大型空間站氣閘艙氣體復用技術研究

曹軍 卜珺珺 楊曉林 崔致和 張正軍

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

1 引言

隨著載人航天工程三期任務的立項，我國將建立自己的空間站［1］。與載人飛船相比，空間站為大型載人航天器，且長期在軌，應具備載人飛船所不具備的諸多功能，如氣閘艙氣體復用技術。氣閘艙氣體復用技術采用常壓轉移方式，通過將氣閘艙的氣體轉移抽送到其他密封艙，完成出艙活動后進行復壓來實現。氣體復用技術的應用可有效減輕貨運飛船的貨物上行量，減少發射成本，節約資源，因此氣體復用技術對空間站長期經濟運行將起到重要作用。例如，對于4．25m3的氣閘艙，在常溫下將101kPa的空氣全部排放到外太空可造成約5．5kg的資源浪費，若執行10次出艙活動，每次回收60%的氣體，則可節約近33kg氣體，這是很可觀的一部分氣體資源［2］。對于長期在軌，支持多次進行出艙活動的空間站來說，節約資源意義重大。

氣體復用技術已于2001年應用在“國際空間站”聯合氣閘艙，實現了氣閘艙氣體的回收利用［2］。雖然我國神舟-7飛船在軌任務期間實現了出艙活動，但軌道艙（兼作氣閘艙）內的氣體被直接排放到外太空，沒有實現氣體復用。我國空間站氣閘艙必須具備氣體復用技術，為空間站的長期在軌運行節約資源。本文報道了“國際空間站”氣閘艙氣體復用技術的基本情況，并結合國內該方面的研究，探討了空間站氣閘艙氣體復用技術的初步方案。

2 國外研究現狀

2．1 基本情況

在載人航天史上，“國際空間站”聯合氣閘艙首次實現了泄壓氣體的復用，可在10 min 內完成65%的氣體回收［3-4］。其基本原理是在氣閘艙進行泄壓時，采用一臺真空泵將氣閘艙內的空氣抽送至相鄰的密封艙。“國際空間站”聯合氣閘艙包括設備氣閘艙和乘員氣閘艙兩個艙，乘員氣閘艙的有效容積為4．25m3，設備氣閘艙的有效容積為26．75m3。視不同的泄復壓工況，氣體復用系統轉移抽送整個氣閘艙或僅轉移乘員氣閘艙內的氣體，將氣體轉移至設備氣閘艙或節點一號艙。氣體復用技術的原理見圖1，氣體復用泵組件位于設備氣閘艙，系統布局圖見圖2。

“國際空間站”泄復壓過程分三個階段進行：第一階段利用氣體復用系統泄壓，將艙壓從101kPa降至35kPa，用時10min，后停留15min進行出艙航天服氣密性檢查；第二階段利用出艙泄壓閥將乘員艙剩余氣體排放至太空，從35kPa降至3．5kPa，用時15min左右。完成泄壓后航天員出艙執行任務［5］。第三階段為復壓過程，復壓也分兩個階段進行，0kPa復壓至35kPa，35kPa復壓至正常艙壓。

另外，日本為“國際空間站”建造了兩個艙及一個艙外暴露平臺。兩個艙分別為實驗艙及實驗后勤艙，前者為密封艙，后者為非密封艙。在實驗艙內有一個實驗氣閘室（Experiment Airlock，EAL），供有效載荷在密封艙與艙外暴露平臺間的運輸，正如聯合氣閘艙供航天員出入艙一樣，具有泄復壓功能，并采用氣體復用系統對氣體進行回收。系統結構如圖3所示［2］。

圖1 氣體復用技術原理Fig.1Principle of gas recovery technology

圖2 氣體復用系統布局簡圖Fig．2 Sketch of the gas recovery system layout

圖3 “國際空間站”日本艙氣閘室氣體復用系統Fig．3 ISS Japanese EAL gas recovery system schematic

2．2 系統組成及硬件設計

“國際空間站”聯合氣閘艙氣體復用系統包括6條氣流通路、2臺泄復壓控制器、一個壓力表及一套泄壓泵組件。氣流通路分別布局在節點I號艙與設備氣閘艙的艙門、設備氣閘艙與乘員氣閘艙的艙門、乘員氣閘艙出艙艙門上。出于冗余考慮，每個艙門上布置兩條，每條氣流通路包括一套泄（復）壓平衡閥組件、一個安全帽、一只入口過濾器及一只出口擴散器。泄復壓控制器在設備氣閘艙及乘員氣閘艙各一臺，供航天員在不同的泄壓階段使用。泄壓泵組件為系統的核心組件，氣閘艙的氣體即借助于該組件實現了重復利用。由于氣體復用系統從載人航天器泄復壓系統的基礎上發展而來，因此，系統有共同組件，如過濾器、氣流管路、壓力表等，本節只介紹新硬件設備。

