航天器密封艙的溫濕度控制技術(shù)

航天器密封艙的溫濕度控制技術(shù)

1復(fù)合濕度的影響為了滿足駕駛員的舒適度要求，密封內(nèi)的空氣濕度控制也很重要。一般地,航天員舒適環(huán)境相對(duì)濕度要求為28%~65%,而當(dāng)相對(duì)濕度低于25%或高于80%時(shí),航天員允許在軌工作時(shí)間不超過12h。除此之外,濕度水平高低還對(duì)儀器設(shè)備正常工作和航天員身體安全帶來影響。當(dāng)相對(duì)濕度偏高時(shí),將可能在艙內(nèi)設(shè)備的低溫表面出現(xiàn)水蒸汽冷凝,產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象,造成電器設(shè)備短路、電化學(xué)腐蝕等嚴(yán)重后果;相對(duì)濕度偏高,將可能加速微生物的生長(zhǎng)和繁殖,使航天員感染疾病的可能性增加,對(duì)在軌停留時(shí)間較長(zhǎng)的航天員,還可能誘發(fā)關(guān)節(jié)炎等疾病等。當(dāng)相對(duì)濕度偏低時(shí),將可能引起靜電現(xiàn)象。隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展,作為溫度控制技術(shù)的一個(gè)不可分割部分,航天器濕度控制技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注,并開展相關(guān)先進(jìn)材料、單機(jī)產(chǎn)品或設(shè)備的研制工作。從剛開始的干燥劑、吸濕劑和吸濕材料,到發(fā)展至今已廣泛用于載人飛船、航天飛機(jī)和空間站的冷凝干燥器,又稱冷凝熱交換器(CondensingHeatExchanger,CHX)。根據(jù)密封艙濕度控制方法的原理和工作方式的不同,可將濕度控制技術(shù)劃分為主動(dòng)濕度控制技術(shù)和被動(dòng)濕度控制技術(shù)。2濕度反饋?zhàn)饔煤教炱鞅粍?dòng)濕度控制技術(shù)定義為:在濕度控制過程中不存在對(duì)被控濕度的反饋?zhàn)饔?是單向的,為開環(huán)控制。被動(dòng)濕度控制技術(shù)包括吸濕材料、可再生除濕裝置和調(diào)濕涂層,其共同特點(diǎn)是濕度控制自主獨(dú)立進(jìn)行,對(duì)密封艙內(nèi)溫度基本沒有影響。2.1在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用吸濕材料,主要利用材料本身與空氣中的水汽發(fā)生物理和化學(xué)作用,使空氣中的水氣在濃度擴(kuò)散作用力下進(jìn)入材料內(nèi)部,或者與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而成為材料本體的一部分。如蘇聯(lián)的東方號(hào)和上升號(hào)飛船,就是使用含有化合氧的堿性金屬(如超氧化鉀)作為吸濕材料,同時(shí)為了保險(xiǎn)起見,還使用硅膠作為干燥劑,進(jìn)一步對(duì)飛船密封艙進(jìn)行濕度控制。同時(shí),我國的神舟號(hào)飛船,也使用被動(dòng)吸濕材料。在神舟五號(hào)至神舟六號(hào)飛船的飛行試驗(yàn)中,被動(dòng)吸濕材料得到驗(yàn)證。被動(dòng)吸濕材料特點(diǎn)主要有:(1)不可重復(fù)使用,吸收水汽的大小僅與本身材料性質(zhì)和攜帶重量相關(guān);(2)在使用周期內(nèi)吸濕能力逐漸減弱,初期吸濕能力最強(qiáng),因此,一般地,隨航天器運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng),密封艙相對(duì)濕度將逐漸升高;(3)相對(duì)獨(dú)立,不依賴于航天器其他系統(tǒng)和部件;(4)生產(chǎn)制造成本相對(duì)較低;(5)通常與主動(dòng)濕度控制方法結(jié)合使用,它主要用于航天器發(fā)射上升段和返回再入段的濕度控制。2.2清除氣體和二氧化碳美國和西歐的“空間實(shí)驗(yàn)室”(Spacelab)吸收水汽采用沸石分子篩裝置,由兩個(gè)分子篩(每個(gè)分子篩含兩個(gè)吸附劑罐)組成。它安裝于氣閘艙的結(jié)構(gòu)過渡段上,在“空間實(shí)驗(yàn)室”有人在軌期間,一個(gè)分子篩連續(xù)工作,另一個(gè)作為備份,吸附劑罐負(fù)責(zé)清除水汽和二氧化碳,兩個(gè)吸附劑罐每隔15min交替地吸附和解吸,將吸附劑層輪流接通艙外真空,從而實(shí)現(xiàn)不斷除濕的目的。再有,美國自由號(hào)空間站在采用主動(dòng)冷凝干燥器(下文將介紹)調(diào)節(jié)艙內(nèi)環(huán)境濕度的基礎(chǔ)上,還采用了可再生的吸附劑分子篩來干燥空氣?？