航天器人_机_环境密闭舱试验系统构建方法研究_冯红旗（精品）

·总体技术·航天器人－机－环境密闭舱试验系统构建方法研究
冯红旗1，2，郭烈锦1*，刘力涛2，杨京松2
（1．西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049；2．中国航天员科研训练中心，北京100094）
摘要：目的研究载人航天器人－机－环境密闭舱试验系统的构建内容和构建方法。

方法依据相似理论试验方法，分析地面试验与空间飞行的主要差异，保证环控生保系统重力下可靠工作，确定了人－机－环境试验系统的设计内容和设计方法。

结果利用该方法构建了一套试验系统，试验系统性能良好、运行稳定，已应用于交会对接任务环控生保系统性能研究。

与飞行数据比对表明，该试验系统空气流动和换热状态与微重力环境下基本一致。

结论提出的人－机－环试验系统构建方法合理有效，易于实现，满足当前任务需要，可为后续任务类似试验系统研制提供参考。

关键词：环控生保系统;人－机－环试验;密闭舱;地面试验;航天器
中图分类号：R852.8文献标识码：A文章编号：1002-0837(2013)03-0157-06
Research on Construction Methods of Man-machine-environment Airtight Cabin Test System for Space-crafts．Feng Hongqi，Guo Liejin，Liu Litao，Yang Jingsong.Space Medicine＆Medical Engineering，2013，26 (3):157 162
Abstract:Objective To study the contents and methods to construct the man-machine-environment airtight cabin test system for manned spacecrafts．Methods Based on analysis of the distinction between ground test and space flight，the contents and methods to design the man-machine-environment test system were determined under the guidance of similarity theory．Results A ground test system with satisfactory performance was con-constructed using the method．It was applied to research the performance of environment control and life sup-port system in rendezvous and docking missions．Comparing with spaceflight data，the test system is in good ac-cordance with the data in microgravity environment in air flow and heat transfer condition．Conclusion The method to construct a ground test system is reasonable，effective and easy to realize．It can meet the demands of current missions and provides reference for the development of similar facilities in the future．
Key words:environment control and life support system;man-machine-environment test;airtight cabin;ground-based test;spacecrafts
Address correspondence and reprint requests to:Guo Liejin.School of Energy and Power Engineering;Xi’an Jiao tong University;Xi’an Shaanxi710049，China．
人－机－环境密闭舱试验（以下简称人－机－环试验）是以验证载人航天器座舱环境参数控制功能和航天员生命保障功能为主旨的地面试验项目，研究人、设备和环境之间的相互作用关系，内容包括：与航天员代谢水平和飞行工况相关的舱压、氧、CO2和温湿度参数控制能力及变化规律研究；航天员在轨生活保障设备的使用模式以及生保物资配置量和消耗量的匹配关系研究；密闭环境条件下人的生理、心理适应性及健康保障问题研究。

研究结果用于评价航天器总体设计、环控生保系统设计和航天员系统设计，为设计改进和优化提供依据。

人－机－环试验实质上是地面模拟的载人飞修回日期：2013-03-31
*通讯作者：郭烈锦lj-guo@mail．xjtu．edu．cn
基金项目：中国载人航天工程基金资助项目行，开展试验研究的3个基本要素为：乘员、环控生保系统和人－机－环境密闭舱试验系统（以下简称试验系统）。

乘员代谢的物质和能量是试验的主要输入负荷，乘员参与试验并负责舱内设备的操作和科学实验，与航天员的任务相当。

环控生保系统是试验研究的对象，系统运行模式由程序控制或由乘员操作控制。

试验系统是开展试验研究的基本条件，提供了密闭舱环境和试验保障，对试验精度和可实施性具有重要影响［1］。

本文阐述了人－机－环试验系统的构建内容和构建方法，并在此基础上研制了交会对接组合体试验系统。

1方法
1．1试验系统的构建内容
试验系统构建的基本原则是以真实航天器密
第26卷第3期航天医学与医学工程Vol．26No．3 2013年6月Space Medicine＆Medical Engineering Jun．2013
封舱为原型，满足环控生保系统设计指标和功能验证的全面性要求，同时考虑对地面试验保障和辅助功能的要求［2］。