（1）氣體復用泵。氣體復用泵采用了一臺俄羅斯制造的離心葉輪泵（centrifugal vane pump），由離心壓縮機改造而來，是一臺雙級真空泵（two-stage vacuum pump），見圖4、5所示［6-7］。其設計壽命為1250h，額定功率為1380 W，最大截止轉速為28 000r／min，電機用氣體軸承進行支撐。在俄羅斯給NASA 交付該泵時，由于噪音太大（95dB），NASA 后來在排氣口設計安裝了消音器，為進一步降低噪音和減小振動，將泵置于泡沫塑料制的聲學消音盒內，使噪音進一步降到72dB［6］。排氣口與進氣口有管路從消音盒側壁穿出。

氣體復用泵的性能曲線見圖6，可計算出氣體復用泵的實際抽速為33．6m3／h（9．3L／s）。

圖4 聯合氣閘艙氣體復用泵Fig．4 Gas recovery pump in Quest airlock

圖5 氣體復用泵裝配圖Fig．5 Exploded chart of the gas recovery pump

圖6 “國際空間站”氣體復用泵性能曲線Fig．6 Performance curve of the gas recovery pump of ISS

（2）手自一體泄復壓閥。在航天飛機氣閘艙泄復壓系統中，采用電動閥進行泄復壓操作，但電控操作的可靠性低于手動操作。手自一體閥即是為了防止電控操作的失效而設計的，一旦電控失效可手動操作。手自一體泄復壓閥具有向真空排氣時流導較小、緊急復壓時流導較大的優點。平均功率為19 W，峰值功率45 W，通過安裝法蘭進行散熱。工作時，需多路信號選擇器的模擬信號輸出卡及離散輸出卡同時提供直流±15V 的“使能”信號及直流±5V 的差分電壓信號才能打開。前者使閥門處于“待命”狀態，后者用以控制閥門開度。手動控制功能通過“T”形把手控制，扭矩在0．5～2Nm 的范圍，具有四檔：全開、全關、半開、半關。

（3）手動泄復壓閥。氣體復用系統的另外一個關鍵部件為手動泄復壓閥，為了減小泄壓氣流對空間站姿態控制系統造成額外負擔，手動泄壓閥的出口沿徑向排氣。為了降低噪聲，作了消音設計處理。為了防止閥口結霜及閥喉處灰塵堆積，設計了保護帽等。閥門還具有開關指示功能。手動泄壓閥見圖7所示，從35kPa到3．5kPa的排氣性能見圖8所示，可計算出在該段泄壓過程的流導約為4L／s。

圖7 乘員氣閘艙手動泄壓閥Fig．7 Manual depressurization valve of the crewlock

圖8 手動泄壓閥性能曲線Fig．8 Performance curve of the manual depressurization valve

（4）泄復壓控制器。泄復壓控制器在乘員艙及設備艙內各一臺，乘員艙內的最大外形尺寸為292mm×292mm×152 mm，重7．4kg，設備艙的稍大，為292mm×343 mm×152 mm，重8．5kg。前者不具備控制設備艙及節點I號艙艙門平衡閥的功能。控制器的安裝位置盡量靠近泄復壓功能硬件，以免電控失效時人員可以盡快到達被控設備。為了使航天員訓練時更為方便，兩臺控制器的面板按鍵及開關布局相似。控制器通過RS 485協議與空間站數據管理分系統交換數據，軟件則按簡單的邏輯互鎖矩陣進行，可對故障硬件進行報錯。

