通过焓湿图可以得到对应的含湿量d2。

关于航天员的产湿量，姜军等人[3]认为单个航天员的产湿量为75 g/h；黄家荣等人[9-10]给出的产湿量为1.5 kg/d，相当于62.5 g/h；程文龙等人[11]给出的单个航天员产湿量为86 g/h;范宇峰等人[4]根据航天员在睡眠、静息、轻度及中度活动时活动量的不同，认为航天员的产湿量在50～155 g/h 范围内，详见表1。

表 1 航天员产湿量 Table1 Moisture content generated by astronaut

3 结束语

本文对载人航天器密封舱除湿这一重要工程问题进行了理论研究，获得主要结论如下：

1）针对载人航天器地面封舱前除湿，采用干空气置换，建立了相对湿度估算模型，密封舱内湿空气（初始相对湿度为ϕ0）经过同体积干空气小流量连续置换一次后，密封舱内空气的相对湿度降至原先的1/e。

2）对于冷凝干燥装置这一主动湿度控制技术，建立了密封舱内空气湿度平衡方程，获得了载人航天器冷凝干燥装置除湿的风机风量估算模型，见式(10)。

以上模型可为载人航天器密封舱内湿度控制提供重要技术支撑。

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