因此，人－机－环试验系统应具备航天器相关硬件部分以及地面试验专用部分，一般包括模拟试验舱、外环制冷系统、真空系统、地面测控系统、试验保障和辅助系统，而环控生保系统是被考察的对象，其布局设计和集成安装是试验系统构建过程必须考虑的重要问题。

综上，试验系统的主要内容如图1所示。

图1人－机－环试验系统构建内容
Fig．1Contents of man-machine-environment test sys-tem
1．2试验系统构建方法
地面试验与空间轨道飞行最大的差异是重力因素，地面具有1G的重力，而轨道上则是10－3 10－6G量级的微重力。

微重力效应体现为重力驱动的对流作用基本消失、重力引起的沉降作用显著减弱以及压力梯度极大地减小（静压力消失）［3］。

地面试验与空间轨道飞行的主要差异还体现在边界条件上，尤其是模拟环境与真实航天器的热边界条件差异。

试验系统的构建，重点是要模拟空间飞行状态以及减弱或抑制重力对环控生保系统工作性能的影响，基本指导思想为：保证地面试验过程与空间飞行相关状态的相似性；保证地面试验中环控生保系统的正常功能和性能。

相似理论是指导模型试验的重要依据，根据相似理论，两个物理现象的相似，要保证同名特征数相等和单值性条件相似［4］。

人－机－环试验中环控生保系统的工作过程涉及到流体流动和传热传质等物理过程，常用的相似特征数为雷诺数Re、普朗特数Pr、格拉晓夫数Gr、努塞尔数Nu和舍伍德数Sh［5］，作为衡量流体流动状态、物性参数、流体受力状态、传热和物质传递的相似性。

单值性条件包括几何条件、物理条件、时间条件、初始条件和边界条件等内容。

人－机－环试验以考核稳态工况为主，可不考虑时间条件和初始条件。

1．2．1模拟试验舱
载人航天器包括密封舱体和非密封舱体，人－机－环境试验研究内容集中在密封舱部分，因此非密封舱体可不作为构建内容，非密封舱内的环控生保产品安装在正常大气环境中即可，本文所称的模拟试验舱仅包括密封舱部分。

从单值性条件相似分析可知，模拟试验舱设计的重点是内部几何结构和边界条件。

采用尺寸缩比和气体降压的方法是航天地面试验中减小重力对传热和流动影响的重要手段［6］，但人－机－环境试验是载人试验，除了涉及传热和流体流动以外，传质性能是重要研究内容，考虑到有人参试和传质试验因而不能采用缩比和降压的方法。

保证几何条件与真实航天器一致是模拟试验舱最基本的要求，几何条件包括舱体内部形状和尺寸如舱体直径、轴向长度和人活动区空间尺寸，舱内细节尺寸和外部形状可简化处理。

主体结构一致可使模拟舱内气体容积与真实航天器接近，从而提高试验精度，公式h1=h0+Q/V0－［η
εh
（h
－h
w
）］G
/V
表示座舱空气焓h1与舱容V0的关系，说明了空气温湿度参数与舱容V0密切相关。

