基于Modelica的载人航天器环热控系统建模仿真

刘伟，丁建完，赵建军，陈立平



基于Modelica的载人航天器环热控系统建模仿真

刘伟，丁建完，赵建军，陈立平

（华中科技大学机械与工程学院，武汉 430074）

为了给载人航天器乘员营造一个良好的生活工作环境，需要将众多空气环境参数控制在指标范围内。文章结合载人航天器专业知识，基于Modelica统一建模语言建立了一种载人航天器环热控系统仿真分析模型；利用该模型仿真分析了温湿度控制风机取不同转速时，载人航天器空气环境参数随乘员代谢水平的变化趋势。结果表明：在其他参数不变的情况下，温湿度控制风机转速越大，空气温度越低，相对湿度越高；乘员代谢水平变化对空气环境参数有显著影响，通过调节系统运行参数可将各空气参数有效控制在指标范围内。舱体温度与氧分压、二氧化碳分压、舱体相对湿度有密切关系且相互影响，不可单独分析。

载人航天器; Modelica语言; 环热控系统; 建模仿真

0 引言

载人航天器环热控系统是载人航天器极其重要的组成部分[1-3]。目前针对载人航天器环热控系统的仿真主要存在以下问题[4]：

1）一些仿真软件采用信号框图进行图形建模，不能体现实际组件的连接关系；

2）设计初期关心的是系统层面指标，而传统的CFD软件擅长从流场进行分析，不便于从系统层面进行仿真分析验证；

3）多是针对环热控系统的一部分进行建模仿真，尚未见到针对完整环热控系统建模仿真的公开报道。

Modelica语言是一种面向对象的非因果关系的仿真建模语言，其数据流的传递方向是双向的；添加了模块的重用功能，模块的通用性更强；是基于方程的建模语言，采用自底向上的建模方式，先建立组件模型，再建立系统模型，适合进行多领域系统统一建模[5-6]。

本文采用Modelica语言对载人航天器环热控系统进行仿真建模分析。首先建立载人航天器环热控系统的组件模型；然后利用组件模型按照物理拓扑搭建了完整的载人航天器环热控系统仿真分析模型；对某型号载人航天器温湿度控制风机的转速与空气环境参数之间的关系进行仿真分析，获取了风机的合理转速范围，并分析了载人航天器空气环境参数随乘员代谢水平的变化趋势以及关键环境指标之间的关系。

1 环热控系统

1.1 环热控系统的组成

环热控系统主要由供气调压子系统、空气成分控制子系统、温湿度控制子系统、低温内回路控制子系统、中温内回路控制子系统以及外回路控制子系统组成，如图1所示。

1）供气调压子系统。密封舱通过氧气/氮气供气组件进行补气，当氧分压或总压达到下限时，阀门开启，补气过程启动；当氧分压或总压达到上限时，阀门关闭，补气过程终止。密封舱给乘员提供氧气和工作生活的空间，乘员新陈代谢产生的二氧化碳和水返回到密封舱中，并且伴随着热量的交换[7]。

2）空气成分控制子系统。空气经过管道流入二氧化碳净化风机中，风机驱动空气进入二氧化碳净化器，将二氧化碳分压控制在指标范围内，并将净化后的空气返回到密封舱中。净化器替换装置接收密封舱传来的二氧化碳分压测量信号，当二氧化碳分压达到指标上限时发出信号，更换新的二氧化碳净化器[8-9]。

3）温湿度控制子系统。空气通过温湿度控制风机进入冷凝干燥器，经过冷凝干燥器控温的干空气流回到密封舱，湿空气进入水气分离装置，经过除湿的空气返回到密封舱，分离出的水储存到水箱中[10-11]。

4）低温内回路控制子系统。配备低温内回路泵、换热器和温控阀，通过在低温中间换热器外回路侧设置旁路和温控阀，调节低温内回路工质流入换热器和旁路的流量，实现低温内回路控温点温度水平的维持或调节。

5）中温内回路控制子系统。配备中温内回路泵、换热器和温控阀，通过在中温中间换热器外回路侧设置旁路和温控阀，调节流入换热器的外回路工质流量，实现中温内回路控温点温度水平的维持或调节。

6）外回路控制子系统。舱段中温内回路和低温内回路收集的热量分别通过中温中间换热器和低温中间换热器传递给外回路。外回路收集舱内热负荷及舱外设备工作产热后，通过辐射器受控向外空间排散。

