载人航天器组合体氧分压控制仿真分析

靳健

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)



载人航天器组合体氧分压控制仿真分析

靳健

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)

载人航天器组合体通常由多个具备不同功能的密封舱通过在轨组装形成，并由其中的单个密封舱利用舱间换气对组合体空气环境进行集中控制。文章建立了一种载人航天器组合体氧分压控制仿真分析模型，对五舱载人航天器组合体组装建造过程中各密封舱氧分压和空气总压变化趋势进行了分析。结果表明，受舱间换气量、密封舱数量、航天员驻留位置变化等因素的影响，组合体氧分压和空气总压变化趋势与单个密封舱情况存在显著差异。随着密封舱数量的增加，离氧分压主控舱输运距离越远的密封舱，氧分压的波动范围越窄，且所能达到的氧分压上限也越低；同时，组合体空气总压的波动范围也越窄。随着舱间换气量的增大，各密封舱氧分压的差异逐渐缩小，组合体的空气总压波动范围增大。五舱组合体的氧分压和空气总压变化范围及波动周期，明显小于与它总容积相同的单个密封舱，这种差异随着舱间换气量的增大而减小。文章的研究结果有助于载人航天器组合体环境控制系统的设计和优化。

载人航天器组合体；密封舱；氧分压；空气总压；舱间换气

1 引言

为实现航天员长期在轨驻留以及开展大规模空间科学实验，载人航天器组合体通常由具备不同功能的多个密封舱在轨组装形成。以“国际空间站”为例，这些密封舱包括航天员驻留生活舱、在轨实验支持舱、节点舱、载人飞船、货运飞船等。载人航天器组合体各个舱段在轨组装有一个过程，航天员在轨驻留期间，驻留环境会随着组装过程逐渐变化，经历单舱驻留至多舱驻留的过程。

为确保航天员在轨驻留的安全性和舒适性，必须通过环境控制系统在密封舱内制造出类似于地面的氧分压环境和空气总压环境。在有人驻留的情况下，载人航天器组合体各个密封舱之间的舱门通常处于开启状态，组合体氧分压通常由1个或若干个密封舱的氧分压控制系统利用舱间换气进行集中控制[1-7]。为确保氧分压集中控制系统能够适应密封舱数量不断增加的组合体构型，满足航天员驻留在不同舱段的氧分压控制需求，必须在设计阶段对组合体氧分压控制情况进行仿真分析，验证系统的工作性能。文献[8]建立了单个密封舱的供气调压模型，分析了舱内氧分压和空气总压随在轨时间的变化趋势，结果表明，氧分压受航天员耗氧和供氧的影响，呈周期性波动状态，空气总压也受氧分压的影响而周期性波动变化。文献[9]针对单个密封空间的空气总压和氧分压变化趋势建立了计算公式，分析得出了解析解，并与试验测试结果对比，验证了解析解的正确性。文献[10-12]建立了单个密封舱供气集成仿真模型，针对消耗型供氧和再生式供氧2种不同类型的供氧系统，分析了单舱密封舱内空气总压和氧分压随航天员驻留时间的变化趋势。上述研究均是针对单个密封舱内的氧分压控制情况进行分析，未涉及到组合体氧分压集中控制的情况。文献[13]针对两舱组合体建立了氧分压控制仿真分析模型，分析了航天员驻留位置、舱间换气量以及氧分压监测方式对两舱组合体氧分压控制效果的影响，但是研究中并未分析组合体氧分压控制过程对组合体空气总压的影响。以和平号空间站、“国际空间站”和我国在建空间站为代表的大型载人航天器组合体，其密封舱的数量远多于2个，这些密封舱承担了不同的功能，如负责居住、平台控制、空间实验或贮存货物，因此，对载人航天器组合体的氧分压控制方式进行分析，对空间站系统设计的优化、乘员安全性和舒适性的提高、在轨资源的合理利用都具有重要意义。

本文针对五舱在轨组装形成的载人航天器组合体，利用数学分析软件Ecosimpro建立组合体密封舱内氧分压控制仿真分析模型；计算分析了该组合体构型下从单舱至五舱组合体组装完毕过程中氧分压和空气总压的变化趋势，并分析了舱间换气量和航天员所在舱段位置对组合体各个密封舱内氧分压和空气总压变化趋势的影响；对确定载人航天器组合体氧分压控制系统构成、关键参数取值范围、了解各个舱段氧分压和空气总压变化规律等均有参考价值。