由于舱体结构复杂且忽略了细节部分，模拟试验舱与真实航天器的气体容积会有差异，从工程试验精度要求，差异不超过10%是可以接受的。

边界条件包括舱体密封边界和舱壁热边界。

舱体密封边界：为减少舱内外气体交换和气体所携带的物质和能量交换，必须将舱体进行密封设计，以检验试验中物质平衡和能量平衡情况。

模拟试验舱有舱门、穿舱法兰和管路、线缆安装结构，这些结构是舱内外气体交换的主要通路，是舱体密封设计的关键环节。

由于气体泄漏对试验精度影响较大，舱体密封性要求较高，规定在舱内外压差为10kPa时试验期间的气体泄漏总量不超过舱内气体容积的5%。

舱壁热边界：航天器在轨飞行中，空间环境条件尤其是温度环境复杂交变，导致舱体漏热状态和温度边界非常复杂［7］。

模拟试验舱热边界采取绝热设计，减少内外环境通过舱壁的热量交换，
851航天医学与医学工程第26卷
尽可能消除外部环境对舱内温度控制的干扰。

绝热设计以舱外壁为主，同时也积极建议对舱内壁进行适当隔热。

舱内壁实施隔热处理可以在舱内热负荷变化时或进行温度调节时防止金属舱壁材料快速吸热或放热，使空气温度及时体现热负荷变化或温度调节效果，获得较为真实的温度控制响应速度和控制精度，可以估算当舱内热负荷变化100W时，对于50m3的舱容，空气温度变化约为1．5ħ，若舱内壁不做隔热，则金属舱壁热容很大且吸热速率很快，基本上不会表现出温度变化。

当然，即使进行了绝热设计，通过舱壁和支撑结构等部位的漏热仍然存在，为此规定在舱内外空气温差5ħ时，漏热量不超过舱内平均热负荷的20%，这种情况下漏热量不会成为舱内空气温度变化的主要贡献。

试验中通过舱内外温差可计算出实际漏热量，作为评估对温度影响和换热除湿特性影响的依据。

为满足地面人－机－环试验的需求，在舱体结构设计中增加一些真实航天器中并不具有的结构，如物品传递窗、观察窗、气体采样接口和过渡舱门等，这些结构在地面试验中的作用不可忽视。

1．2．2环控生保系统布局设计
环控生保系统在舱内布局设计和集成安装是试验系统构建的重要内容，关系到某些功能能否在地面上正常运行以及气体流动和传热传质状态、液体工质流动状态与空间飞行状态的相似性。

环控生保系统受重力影响较大的是液体工质的流动，包括冷凝水收集、尿液收集、饮水供应以及温湿度控制内回路，还有舱内气体流动与换热过程，
O
2、CO
2
和水汽等物质的传递过程。

液体工质系统的布局设计：冷凝水收集、尿液
收集和饮水供应等液体系统是按照满足微重力条件下航天员使用要求设计的，地面试验中重力的存在可能导致其动力部件如泵、风机的驱动力受到抵消，系统不能正常工作，与微重力状态不一致。

在流体粘性忽略不计和气液相保持相对稳定的情况下，这些系统工作过程符合伯努利定律及流动过程各点的能量守恒。

伯努利方程表示为p
+1
2
ρv2+ρgz=P，微重力下重力加速度g≈0，ρgz
≈0，而地面条件下，g≠0，若要使ρgz=0，只能使位置高度z=0，即液体工质系统内各部分之间没有高度差或者高度差很小可以忽略不计，这样才能与微重力下的工作状态相近，液体工质系统按照设计状态运行。

对于温湿度控制内回路和供气调压回路等封闭管路系统，为保证管路系统正常工作并能获得实际的流动参数如流量、压力数据，应采用与实际工况相同的管路材料和管路通径，另外管路长度和布局走向也尽可能一致。

通风系统和通风流场设计：密封舱内O2、
CO
2
、水蒸汽、污染物的传质以及热量传递过程均依赖于通风系统，通风是物质运动和能量转移的载体。

地面试验与在轨飞行最大的差异来自于重力，重力下当有温度差或浓度差时会形成自然对流换热和浓度扩散效应，这与微重力下座舱环境参数控制机理不同。

因此，必须采取相应的措施来抑制自然对流和扩散，保证地面试验和微重力状态的相似［8］。

相似准则中，衡量自然对流和强迫对流相对强弱的相似特征数为Gr/Re2，当Gr/Re2≤0．1时可认为舱内强迫对流，Gr/Re2≥10为自然对流，处于两者之间为自然对流和强迫对流共存的混合流动状态。

微重力密封舱气体没有自然对流，依靠强迫对流进行通风和传热传质，因此地面试验中，需采取合理手段使气体流动和传热传质状态接近微重力环境。

Gr/Re2=gβLΔT/U2，式中重力加速度g和特征尺寸L为常值，运动粘度μ和气体膨胀系数β基本恒定，可通过增大气体流速U 或减小温度差ΔT来减小Gr/Re2。