1.2 环热控系统指标要求

依据环热控系统的功能，选择空气温度、空气相对湿度、氧分压、二氧化碳分压和内回路控温点温度作为系统评价指标。表1为参考国际空间站环热控系统指标要求[12]，所列指标均为舱内平均值。本文将环热控系统及设备按照集中参数考虑。

表1 环热控系统指标要求

1.3 温湿度控制风机转速与流量的关系

经过实验，得到温湿度控制风机的转速与风机入口质量流量的关系如表2所示，随着风机转速的增大，流量也不断增大。

表2 温湿度控制风机转速与风机入口质量流量的关系

1.4 乘员代谢水平

乘员在轨驻留期间，代谢水平会随着不同的活动状态发生改变，本文考虑了睡眠、静息、轻度活动和中度活动4种情况下乘员的代谢水平。不同活动状态下单个乘员代谢情况如图2所示。

1.5 乘员作息时间

设定载人航天器密封舱内乘员人数为3人，且总是处于相同的代谢水平，每日作息依次为：睡眠7h，静息4h，中度活动2h，轻度活动11h。

2 仿真模型

本文采用数学分析软件MWorks作为载人航天器环热控系统建模仿真的基础平台，该平台具有图形化建模和仿真分析的功能[12-13]。基于多领域统一建模语言Modelica建立载人航天器环热控系统的关键组件模型。限于篇幅原因，组件未全部列出。

2.1 密封舱组件

密封舱体是乘员在轨驻留的场所，密封舱内安装有各个系统的平台设备和载荷设备，舱内要创造出与地面类似的人工大气环境，包括舱压、空气成分、温湿度水平等，同时也要通过主被动方式收集、传递、排散密封舱内设备的工作产热，将设备的工作温度维持在要求范围内。

1）质量守恒方程为

dm/d=inin,j–outout,j+lf,j。 (1)

式中：m是密封舱空气中第种成分的质量；in和out分别是单位时间内进入和流出密封舱的空气质量；in,j和out,j分别是进入和流出密封舱的空气中第种成分的质量分数；lf,j是乘员新陈代谢产生的第种空气成分的质量。

2）传递给舱壁的能量方程为

dwall/d=wall。 (2)

式中：wall是舱壁的内能；wall是传递给舱壁的总热量。

3）传递给舱内空气的能量方程为

dair/d=inin–outout+air。 (3)

式中：air是密封舱空气的内能；in和out分别是进入和流出密封舱空气的比焓；air是空气增加的总热量。

4）舱内空气传递给舱壁的热流量为

air,wall=convwall(air–wall)。 (4)

式中：conv是舱内空气和舱壁的热交换系数；wall是舱壁的面积；air是舱内空气的平均温度；wall是舱壁的平均温度。

2.2 乘员组件

乘员在轨驻留期间，会消耗氧气，同时排出二氧化碳、水蒸气及代谢产热。这些物质和热量会排入密封舱内的空气中，并最终由密封舱内的空气成分控制子系统、温湿度控制子系统进行处理，将密封舱内空气成分和温度水平维持在指标范围内。

1）新陈代谢活动方程为：

=(act–bas)； (5)

=act+shiv。 (6)

式中：是每个乘员的机械力；是机械效率；act是乘员新陈代谢活动量；bas是乘员基础代谢活动量；是乘员总代谢活动量；shiv是肌肉颤抖产生的热量。

2）呼吸方程为：

O2=/[6000×247.35×(0.23RQ+0.77)]； (7)

CO2=RQ×O2×(MWCO2/MWO2)。 (8)

式中：O2和CO2分别是消耗的氧气和产生的二氧化碳的质量；RQ是呼吸系数；MWCO2和MWO2分别是二氧化碳和氧气的摩尔质量。

2.3 离心风机组件

根据动能变换为势能的原理，气体经过离心风机快速转动的叶轮时，先加速再减速，最后改变流动方向，将动能变换为势能。

能量方程为

dout/d=[in(in–out)+]/(dryC,dry)。 (9)

式中：out是风机输出工质的温度；in和out分别是风机入口和出口的工质的焓值；是风机传递给流体的功率；dry是风机固体壁的质量；Cdry是风机固体壁的比热容。

液压效率方程为

=TDH·/。 (10)