稍偕凉裱b置是以一種特殊的吸濕材料為基礎(chǔ),利用吸附材料可吸附水汽和解吸附的特性,通過它不斷地將密封艙內(nèi)水汽轉(zhuǎn)移至艙外空間或其他集中區(qū)域,從而達(dá)到對(duì)密封艙濕度控制的目的。相對(duì)于普通吸濕材料而言,可再生除濕裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但可重復(fù)使用,可實(shí)現(xiàn)短中期對(duì)密封艙的有效濕度控制?？稍偕凉裱b置的有效工作時(shí)間,只與吸附材料本身性質(zhì)(如解吸附次數(shù))和執(zhí)行切換部件的壽命有關(guān)。2.3保持密封艙的濕度調(diào)濕涂層,外形類似于熱控控溫涂層,它不需要能源和機(jī)械設(shè)備,完全依靠自身的吸濕和放濕性能自動(dòng)調(diào)節(jié)空間內(nèi)的相對(duì)濕度,屬于被動(dòng)濕度控制技術(shù)。當(dāng)密封艙內(nèi)空氣相對(duì)濕度過高時(shí),它可吸收其中大量水汽,使?jié)穸冉档?當(dāng)艙內(nèi)空氣相對(duì)濕度過低時(shí),它又可慢慢放出其吸收的水汽,使密封艙保持一定的濕度水平。調(diào)濕涂層具有如圖1所示的吸濕和放濕特性曲線,能將密封艙內(nèi)的空氣相對(duì)濕度自動(dòng)調(diào)控在φ1~φ2范圍內(nèi)。若調(diào)濕特性曲線間回滯區(qū)域(圖中陰影部分)寬度減小,則可將相對(duì)濕度穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)窄小的范圍內(nèi)。由濕空氣熱力性質(zhì),其相對(duì)濕度隨空氣溫度升高而降低。因航天器受陰影區(qū)和光照區(qū)的影響,密封艙內(nèi)的空氣溫度將隨之出現(xiàn)波動(dòng),由此將引起空氣相對(duì)濕度波動(dòng)。在失重狀態(tài)下因溫度場(chǎng)的不均勻性,密封艙個(gè)別位置可能出現(xiàn)結(jié)霜和結(jié)露現(xiàn)象。通過使用調(diào)濕涂層后,這種結(jié)霜可能性將得到消除,從而滿足航天器濕度控制和防結(jié)露要求。目前,調(diào)濕涂層還處于預(yù)研階段,性能試驗(yàn)已驗(yàn)證其吸濕性能明顯。3回收冷卻干燥器與被動(dòng)濕度控制技術(shù)相反,主動(dòng)濕度控制技術(shù)定義為:在濕度控制過程中存在一種或多種對(duì)被控濕度的反饋?zhàn)饔?是主動(dòng)的,為閉環(huán)控制,它包括對(duì)濕度的測(cè)量和控制執(zhí)行部件等。對(duì)于載人航天器而言,每個(gè)航天員每晝夜約將其吸收水量的一半通過呼吸和排汗兩種方式排到密封艙內(nèi)。根據(jù)其活動(dòng)量的大小不同,航天員產(chǎn)濕量在50~155g/h范圍內(nèi),平均日產(chǎn)濕量1800g。此外,一些空間科學(xué)試驗(yàn)也會(huì)產(chǎn)生一定量的水蒸汽,這些都會(huì)造成密封艙內(nèi)環(huán)境濕度的增加。顯然,被動(dòng)濕度控制方法已經(jīng)不能滿足載人航天器規(guī)模日益增大的發(fā)展趨勢(shì),不能滿足航天員人數(shù)增加和在軌工作時(shí)間越來越長(zhǎng)的需求。為此,以冷凝干燥器(冷凝熱交換器)為代表設(shè)備的主動(dòng)濕度控制技術(shù)得到發(fā)展,在各國載人航天器上得到廣泛應(yīng)用,并日趨成熟。早在蘇聯(lián)第一艘載人飛船——東方號(hào)飛船的密封艙(返回艙)中,就使用了冷卻干燥器對(duì)飛船返回艙進(jìn)行濕度控制,其在液體循環(huán)冷卻回路的位置如圖2所示。由流量調(diào)節(jié)器來控制流經(jīng)輻射器和旁路流量比率,控溫點(diǎn)溫度能基本恒定(5℃±2℃),恒定溫度液體進(jìn)入冷凝干燥器,在風(fēng)機(jī)作用下返回艙含濕空氣與冷卻干燥器發(fā)生熱交換。含濕空氣被冷卻的同時(shí),因冷卻干燥器內(nèi)液體溫度低于流經(jīng)它的空氣環(huán)境露點(diǎn)溫度,空氣中的部分水蒸汽被冷凝為液態(tài)水,由冷卻干燥器表面親水材料收集,在毛細(xì)力作用下傳輸至冷凝水收集器。在以后的上升號(hào)飛船、聯(lián)盟號(hào)飛船、航天飛機(jī)、和平號(hào)空間站、自由號(hào)空間站,直至“國際空間站”,均采用主動(dòng)冷凝干燥器實(shí)現(xiàn)密封艙內(nèi)環(huán)境濕度控制。圖3給出“國際空間站”各艙段內(nèi)冷凝干燥器的分布和數(shù)量。一般地,冷凝干燥器由CHX芯體、空氣入口過濾器、風(fēng)門(風(fēng)量調(diào)控閥)、水汽分離器等部件組成,其中CHX芯體是其核心部件。