保持Re相等是地面试验的首要条件，所以通过增大气体流速U来减弱自然对流是受到Re限制的。

但减小ΔT 可通过合理布局设计来实现，在实际布局时避免热负荷集中，并保证通风流场，使温度场均匀。

对于浓度差对流动和传质的影响，可用Frρ=U2/
（ΔρgL）来表征，Fr
ρ
远大于1时可忽略浓度差的影响，从式中分析增大气体流速U或减小Δρ可使Frρ增大，改变Δρ在地面载人试验中很难实现，唯一的方式是保持气体流速U。

通过上述分析，为使地面试验中的气体流动和传热传质过程相似，在环控生保系统布局设计时应保证合适的通风流场和较为均匀的温度场。

从相似准则数Re=UL/v、Nu=C Re n Pr m以及Sh=D Re p Sc q可看出，通风流场是保障地面试验
951
第3期冯红旗，等．航天器人－机－环境密闭舱试验系统构建方法研究
与微重力飞行在传热、传质方面相似的重要条件。

设备的观察和操作：地面试验中受重力作用，人体活动度受限较大，对于有观察和操作要求的设备，在布局安装时应做出适当的位置和方位调整，以便于乘员进行观察和操作，比如生活保障设备的使用和阀门的操作，若不做调整，会影响到乘员进行设备观察和操作。

1．2．3外环制冷系统
外环制冷系统模拟航天器热控系统的外回路，去除试验中温湿度控制内回路收集到的舱内热负荷，保证舱内空气的热湿平衡，验证环控生保系统与热控系统的热接口设计。

外环制冷系统的设计指标包括制冷量、内回路冷却工质温度控制范围和控制精度。

其中，制冷量覆盖试验的最大
热负荷（包括设备和乘员产热量，
外界向舱内的漏热量），并留有足够的余量。

冷却工质温度控制范围一般在3 12ħ之间，
控制精度为设定温度点的ʃ1ħ，以满足空气露点控制要求。

1．2．4真空系统
真空系统用于模拟外太空的真空环境。

真空系统的设计取决于人－机－环境试验的目的，当仅验证环控生保系统舱压控制功能和控制程序时，而不考核舱压控制时间指标，可采取抽气流量小、极限真空不高的真空机组。

若为了获取舱压控制时间指标比如气体泄压时间或者舱体泄漏出现压
力应急工况时，需要配置大流量、高极限真空的机
组，
才能满足试验要求。

人－机－环试验多以考核舱压控制功能和程序为目的，因此对真空机组的抽气流量和极限真空要求不高。

1．2．5
地面测控系统
地面测控系统负责整个人－机－环试验系统的信息管理、设备供配电和指令控制功能，包括航天器数管、测控通信、供配电以及仪表照明等系统的仿真设备、数据管理系统和参数显示终端等几个部分，模拟和验证环控生保系统与上述系统之间的信息通信接口、供配电接口和各类指令控制接口，同时负责试验数据的管理和显示。

1．2．6试验保障和辅助设备
人－机－环试验是有人参与的密闭舱试验项目，
因此需要相关的医学保障设备，对乘员的生理参数进行监测和评价。

通话设备必不可少，用于试验过程中舱内外人员的沟通联系。

为评估舱内气体污染度，需要配备气体样品、微生物样品的采样和分析设备。

另外舱内环境噪声监测、视频监控等也是试验的必备设备。

2结果
依据上述建造原则和建造方法，我们研制了交会对接目标飞行器和载人飞船组合体人－机－环境试验系统，主体构成如图2所示。

图2交会对接人－机－环境试验系统
Fig．2
Man-machine-environment test system for rendezvous and docking
61航天医学与医学工程第26卷
2．1模拟试验舱主要性能
模拟试验舱包括载人飞船返回舱、轨道舱、目标飞行器实验舱和对接通道等密闭模拟舱体，主要性能指标测试结果如下。

气体容积：舱内设备全部安装完毕后，采用供气法进行了气体容积测试，具体方法为：将舱内气压抽至95kPa左右，通过舱外气源向舱内供应高纯氮气，当舱压升高3 5kPa时停止供气。