式中：是风机的液压效率；是液体密度；是重力加速度；TDH是风机的总动压头；是工质体积流量；是风机的制动功率。

2.4 换热器组件

换热器为紧凑型板翅式液/液换热器，其基本单元是将波形翅片夹在两层隔板之间，两侧用封条密封。换热器由很多小的单元组合而成，相邻的单元通过平板将热量传递出去，用于将低温内回路收集的热量传递给外回路，实现低温内回路热量的排散和控温点温度的控制[15]。

1）能量方程为：

dhot,out/d=[hot,in(hot,in–hot,out)–ex]/

(hot,inhotC,hot+dry,hotC,dry)； (11)

dcold,out/d=[cold,in(cold,in–cold,out)+ex]/

(cold,incoldC,cold+dry,coldC,dry)。 (12)

式中：hot,out是换热器热端输出工质的温度；hot,in是换热器热端输入口工质的质量流量；hot,in和hot,out分别是换热器热端输入口和输出口的工质的焓值；ex是冷/热流体交换的热流量；hot,in是热端工质密度；hot是热端流体体积；C,hot是热端流体的比热容；dry,hot是换热器固体壁的质量；C,dry是换热器固体壁的比热容。冷端参数含义类似，下标为“cold”。

2）换热器的冷端热容cold和热端热容hot分别为：

cold=hot,inC,cold； (13)

hot=hot,inC,hot。 (14)

2.5 辐射器组件

辐射器用于受控排散外回路传递的热量，维持外回路控温点温度。辐射器为管肋式结构，外回路工质通过外回路温控阀流入辐射器管路。工质的热量传递给管壁，再传递给辐射器面板，最终通过辐射器面板以辐射的形式向外空间排散[16]。

辐射器极限散热量为

max=(4w,0–S4)。 (15)

式中：是辐射器发射率；是斯忒藩–玻耳兹曼常量；是辐射器翅片长度；是辐射器翅片宽度；w,0是辐射器管路入口处的肋根温度；S是等效热沉温度。

热沉温度的计算公式为

S4=S(1+2)+3。 (16)

式中：1是太阳辐射热流密度；2是地球反照太阳辐射热流密度；3是地球红外辐射热流密度。

2.6 系统模型

基于上述组件模型，按照环热控系统物理拓扑，采用拖放式建模，在MWorks中搭建的环热控系统模型如图3所示。

3 仿真结果与分析

利用建立的载人航天器环热控系统模型进行仿真分析，假定乘员按照1.5节的作息时间处于4种活动状态，密封舱内设备产热为1000W，低温内回路流量为0.16kg/s，中温内回路流量为0.2kg/s；外回路流量为0.18kg/s。环热控系统模型各组件的参数设置如表3所示。

表3 模型参数设置

仿真分析了1天时间内在温湿度控制风机的转速分别设置为10、32.5、55、77.5、100rad/s的情况下，密封舱内空气环境各个参数随时间的变化，结果如图4～图7所示。

由图4可知，随着乘员代谢水平的变化，空气温度也随之发生变化。当乘员睡眠和静息时，在前4h左右，温度上升较快；在第4h到第11h之间，空气温度上升缓慢，基本维持在23.3℃左右；第11h时，乘员转为中度活动，空气温度快速上升；第13h时，乘员转到轻度活动状态，空气温度快速下降；第21.5h时，氧分压达到下限，密封舱启动补氧，空气温度上升；第22h时，氧分压达到上限，密封舱停止补氧，空气温度下降。

当风机转速大于55rad/s或者小于10rad/s时，空气温度有部分时间不在指标范围内；风机转速为32.5rad/s时，空气温度始终处在指标要求范围内。因此，温湿度控制风机转速至少要在10～55rad/s内，最好在32.5rad/s附近取值。

由图5可知，当乘员在第11h由静息转为中度活动时，虽然乘员新陈代谢产湿量增加，但由于空气温度上升比较明显，使得空气相对湿度反而下降；第13h时，当乘员由中度活动转到轻度活动状态，由于空气温度显著下降，虽然乘员代谢产湿量下降，但空气相对湿度显著上升；第21.5h时，氧分压达到下限，密封舱启动补氧，空气温度又开始上升，空气相对湿度下降；第22h时，氧分压达到上限，密封舱停止补氧，空气温度又开始下降，空气相对湿度上升。