2．3 系統特點及性能

系統具有以下幾個方面的特點：

（1）常規泄復壓及緊急復壓的速率不得超過航天員生理極限，分別為常規0．34kPa／s，緊急復壓6．89kPa／s。

（2）氣閘艙必須在30min內完成泄壓（不包括中間停頓），最少支持4680次泄復壓循環。

（3）泄復壓系統必須支持在氣閘艙內、節點艙內及出艙艙門外操作。

（4）每年支持52次出艙活動。

（5）每次出艙活動應至少實現60%的氣體復用。

（6）出艙活動為零容錯任務，出艙活動硬件即使故障也不能導致出艙活動失敗，系統修復過程必須在24h內完成。

（7）出艙活動結束后的入艙允許兩次出錯，即兩次出錯后還能保證正常入艙。

（8）氣閘艙應具備緊急復壓功能，緊急復壓時間有如下要求：①常規出艙活動任務時，氣閘艙（只對乘員艙復壓）在20s內復壓至35kPa，在80s內復壓至正常艙壓101kPa；②在搬運大型在軌可更換單元時，氣閘艙（對乘員艙及設備艙都要復壓）在60s內復壓至35kPa，在150s內復壓至正常艙壓。

除以上基本特點外，氣閘艙還應具備出艙前的吸氧排氮功能。

系統性能可通過泄復壓時間曲線看出，“國際空間站”聯合氣閘艙乘員艙某次出艙任務泄壓曲線見圖9，泄壓第二階段即手動泄壓閥泄壓的典型曲線見圖10所示。

圖9 “國際空間站”氣閘艙氣體復用系統典型泄壓曲線Fig．9 Typical depressurization curve of ISS airlock gas recovery system

圖10 氣閘艙手動泄壓氣路性能曲線Fig．10 Performance curve of the manual gas depressurization pathway

2．4 泄復壓方式冗余設計

為了防止氣路異常對泄復壓（主要是泄壓）的影響，NASA 作了系統級冗余設計，對泄壓管路的出氣端管路組件進行了備份。主份泄壓管路全部在乘員氣閘艙內，排氣口在艙壓控制臺處通往艙外。備份泄壓管路則穿越三個艙門，依次為乘員氣閘艙與設備氣閘艙間的艙門、設備氣閘艙與節點I號艙間的艙門、節點I號艙與命運號實驗艙間的艙門，排氣口位于命運號實驗艙的艙壓控制臺處。由于命運號實驗艙為“國際空間站”的指令中心，在執行出艙活動任務時，該艙駐留航天員對泄復壓操作進行監視，一旦主份泄壓管路不能正常泄壓，可立即啟動備份泄壓管路，該冗余設計可提高系統可靠性。

在不同階段，冗余設計提供了多種可選泄壓方式，見表1、2［4］所示。泄壓方式的定義及內容從表中可知，各種泄壓方式的時間消耗及氣體損耗均列在表中。

各種泄壓方式泄壓時間曲線的比較見圖11、12［4］。復壓則有兩種方式可選：大型密封艙平衡復壓及高壓氣瓶復壓，兩種復壓方式互為備份，同時具備了緊急復壓功能。

表1 101～35kPa（760～259mmHg）時的泄壓方式Table 1 Crewlock depressurization methods from 101kPa to 35kPa mmHg

表2 35～3．5kPa（259～26mmHg）時的泄壓方式Table 2 Crewlock depressurization methods from 35kPa to 3．5kPa mmHg

圖11 泄壓第一階段不同泄壓方式性能比較Fig．11 Comparison of different depressurization methods in first depressurization phase

圖12 泄壓第二階段不同泄壓方式性能曲線比較Fig．12 Comparison of different depressurization methods in second depressurization phase

3 我國空間站氣閘艙氣體復用技術方案研究

3．1 氣體復用技術方案特點

對一個密閉容器降壓復用的方法有三類：氣體轉移法、吸附劑吸附法和壓縮空氣液化法。經可行性及經濟性論證，常壓轉移法足以滿足出艙活動的氣體復用要求，因此，我國空間站采用常壓轉移法來實現對氣體的復用。轉移抽送方案的基本技術要求是氣體復用泵對氣閘艙和軌道艙都不能產生任何污染，可直接從大氣壓抽氣，在大氣壓下排放。另一方面，軌道艙艙壓有一個正常范圍［8］，轉移的氣體不能使軌道艙的艙壓超出正常范圍。由于空間站軌道艙的體積遠大于氣閘艙體積，經計算，條件滿足。

3．2 泄復壓方案

空間站氣體復用方案在我國神舟-7 飛船泄復壓的基礎上進行改進設計，泄壓階段采用氣體復用泵對氣體進行回收，復壓時可通過軌道艙平衡復壓或高壓氣瓶補氣復壓，從而實現氣體的重復利用。類似于神舟-7飛船泄復壓分階段完成，空間站氣閘艙泄復壓也分階段完成。