记录供气流量，换算为大气压状态的气体体积，该数值即是模拟试验舱气体容积。

模拟试验舱实测气体容积约58．7m3，实际舱体理论气体容积约56．2 m3，实测值比理论值大4．1%，满足误差不大于10%的设计指标。

密封性能：通过真空系统设定舱内初始压力P
=91kPa，与舱外大气压形成ΔP=10kPa左右的压差，保压24h后记录舱内压力、舱内温度，计算出气体泄漏率为0．03L/min。

按照15d试验时间、气体泄漏量不大于气体容积5%计算，气体泄漏率指标为不大于0．13L/min，实测结果满足指标要求。

隔热性能：利用稳态漏热量表征模拟试验舱的隔热性能。

本文采用热平衡原理进行了漏热量测量，具体方法为：在舱内设置恒定加热负荷Q，监测舱内外空气温度，当舱内温度波动幅度不超过0．1ħ/6h，认为舱内达到热平衡状态，记录舱内外空气温度差Δt，热负荷Q就是温度差Δt时的漏热量。

改变热负荷Q，可以测定不同温度差Δt下的漏热量。

人－机－环试验舱内热负荷为1050W，其20%为210W，模拟试验舱实测结果为当温度差为5ħ时，漏热量约为160W，隔热性能满足指标要求。

2．2环控生保系统布局设计结果
冷态气体流速测量：在冷态状态下（除风机工作以外，舱内其它设备关机）进行了舱内气体流速测量，风机质量流量为9．5kg/min，满足8．5 10kg/min的设计要求，特征点气体流速为0．20 0．35m/s，满足0．08 0．50m/s的设计要求。

人－机－环试验中气体流动状态：乘员利用手持式微风速仪测量了舱内特征点的气体流速，测试结果为0．20 0．30m/s，满足0．08 0．50m/s 设计指标要求。

取U=0．25m/s，L=1．8m（人活动区截面边长），空气温度22ħ，则雷诺数Re0=29296。

载人飞行中气体流动状态：载人飞行任务中，航天员利用持风速仪对舱内气体流速进行了测量，平均值为0．23m/s，空气温度23ħ，则雷诺数Re'=23369。

Re0与Re'相差10%左右，说明地面试验与在轨飞行气体流动状态相近。

人－机－环试验中自然对流程度：试验中人活动区最大温差为2．5ħ，取ΔT=2．5K，g=9．8 m2/s，β=1/295，U=0．25m/s，得到Gr/Re2= 2．39，结果处于0．1和10之间，说明人－机－环试验中气体为混合流动状态，自然对流仍然存在，但从Re计算结果分析气体流动为湍流状态，可以认为自然对流和浓度差引起的扩散不起主导作用。

液体工质系统工作状态：人－机－环境试验时，与液体工质流动有关的回路如冷凝水收集、尿液收集和饮水供应均工作正常，未出现重力对系统功能的影响。

从上述结果可以看出，试验系统中环控生保系统布局合理，保证了液体工质系统工作性能和通风气流工作参数，气体流动状态与微重力接近。

2．3真空系统性能
真空系统具有抽真空和复压能力，3台机械真空机组并联，总抽气速率为60L/s，能满足环控生保系统排气泄压功能的验证要求。

2．4外环制冷系统性能
外环制冷系统具有3kW的换热能力，利用电动调节阀实现二级温度调节控制，冷却工质温度控制范围为0 15ħ，控制精度ʃ0．5ħ，满足设计指标和试验要求。

2．5地面测控系统
地面测控系统采用了分布式测控系统，三层管理模式，分为底层、中间层和顶层。

底层为设备层及被控和被测的环控生保系统产品，中间层为单元处理层是接口仿真设备，模拟了数管、测控通信、仪表照明、总体电路等系统的功能以及与环控生保系统之间的信息接口，顶层为系统管理层包括数据管理系统和主控台设备。

试验系统建成后，实施了两次交会对接任务载人模拟飞行试验，试验系统运行可靠、稳定，取得了大量实用数据，为任务研制提供了技术支撑。

3讨论
3．1非金属材料对舱内气体环境的污染问题
161
第3期冯红旗，等．航天器人－机－环境密闭舱试验系统构建方法研究
在模拟试验舱内壁隔热处理及舱内装饰中，会使用绝热材料、装饰材料和胶粘剂，这些材料会释放化学物质，向舱内引入了微量有害气体。

