载人低压舱快速泄压装置的设计与研究

王 帅 毛 婷

（西安易盛泰和科技有限公司，陕西 西安 710000）

1 概述

随着人类太空活动的发展，尤其是载人航天工程的建设实施，在地面进行载人高空环境模拟试验成为保证发射和保障宇航员生命安全的一个必不可少的重要环节。

载人低压舱是用来模拟高空飞行低气压环境的大型装备，是航空生理研究、训练、体格检查以及机上氧气装备性能鉴定试验的特殊试验平台[1]。

2 载人低压舱快速泄压装置功能介绍

根据航空工业的发展及航空医学研究需要，载人低压舱需要实现单级迅速减和双级迅速减压两种不同减压环境。

2.1 单级迅速减压

80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）[2]内压差不超过60KPa 的任意压力区间；减压平衡时间：0.3s～0.5s 内可调。

2.2 双级迅速减压

初级减压75KPa～35KPa（2500m～8150m）减压时间0.5 ～1.2s，次级迅速减压40KPa ～10KPa（7150m～16000m），减压平衡时间：0.3s～0.5s 内可调。

3 总体设计说明

载人低压舱快速泄压装置，主要由座舱、高空舱、第一喉道、第二喉道和抽空机组组成。座舱主要模拟飞机驾驶员的驾驶环境，高空舱模拟室外低气压环境，第一喉道+第二喉道不同组合模式，可实现单级减压和迅速减压两种工况。采用抽空机组模拟不同海拔高度。

依据CCAR25.841 和FAR25.842 条款规定飞机座舱高度不超过4500m，如果超过4500m 会导致飞行员及乘客缺氧，进而昏迷，失去行动能力，导致飞行事故[3]。设计座舱高度不超过4500m，座舱尺寸为：1.2m×1.3m×1.8m。

首先在上位机上设置所控压力的目标值，开启真空泵组进行座舱和高空舱的相关抽空，待压力传感器检测的值达到目标值时，关闭真空泵组。

3.1 单级迅速减压模式

待座舱和高空舱分别到达压力目标值，通过液压装置，快速打开第一喉道中的快开蝶阀（0.3s 开启），此时调节蝶阀全部开启，第二喉道阀门全部关闭，可实现单级快速减压试验。

3.2 单级迅速减压时间调节模式

抽空前调节蝶阀开启相应角度（参考表格2），快开蝶阀关闭。压力达到目标值后，通过液压装置快速打开快开蝶阀（参考单级迅速减压模式）。

3.3 双级迅速减压

一级减压时，快速打开第一喉道阀门。压力平衡后，快速打开第二喉道阀门，进行二级减压。

3.4 双级迅速减压时间调节模式

试验开始前，两个调节蝶阀开启相应角度。压力达到目标值后，先后开启第二喉道和第一喉道快开蝶阀，实现双级减压时间调节试验。（图1）

图1 系统结构图

4 高空舱容积设计

在压力平衡过程中，两舱体的压力、通过阀门的流量随着时间的变化而变化，流动状态为一维绝热过程。

依据理想气体的状态方式，座舱内的起始气体质量

5 单级迅速减压设计

管道长度L≤20d 的管道称为短管，在计算短管流导时，应考虑入孔的影响。通常用入口孔与管道本身串联后的总流导表示短管的流导。

表1 不同压差下管道流导计算

在联通管道直径为1200mm 状态下，管道流导为224m3/s 满足单级减压快速减压过程。

为实现单级减压时间在0.3s～0.5s 内可调，在快开阀门（打开时间0.2s）前置真空调节蝶阀。通过调节阀控制管道的流通面积，可控制泄压时间。

表2 不同减压时间，调节蝶阀开度统计

6 双级迅速减压设计

为75KPa～35KPa 的初级减压，设计第二喉道进行初级减压。在降压过程的某一时刻t，座舱容器压力P。经过时间dt 后，高空舱压力降低到dP，则容器中减少的气体量为VdP，经过时间dt 从阀孔流量的进气量Qdt 二者相等。

t——平衡时间（包含阀门开启时间，此阀门开启时间为0.3s，即减压时间在0.2s～0.9s 内达到降压要求）。

表3 平衡时间和管道直径计算

第二喉道管道直径Ø300mm，在快开蝶阀前设置Ø300 的电动真空调节蝶阀，调节蝶阀可在0°～90°之间任意调整，输出4～20mA 信号，通过电动调节蝶阀的角度调整，可调整管道通径，进一步可实现0.5～1.2s 内减压试验。

由于座舱开始做70KPa～35KPa 的初级减压试验，必然导致负高空舱压力升高。在进行次级减压时，快速打开第二喉道（打开时间为0.2s）快开阀门，此时第一喉道处于原始状态。

第一喉道和第二喉道属于并联连接方式，可计算管道总流导为：

表4 0.3s 平衡阀门开启角度

表5 0.5s 平衡阀门开启角度

当调节阀控制角度在20°～45°，可实现0.3～0.5s时间内压力40KPa 平衡到10KPa。

7 抽空设计

在粗真空、低真空下，真空设备本身内表面的出气量与设备总的气体负荷相比，可以忽略不计。因而在粗真空、低真空情况下计算抽气时间一般不需要考虑出气的影响。[7]

表6 不同真空范围划分

为实现80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）的减压需求，高空舱初始压力位15Pa。由上表判断位中真空范围，不需要考虑出气影响，计算抽空时间如下：

高空舱体积为144m3，第一喉道直径Ø1200mm，第二喉道直径Ø300，管道容积约6m3，管道长度约3m，因此总抽空容积按照150m3计算。综合考虑真空泵性能，抽空时间，选择旋片泵（三台SV300）和罗茨泵（两台WAU2001）组合形式，进行抽空设计。（图2）

图2 抽空模型设计

表7 抽空时间计算

8 结论

8.1 通过理想气体状态方程和质量守恒原理，可确定高空舱容积。后续可依GB150《压力容器设计》进行厚度计算。

8.2 依据不同减压模式，文中详细给出管道直径、减压时间、调节蝶阀起开角度等参考值，为后续试验提供指导依据。

8.3 文中给出高空舱抽空机组选型，及抽空时间计算，为试验准备过程提供指导依据。

8.4 此载人低压舱快速泄压装置，可满足目前我国不同减压高度的航空装备及航空医学训练试验。