2 氧分压控制系统组成

本文研究对象为五舱载人航天器组合体，其中：舱Ⅰ主要提供本舱(单舱)及两舱到五舱组合体的平台管理功能，包括轨道和姿态控制、载人环境控制、信息管理等，同时提供乘员生活和休息设施。舱Ⅱ提供部分核心平台管理功能的备份，提供乘员生活和休息设施，并支持少量空间载荷试验。舱Ⅲ至舱Ⅴ主要支持空间载荷试验。首先，发射舱Ⅰ，随后依次发射舱Ⅱ至舱Ⅴ，在轨组装形成组合体。组合体各舱均具备供电功能，但轨道和姿态控制、信息管理等均由舱Ⅰ统一控制，组合体密封舱氧分压和空气总压也由舱Ⅰ集中控制，当舱Ⅰ发生故障时，由舱Ⅱ对组合体进行集中控制。参考“国际空间站”指标要求[7]，设定各密封舱内氧分压控制范围是20 000～24 000 Pa，氧分压控制系统相关要素如下。

(1)密封舱：各密封舱有效容积均为36 m3，五舱采用“一”字型组合体。

(2)航天员：驻留人数为6，忽略航天员代谢水平差异，每位航天员的耗氧速率为0.030 8 kg/h。

(3)氧分压控制装置：舱Ⅰ内设置氧分压控制装置，同时控制舱Ⅰ和其他密封舱的氧分压水平。当组合体中有1个密封舱的氧分压低于20 000 Pa时，舱Ⅰ氧分压控制装置开始向舱Ⅰ内供氧，供氧速率为0.001 kg/s；当组合体中有1个密封舱的氧分压达到24 000 Pa时，舱Ⅰ氧分压控制装置停止工作。

(4)舱间换气系统：在舱Ⅰ配备舱间通风风机和舱间通风管道，利用通风管道将舱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舱间通风管道，利用通风管道将舱Ⅲ的空气抽至舱Ⅱ，舱Ⅱ空气通过对接通道回风至舱Ⅲ。舱Ⅲ、舱ⅠⅤ和舱Ⅴ的情况依次类推。

五舱载人航天器组合体氧分压控制系统结构如图1所示。

3 仿真分析模型

本文采取面向对象的建模方式建立载人航天器组合体氧分压控制仿真分析模型，根据实际载人航天器组合体氧分压控制系统的设计方案，识别舱体、乘员代谢、氧分压控制、舱间换气这些物理对象中的关键参数、主要性能描述方程、设备间物质和能量接口关系，并通过定义一组变量和一组微分代数方程、常微分方程对这些物理对象进行描述，形成各个物理对象的数学模型，并根据实际系统的接口关系将这些数学模型进行逻辑关联，实现物质、能量、信息在各个数学模型间的传递关系。

本文具体选用的建模工具为Ecosimpro，以及配套使用的数学模型数据库“环境控制与生命保障系统”(ECLSS)，通过对ECLSS中预设的数学模型进行修改和逻辑关联，形成本文所需的仿真分析模型。Ecosimpro和ECLSS的详细信息参见文献[12-13]，主要数学模型描述如下。

密封舱内空气质量守恒方程为

(1)

式中：mj为密封舱内空气中第j种成分的质量；wi为从各个接口进入密封舱的空气质量流量；xi,j为进入密封舱的空气质量流量中第j种成分的质量分数；wo为从各个接口流出密封舱的空气质量流量；xo,j为从各个接口流出密封舱的空气质量流量中第j种成分的质量分数；wl,j为航天员代谢产生的第j种空气成分的质量流量；t为计算时间。

密封舱内空气总质量为

(2)

式中：N为密封舱内空气成分总数。

密封舱内空气中第j种成分的质量分数为

(3)

密封舱内空气中第j种成分的摩尔分数为

(4)

式中：Wl为密封舱内空气中第l种成分的摩尔质量。

密封舱内空气密度为

(5)

式中：Vair为密封舱内空气体积。

供氧组件工作时，以恒定质量速率向密封舱内输送氧气，即

(6)