风机转速为10rad/s时，虽然乘员不断产湿，但是温度快速升高，导致空气相对湿度下降；3h左右时，空气温度趋于稳定，随着乘员不断产湿，空气相对湿度上升，有部分时间不在指标要求范围内；风机转速在32.5～100rad/s范围内时，空气相对湿度始终处在指标要求范围内。

由图6可知，对于温湿度控制风机转速为10rad/s的情况，由于空气温度显著上升，氧分压先上升；3h时，空气温度趋于稳定，随着乘员的不断消耗，氧分压慢慢下降；21.5h时，氧分压达到下限，密封舱强制补氧，氧分压快速上升；当氧分压达到上限停止补氧后，氧分压缓慢下降。当温湿度控制风机转速在32.5～100rad/s内取值，乘员处于睡眠和静息时，氧分压一直在缓慢下降；当氧分压到达下限时，开始补氧，氧分压上升；当氧分压达到上限，停止补氧后，氧分压缓慢下降；21.5h时，密封舱强制补氧，氧分压快速上升，当氧分压达到上限，停止补氧后，氧分压缓慢下降。

综上所述，温湿度控制风机转速在10～100rad/s内取值，氧分压在整个驻留周期内均在指标范围内。

由图7可知，随着乘员代谢水平的变化，舱内空气的二氧化碳分压也随之发生变化，当乘员处于睡眠和静息时，二氧化碳分压逐渐上升至80Pa；当第11h乘员转为中度活动时，产出的二氧化碳增多，造成二氧化碳分压上升速度变快；第13h时，乘员转到轻度活动状态，代谢减弱，产出的二氧化碳变少，使得二氧化碳分压上升速度变慢；在20h之后，二氧化碳净化器慢慢失效，二氧化碳分压达到上限，更换新的二氧化碳净化器后，二氧化碳分压快速下降。

综上可知，温湿度控制风机转速在10～100rad/s内取值，二氧化碳分压在整个驻留周期内均在指标范围内。

4 结论

本文基于Modelica语言，通过MWorks平台针对某型号载人航天器建立了载人航天器环热控系统模型，分析了温湿度控制风机的转速范围和乘员在不同代谢水平下关键空气环境参数随时间的变化趋势，得出以下结论：

1）在其他参数不变的情况下，温湿度控制风机转速越大，空气温度越低，相对湿度越高；

2）温湿度控制风机转速要在10～55rad/s取值，最好在32.5rad/s附近取值，可保证关键空气环境参数在整个驻留周期内均在指标范围内；

3）乘员代谢水平的变化对载人航天器空气环境参数有显著影响；

4）空气温度的变化会对相对湿度、二氧化碳分压和氧分压水平造成影响，因此，环热控系统各个参数的控制相互影响，不能独立进行分析。

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（编辑：张艳艳）

Modeling and simulation of environment and thermal control system of manned spacecraft based on Modelica

LIU Wei, DING Jianwan, ZHAO Jianjun, CHEN Liping

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to support an adequate residence for the crew, the key air environment parameters of the manned spacecraft should be controlled within an index range with the environmental and thermal control system, which involves a number of design and operational parameters. With the professional knowledge and the modeling language of Modelica combined, a simulation model for the manned spacecraft environmental and thermal control system is developed. With this simulation model, the relation between the air environment parameters and the crew metabolic level is studied from the system level with different speed ranges of the temperature and humidity control fan. According to the results, it is shown that in the case of other parameters kept unchanged, the greater the temperature and humidity control fan’s speed is and the lower the air temperature is, the higher the relative humidity will be; the crew metabolic level could influence the air environment parameters dramatically. The air environment parameters could be maintained within the index range though regulating the control system operational parameters. Furthermore, the air environment parameters could not be analyzed separately due to the non-negligible effects of the air temperature on the oxygen partial pressure, the carbon dioxide partial pressure and the relative humidity.

manned spacecraft; Modelica language; environment and thermal control system; modeling and simulation

V423.7; V476.1

A

1673-1379(2017)02-0143-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.006

2016-06-30；

2017-03-04

国家高技术研究发展计划资助项目（编号：2013AA041301）；国家自然科学基金项目（编号：61370182）

刘伟（1990—），男，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；E-mail: liuw@tongyuan.cc。指导教师：丁建完（1975—），男，博士学位，副教授，研究方向为多领域系统建模与仿真、机械系统动力学分析和基于方程的陈述式建模与模型求解方法；E-mail: dingjw@hust.edu.cn。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544