泄壓分三個階段［9］，第一階段利用氣體復用系統泄壓，將艙壓從101kPa降至70kPa，后暫停泄壓40min左右，航天員利用該段時間進行吸氧排氮、對航天服進行大流量沖洗等；第二階段從70kPa左右泄壓至30kPa左右，仍為氣體復用階段；第三階段采用泄壓閥泄壓，將氣閘艙剩余氣體排放至太空。這是因為隨著艙壓的降低，泄壓時間按指數規律變化，若仍對剩余氣體進行回收，則氣體復用泵消耗的電能及氣體復用時間將按指數規律增長，所花的代價增大，經濟性下降，因此，第三階段采用類似神舟-7泄壓方式，將剩余氣體排放掉。

復壓也分三個階段：0kPa復壓至40kPa，40kPa復壓至80kPa，80kPa至正常艙壓。不同復壓階段間的停頓是為了配合航天員斷開航天服的艙載支持連接及航天服復壓等操作。常規復壓采用軌道艙氣體進行平衡復壓，但在最后階段，復壓速率下降，為了減少復壓時間等待，可打開高壓氣瓶進行補氣復壓。

另外，為應對突發情況，如艙外航天服泄漏、燃料耗盡等危及航天員生命的事件發生時，出艙航天員必須盡快過閘返回；或應對更糟糕的意外發生，需將艙外航天員搬運至艙內時，為營救航天員爭取時間，必須對氣閘緊急復壓［10］。此時所需的復壓時間要大大小于一般情況的復壓，操作時，須一開始就同時打開高壓氣瓶復壓閥及軌道艙平衡壓力復壓閥，且調節閥門的開度達到最大，在航天醫學允許的范圍內，爭取最大復壓速率。

在整個泄復壓過程中，應滿足多方面的要求，如泄復壓速率應滿足一定的航天醫學要求，40kPa以上降壓速率不大于1．33kPa／s，40kPa以下降壓速率不大于4kPa／s；40kPa 以上復壓速率不大于0．133kPa／s，40kPa以下復壓速率不大于1．33kPa／s。泄復壓所產生的振動及噪聲、復壓后的空氣溫度也必須控制在一定范圍內等［11］。

3．3 系統基本組成

系統主要由泄壓組件Ⅰ、泄壓組件Ⅱ、復壓組件Ⅰ及復壓組件Ⅱ組成。泄壓組件Ⅰ的核心部件為氣體復用泵，用在泄壓第一階段，以將氣閘艙的大部分氣體轉移至大型軌道艙。氣體復用泵為清潔無油干式機械真空泵，保證轉移抽送后的氣體可重復利用。氣體復用泵可置于氣閘艙內或大型軌道艙內，當置于氣閘艙內時，隨著氣體被抽走，復用泵的對流散熱條件逐漸惡劣，需主動熱控低溫回路引入進行散熱；當置于大型軌道艙內時，則無需主動控溫，見圖13、14所示。

圖13 氣體復用泵置于氣閘艙內的情況Fig．13 Instance of the gas recovery pump parking in an airlock

圖14 氣體復用泵置于大型軌道艙內的情況Fig．14 Instance of the gas recovery pump parking in a large orbit module

泄壓組件Ⅱ的核心部件為泄壓閥，為一真空閥，用在泄壓第二階段，以將氣閘艙內復用泵轉移抽送后剩余的氣體排放至艙外太空，方便航天員打開艙門。復壓組件Ⅰ用來將氣閘艙復壓至正常艙壓，通過將大型軌道艙內的氣體平衡至氣閘艙實現復壓。其核心部件為復壓閥，也是一真空閥，與泄壓組件Ⅱ中的泄壓閥原理及控制方式相同，只是規格不同。復壓組件Ⅱ為高壓氣瓶復壓組件，當大型軌道艙不允許進行壓力平衡時對氣閘艙進行復壓，或者氣閘艙需緊急復壓時配合復壓組件Ⅰ完成緊急復壓。

3．4 地面試驗方法

地面試驗應根據氣體復用需求搭建地面試驗平臺，對泄復壓時間、泄復壓速率及氣體復用率進行驗證，對氣體復用過程中系統的力學、熱學、電子學性能進行驗證。應重點關注復用氣體成分，分析污染性，對系統在氧氣濃度增大時的安全性進行驗證。對不同泄復壓工況進行設計及驗證，滿足多工況下的泄復壓，還應進行緊急復壓的驗證。另外，應對泄復壓建立數學模型，從理論模型角度分析氣體復用率、泄復壓時間及復用泵效率間的最佳值。