式中：MO为供氧组件工作期间向密封舱内供氧的总质量；wm,O为供氧组件工作期间向密封舱内供氧的质量速率。

存在接口关系的数学模型间物质质量流量为

(7)

式中：w为流过接口的总净质量流量；wf为从上游流向下游的物质质量流量；wb为从下游逆向流向上游的物质质量流量。

存在接口关系的数学模型间流过接口的第j种物质成分质量流量为

wj=wfxf,j-wbxb,j

(8)

式中：xf,j为接口处从上游流向下游的第j种物质成分在该流向的总质量流量中占的质量分数；xb,j为接口处从下游逆向流向上游的第j种成分在该流向的总质量流量中占的质量分数。

五舱载人航天器组合体氧分压控制仿真模型见图2，氧分压控制系统安装在舱Ⅰ里，通过舱间换气集中控制组合体各个舱段内的氧分压。

4 结果与分析

4.1 航天员驻留位置对氧分压和空气总压的影响

利用载人航天器组合体氧分压控制仿真模型，本文计算分析了随着组合体密封舱数量的增加，航天员驻留位置对各个密封舱氧分压和空气总压的影响。在本文计算分析中，主要设定如下。

(1)6名航天员的代谢耗氧速率一致，且忽略航天员代谢水平的波动。

(2)从最初的1个密封舱通过在轨组装最终扩展成5个密封舱，在这个过程中设定航天员驻留在新组装的密封舱内，如图1所示。

(3)舱间换气量为1.0 m3/min。

(4)参考我国前期载人航天器在轨飞行经验，密封舱内补充氮气的时间间隔超过半年，表明密封舱体的气体自然泄漏率很低，本文分析的时间周期为7天，因此，为简化计算，忽略舱体自然泄漏的影响。

在载人航天器组合体组装建造过程中，密封舱内氧分压和空气总压变化过程计算结果如图3所示。

由图3(a)可知，随着航天员耗氧和氧分压控制系统供氧，单舱阶段，舱Ⅰ的氧分压在20 000～24 000 Pa呈周期性波动，每次供氧的时间间隔为40 000 s。由图3(d)可知，舱Ⅰ的空气总压也随着氧分压的变化在95 800～99 800 Pa波动，波动间隔与氧分压一致。

由图3(b)可知，两舱阶段，舱Ⅰ的氧分压在20 100～24 000 Pa呈周期性波动；舱Ⅱ的氧分压在20 000～22 800 Pa呈周期性波动。与单舱相比，两舱组合体的氧分压波动范围在缩小，由于组合体容积增大，供氧的时间间隔延长为60 000 s。由图3(e)可知，两舱阶段，舱Ⅰ和舱Ⅱ的空气总压一致，随着氧分压的变化在95 800～99 400 Pa波动，波动间隔与氧分压一致；与图3(d)对比可知，空气总压的波动范围已经不是4000 Pa，而是缩小为3600 Pa。

由图3(c)可知，五舱阶段，舱Ⅰ的氧分压在20 350～24 000 Pa呈周期性波动；舱Ⅱ的氧分压在20 300～22 280 Pa呈周期性波动；舱Ⅲ的氧分压在21 500～22 040 Pa呈周期性波动；舱Ⅳ的氧分压在20 120～21 170 Pa呈周期性波动；航天员所在的舱Ⅴ的氧分压在20 000～21 000 Pa呈周期性波动。与单舱阶段和两舱阶段相比，五舱阶段的氧分压波动范围进一步减小。由于组合体容积增大，供氧的时间间隔延长为65 000 s。由图3(f)可知，五舱阶段，舱Ⅰ～舱Ⅴ的空气总压一致，随着氧分压的变化在96 000～97 750 Pa波动，波动间隔与氧分压一致；与图3(d)对比可知，空气总压的波动范围已经不是4000 Pa，而是缩小为1750 Pa。

综上所述，随着组合体密封舱的增多，离氧分压主控舱输运距离越远的舱段，氧分压的控制带越窄，且所能达到的氧分压上限也越低。以五舱组合体为例，当航天员驻留在舱Ⅴ时，舱Ⅴ的氧分压控制带只有1000 Pa，而且在整个计算过程中，舱Ⅴ的氧分压也没有超出21 000 Pa，这与单舱阶段舱Ⅰ的氧分压变化趋势差异明显。