如果释放的有害气体过多，超出了环控生保系统的控制能力，则会对乘员健康造成损害，也不利于环控生保系统有害气体去除功能的验证和评价。

因此在系统构建时需注意以下几个方面，以减少材料释放的有害气体：选择环保的非金属材料并控制非金属材料的使用量；非金属材料安装进舱后，通过抽真空脱气的方法加速有害气体的释放；真空脱气后进行封舱测试，获取非金属材料释放有害气体的种类和速率，为评估系统性能提供参考。

3．2舱壁热边界条件的差异问题
地面环境很难真实模拟航天器舱壁热边界条件，比如舱壁温度分布和漏热状态。

本模拟试验舱采取了绝热设计方案，与轨道飞行状态有所不同，试验虽不能获取与飞行一致的温度平衡水平，但能够检验温湿度控制系统的换热除湿能力和温度、湿度调节特性。

舱壁绝热设计还避免了研制复杂热边界模拟舱的需求，显著减小了研制规模和难度。

3．3漏热量的测量方法
傅里叶导热定律即q=－λgrad t=－λ t/ n 是测量漏热的常用方法，根据材料导热系数和温度梯度可求出热流量，适用于漏热的动态测量。

本文所构建的模拟试验舱进行了绝热处理，舱壁和内外绝热材料构成了多层结构，各层材料的导热系数不同，因此需要知道每层的温度梯度，才能计算出漏热量，因而测量难度和设备规模均较大。

人－机－环境试验中舱内热负荷不会出现剧烈变化且温度参数为缓变特性，本文没有采用上述动态测量方法，所采用的热平衡漏热量测量方法简单实用，测试精度满足试验要求。

3．4自然对流的影响
地面条件下，不管采取什么方法包括航天器地面热试验常用的降压法或尺寸缩比法，自然对流对试验的影响或多或少都存在。

人－机－环试验系统采取的保证通风气流和均匀温度场的措施，能够在保证流动状态相似的情况，尽可能地减小了自然对流的影响程度。

4结论
本文依据相似理论阐述了人－机－环密闭舱试验系统的构建内容和构建方法，并在此基础上研制了交会对接人－机－环试验系统。

通过实测，试验系统满足几何相似、边界条件相似以及与在轨飞行的空气流动状态相似，试验研究结果为在轨飞行提供了技术支持。

本文所述人－机－环试验系统构建方法和测试方法易于实现且精度满足工程试验要求，可为后续任务类似试验系统的研制提供借鉴和参考。

［参考文献］
［1］Ray CD，Perry JL．A Ground-Based Test Bed for Evaluating In-tegrated Environmental Control and Support System and Internal
Thermal Control System Flight Performance［C］．ICES，
France，2000：10-24．
［2］王康，冯红旗，廖捷．模拟条件及乘员感受对环控生保试验评价的影响［J］．航天医学与医学工程，2010，23（4）：256-
261．
［3］胡文瑞．微重力科学概论［M］．北京：科学出版社，2010：1-16．
［4］赵镇南．传热学［M］．北京：高等教育出版社，2002：273-286．
［5］李劲东．航天器密封舱微重力对流传热与传质地面模拟试验方法理论分析［J］．宇航学报，2004，25（4）：355-360．［6］姚朝玥，任建勋，梁新刚，等．微重力下对流换热的地面缩比-减压模拟技术［J］．清华大学学报，2001，41（2）：92-98．［7］闵桂荣，郭舜．航天器热控制［M］．北京：科学出版社，1998：58-89．
［8］梁珍，沈恒根，张吉礼等．工位送风对载人航天器座舱空气品质的影响［J］.航天医学与医学工程，2009，22（5）：368-
373．
作者简介：冯红旗，男，副研究员，研究方向为载人航天器环境控制与生命保障技术。

E-mail：hq_feng71@126．com
261航天医学与医学工程第26卷。