3．5 試驗條件影響性分析

1）泄壓起始壓力影響

地面大氣壓力隨海拔、溫濕度有所差異，在進行地面試驗時，大氣壓力P與氣閘艙壓P0存在差異，當P＜P0時，泄壓是從P開始的，則從P0至P的泄壓段無法進行考核驗證，應結合可驗證段的計算值與試驗值建立數學模型，采用模型進行估算，并分析誤差。

2）模擬艙與真實氣閘艙的差異影響

為重點關注氣體復用系統對氣體的轉移抽送規律，地面氣閘艙模擬容器為金屬空腔容器，可視為理想容器。試驗驗證時，實際模擬容器中發生的各種氣體——固體間的相互作用現象如物理化學吸附、金屬內部擴散及脫附等現象對總氣體量的影響均忽略不計。而由于真實氣閘艙內安裝有其他出艙保障設備，艙內氣體環境由環控生保系統提供對流、溫濕度控制器及功能材料等的存在，且航天員出艙時著艙外航天服，真實氣閘艙內發生的各種吸氣、放氣現象非常復雜，氣閘艙模擬艙不需要，也難以完全模擬飛行狀態的條件，因此與真實氣閘艙不可避免存在差異。由于吸、放氣現象在一定程度上影響開艙門壓力點2kPa的到達［11］，因此，該差異性也應建立數學模型，從理論角度進行影響分析。

3）軌道太空模擬艙與真實軌道太空的差異影響

空間站軌道高度約在距地面350km 左右，氣壓在1×10-6Pa量級，泄壓第二階段向艙外太空排氣，相當于一個無限大抽速的真空系統對氣閘艙抽氣。而在地面，即使可將模擬容器的真空度抽至1×10-6Pa量級，一旦泄壓開始，模擬容器的真空度將迅速下降。因此，無法真實模擬軌道太空的真空度，泄壓時間會否受到影響，應進行分析。另外，應考察模擬容器溫度與軌道太空溫度差異對泄壓的影響［12］。

4）地面大氣環境模擬大型軌道艙的差異影響

大型軌道艙用以接收復用的氣體，其顯著特征是其體積遠大于氣閘艙體積，且艙壓盡量不發生變化。在地面情況下，大氣環境即是一個理想的模擬容器，可以保持吸收氣閘艙氣體后壓力不發生變化，同時省略了大型模擬艙。采用地面大氣環境模擬大型軌道艙是一個很好的策略，該方案對氣體復用速率及時間有無影響，應進行理論分析。

4 結束語

空間站氣閘艙氣體復用技術實現了氣體復用，與早期的載人航天器泄復壓技術相比，具有獨特的優越性，總結如下：

1）資源的回收利用

與神舟-7飛船等載人航天器泄復壓技術相比，氣體復用技術最突出的優勢是對氣閘艙氣體實現重復利用，節約了寶貴的氣體資源，可減少貨運飛船的上行量，降低發射成本，對于空間站長期在軌運行以及未來長期有人居住的月球基地、載人深空探測等任務具有重要意義。

2）性能及操作程序的可預見性

“國際空間站”新型控制器使用了多項新技術，將控制器采集的系統狀態信號及工作情況與站載計算機進行通信。泄復壓時，各種狀況與事先設置好的軟件程序進行比較，當狀態異常及硬件故障時可及時報錯，提示駐留航天員介入。性能及系統可靠性得到提高，泄復壓程序成為可預見的操作。

3）冗余設計

為了防止泄復壓硬件及管路異常等現象，如閥門管路在泄復壓過程中異常時，系統具有備份泄復壓措施，可及時切換泄復壓路徑，保證出艙活動的如期進行。

4）全新的技術

“國際空間站”氣體復用泵實為離心壓縮機，最大轉速為28 000r／min，采用了氣體潤滑軸承。在空間微重力環境下，氣體軸承更能顯示出其優越性。另外，手自一體泄復壓閥是一項嶄新的技術，與電磁閥相比，具有可變開度、柔性響應、功耗較小的優點，是一種有廣泛應用前景的空間閥門。“國際空間站”采用了多種新技術進行建設，我國空間站氣體復用技術也應開發新型節能設備，進行全面的驗證后，服務于出艙活動任務。

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