圖4給出了歐洲航天局為“國際空間站”哥倫布艙研制的冷凝干燥器流程示意圖,圖5給出該冷凝干燥器飛行備件實(shí)物圖片。3.1空氣除臭過程CHX芯體作為冷凝干燥器的核心部件,實(shí)質(zhì)上是一種氣液換熱器,使流經(jīng)它的氣體(空氣)溫度降低,液側(cè)液體吸熱而實(shí)現(xiàn)熱量收集。除此之外,要求液測(cè)液體溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度,使空氣中的水蒸汽遇冷凝結(jié),形成小液滴附著在芯體表面親水材料內(nèi)(如圖6所示),再由專門的水汽分離裝置收集存儲(chǔ)起來,實(shí)現(xiàn)空氣的除濕過程。如圖7所示,給出流經(jīng)冷凝熱交換器空氣的溫度和濕度的變化過程。在專用風(fēng)機(jī)組件的作用下,使密封艙內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng),實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷除濕的目的。3.2不同結(jié)構(gòu)干燥器中入口液體溫度的控制如圖4所示,冷凝干燥器通過風(fēng)門開度的調(diào)節(jié),采用旁路控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)密封艙環(huán)境濕度的控制。而濕度測(cè)量由濕度傳感器完成。當(dāng)密封艙相對(duì)濕度增加時(shí),調(diào)大風(fēng)門開度,則流過CHX芯體的空氣流量增大,更多的水蒸汽被冷凝,從而除濕量增多。反之,除濕量減少,以實(shí)現(xiàn)密封艙相對(duì)濕度滿足航天員舒適度范圍要求。通常載人航天器密封艙內(nèi)航天員人數(shù)和工作強(qiáng)度不同,不同飛行階段密封艙產(chǎn)濕量變化較大。為此,除旁路控制方法外,還采用調(diào)節(jié)冷凝干燥器液側(cè)入口液體溫度的方法來進(jìn)行濕度控制。如俄羅斯聯(lián)盟-TM飛船,根據(jù)艙內(nèi)航天員人數(shù)的不同,設(shè)置不同的冷凝干燥器入口液體溫度。當(dāng)冷凝干燥器入口液體溫度降低,CHX芯體液側(cè)和氣側(cè)溫差增大,換熱增強(qiáng),CHX芯體表面溫度降低,遠(yuǎn)低于空氣露點(diǎn)溫度,空氣中更多的水蒸汽被冷凝下來,除濕能力增強(qiáng);反之,除濕能力減弱。3.3旋轉(zhuǎn)分離方法密封艙環(huán)境中的水蒸汽由CHX芯體冷凝下來的液滴,如不及時(shí)就地收集,在失重條件下處于懸浮狀態(tài),將可能引起儀器設(shè)備電路短路等危險(xiǎn)。因此,水汽分離技術(shù)是冷凝干燥器研制過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。一般地,常用親水涂層(HydrophilicCoating)進(jìn)行水汽分離,它是利用涂層本身的親水性(Hydrophilicity)來實(shí)現(xiàn)被冷凝水汽與空氣的分離,防止水汽懸浮于密封艙內(nèi)。該方法已經(jīng)成功用于美國雙子星座飛船、俄羅斯聯(lián)盟-TM飛船。同樣,前面已提到的“國際空間站”哥倫布艙冷凝干燥器也采用該方法,使用親水涂層加毛細(xì)板(CapillaryPlates)的結(jié)構(gòu),親水涂層實(shí)現(xiàn)水汽分離,毛細(xì)板利用其毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)液態(tài)水汽的轉(zhuǎn)移和傳輸,如圖8所示。同熱控涂層一樣,親水涂層存在壽命問題,主要受環(huán)境空氣條件(如微生物、細(xì)菌等)的限制。為了進(jìn)一步提高水汽分離的效率,在被動(dòng)式親水涂層水汽分離的基礎(chǔ)上,旋轉(zhuǎn)式水汽分離方法被提出。旋轉(zhuǎn)水汽分離,源于航空飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)水汽分離方法:經(jīng)氣液換熱器冷凝后的過飽和濕空氣(含液態(tài)水汽),隨高速氣流進(jìn)入一旋轉(zhuǎn)室,在離心力作用下,濕空氣中的水汽在旋轉(zhuǎn)室外表面聚集起來,再由專門的水抽吸裝置轉(zhuǎn)移傳輸至水箱儲(chǔ)存和統(tǒng)一處理。旋轉(zhuǎn)分離方法國外已成功用于航天器的水汽分離,而在國內(nèi)還是空白。旋轉(zhuǎn)式水汽分離方法,在離心力驅(qū)動(dòng)下,冷凝干燥器水汽分離效率增加,但它引入活動(dòng)部件,可靠性有所降低。4密封艙環(huán)境濕度控制的方法本文系統(tǒng)地介紹了航天器