4.2 舱间换气量对氧分压和空气总压的影响

组合体各舱间的换气量对舱间空气成分输运速率有直接影响，因此，在组合体空气环境集成控制设计过程中，必须确定合理的舱间换气量，确保空气成分在舱间输运的需求。针对五舱组合体，分析了舱间换气量分别为0.7 m3/min和2.0 m3/min时组合体各密封舱氧分压和空气总压随在轨时间的变化趋势，计算时的其他设定同第4.1节，分析结果见图4。

由图4(a)可知，当舱间换气量为0.7 m3/min时，舱Ⅰ的氧分压在20 500～24 000 Pa呈周期性波动；舱Ⅱ的氧分压在20 450～22 050 Pa呈周期性波动；舱Ⅲ的氧分压在20 350～21 300 Pa呈周期性波动；舱Ⅳ的氧分压在20 200～20 900 Pa呈周期性波动；航天员所在的舱Ⅴ的氧分压在20 000～20 580 Pa呈周期性波动。供氧的时间间隔为52 500 s。对比图3(c)可知，随着舱间换气量减小，各舱氧分压的波动范围进一步缩小，对于航天员驻留的舱Ⅴ，氧分压波动范围已经减小至580 Pa，且供氧的时间间隔缩短。

由图4(b)可知，当舱间换气量为2.0 m3/min时，舱Ⅰ的氧分压在20 200～24 000 Pa呈周期性波动；舱Ⅱ的氧分压在20 170～22 770 Pa呈周期性波动；舱Ⅲ的氧分压在20 130～22 050 Pa呈周期性波动；舱Ⅳ的氧分压在20 170～21 800 Pa呈周期性波动；航天员所在的舱Ⅴ的氧分压在20 000～21 700 Pa呈周期性波动。供氧的时间间隔为91 000 s。对比图3(c)可知，随着舱间换气量增大，各舱氧分压的波动范围显著增大，对于航天员驻留的舱Ⅴ，氧分压波动范围增大至1700 Pa。

由图4(c)可知，舱Ⅰ～舱Ⅴ的空气总压一致，随着氧分压的变化在96 100～97 520 Pa波动，波动间隔与氧分压一致，空气总压的波动范围缩小为1420 Pa。对比图3(f)可知，随着舱间换气量减小，组合体空气总压的波动范围也进一步减小。

由图4(d)可知，舱Ⅰ～舱Ⅴ的空气总压一致，随着氧分压的变化在96 000～98 400 Pa波动，波动间隔与氧分压一致，空气总压的波动范围缩小为2400 Pa，对比图3(f)可知，随着舱间换气量增大，组合体空气总压的波动范围也增大。

4.3 组合体结构与单舱结构的氧分压和空气总压对比

由前文分析可知，组合体密封舱数量的增加以及舱间换气量的变化，对各舱氧分压和空气总压的变化范围及供氧过程的时间间隔均产生显著影响。为进一步分析组合体氧分压和空气总压由单舱段进行集中控制的特点，本文计算了与五舱组合体总容积相同(180 m3)的单个密封舱在舱间换气量为2.0 m3/min时对应的氧分压和空气总压变化趋势，与五舱组合体进行对比，如图5所示。

由图5(a)可知，对于容积为180 m3的单个密封舱，氧分压在20 000～24 000 Pa呈周期性波动，供氧时间间隔为200 000 s。与图4(a)对比可知，虽然五舱组合体的总容积也是180 m3，但各个密封舱的氧分压波动范围和供氧的时间间隔明显小于容积为180 m3的单个密封舱。与图3(c)和图4(b)对比可知，随着舱间换气量的增大，五舱组合体的氧分压变化范围及波动间隔均有所增大。

由图5(b)可知，对于容积为180 m3的单个密封舱，空气总压随着氧分压的变化在95 850～99 850 Pa周期性波动。与图4(c)、图3(f)和图4(d)对比可知，虽然五舱组合体的总容积也是180 m3，但各个密封舱的空气总压波动受氧分压波动的影响，变化范围和波动周期明显小于容积为180 m3的单个密封舱，随着舱间换气量的增大，五舱组合体的空气总压变化范围及波动间隔均有所增大。

上述结果是由于舱间传质能力的差异和氧分压控制策略共同造成的，单个密封舱内部强迫对流通风系统总换气量通常在20.0 m3/min以上，在本舱内的空气成分输运能力较强，可确保氧分压在舱内较为均匀的分布。而舱间换气系统受功耗、构型、输运距离等多个因素的限制，空气成分的舱间输运能力相对较弱，而组合体氧分压控制策略是无论哪个密封舱的氧分压达到下限，主控舱都会启动供氧操作，无论哪个密封舱的氧分压达到上限，都会停止供氧。因此，在总容积和氧分压控制系统参数均相同的情况下，组合体的氧分压和空气总压变化趋势与单个密封舱的有显著差别，组合体中部分密封舱的氧分压变化范围明显小于20 000～24 000 Pa的控制范围。随着舱间换气量的增加，舱间输运能力增强，这种差别也就随之减弱。

5 结论

本文通过Ecosimpro软件搭建了仿真分析模型，对载人航天器五舱组合体氧分压控制过程进行了仿真分析，包括五舱组合体组建过程中各个密封舱的氧分压和空气总压随在轨时间的变化趋势，主要结论如下。

(1)随着组合体密封舱数量的增加，各舱氧分压变化趋势差异明显，离氧分压主控舱输运距离越远的密封舱，氧分压的控制带越窄，且所能达到的氧分压上限也越低。在本文设定的五舱组合体中，当航天员驻留在舱Ⅴ时，舱Ⅴ的氧分压控制带只有1000 Pa。组合体各舱空气总压保持一致，但波动范围受氧分压影响，为1750 Pa。

(2)随着舱间换气量的增大，各舱氧分压的差异逐渐缩小，且各舱氧分压波动范围加大，组合体空气总压变化范围也逐渐增大。

(3)本文对比了总容积和氧分压控制系统参数相同情况下，单个密封舱和五舱组合体的氧分压和空气总压变化趋势。由于舱间传质能力的差异和氧分压控制策略的共同作用，五舱组合体的氧分压和空气总压变化范围及波动周期显著小于单个密封舱，这种差异随着舱间换气量的增大而减小。

本文的研究结果有助于确定载人航天器组合体供气调压系统关键参数取值范围，了解各个密封舱的氧分压和空气总压变化规律，为载人航天器组合体氧分压控制系统的设计提供参考。

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(编辑：夏光)

Simulation Analysis on O2Partial Pressure Control of Manned Spacecraft Combination

JIN Jian

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

Manned spacecraft combination is usually assembled by several pressurized cabins with different functions. Air environment of manned spacecraft combination is usually controlled by one of these pressurized cabins through inter-cabin ventilation. A simulation analysis model of O2partial pressure control of manned spacecraft combination is developed. By using this simulation model, O2partial pressure and air pressure of manned spacecraft combination with five cabins are analyzed during the assembling process. The analysis results show that O2partial pressure and air pressure of combination have different varying trends from that of single cabin due to the change of inter-cabin mass transfer, cabin number, crew location, etc. As transport distance of inter-cabin ventilation is increasing, varying range of O2partial pressure of pressurized cabins without O2partial pressure control system is getting smaller and smaller, furthermore, O2partial pressure highest value is becoming lower and lower, meanwhile, varying range of air pressure of combination is getting smaller and smaller. As inter-cabin ventilation flux is increasing, difference of O2partial pressure between pressurized cabins is decreasing and varying range of air pressure of combination is increasing. Varying range and cycle of O2partial pressure as well as air pressure of five-cabin combination are dramatically smaller than that of single pressurized cabin with the same volume. The difference is decreasing when the inter-cabin ventilation flux is increasing. The ana-lysis results can contribute to the design and optimization of environment control system of manned spacecraft combination.

manned spacecraft combination； pressurized cabin； O2partial pressure； air pressure； inter-cabin ventilation

2017-01-11；

2017-01-25

国家重大科技专项工程

靳健，男，博士，高级工程师，从事空间站热管理系统和载人环境系统设计工作。Email：jinjian0331@126.com。

V416.5

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.008