載人航天器乘員艙空氣齡分布數值仿真及試驗研究

蘇新明 王晶，2 李西園 張春瑩 裴一飛 郄殿福，2

（1 北京衛星環境工程研究所，北京 100094）（2 北京衛星環境工程研究所可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094）

1 引言

載人航天器乘員艙為航天員提供了生活和休息的空間，由于長期在軌的要求，為了保證航天員能夠正常活動，通風系統要在乘員艙內提供均勻的流場分布，并通過空氣凈化系統不斷補充新鮮空氣。以往對艙內通風系統的評價指標只有風速分布，但風速大小并不能反映出艙內新鮮空氣的供給情況，因此有必要對新鮮空氣在艙內的分布情況開展研究，找出新鮮空氣供給較差的位置，對于評價和改善艙內通風系統有重要作用。

國外對于載人航天器乘員艙通風系統已經開展了較多評價工作，尤其在試驗驗證方面，如“國際空間站”（ISS）美國艙曾在馬歇爾航天中心進行了空氣流動試驗，通過該試驗考核了美國艙內氣體流動特性以及空氣品質情況［1］。ISS日本實驗艙壓力密封艙（PM）同樣進行了通風試驗，對艙內空氣流速進行了分析驗證［2］。另外比較典型的是歐洲哥倫布（Columbus）號實驗艙，技術人員首先對該密封艙的通風情況進行了地面試驗，考核了艙內流場分布情況［3］，隨后利用示蹤氣體下降法［4］在流速分布較差的位置進行了空氣齡試驗。通過試驗發現有些位置的空氣齡是滿足要求的，即新鮮空氣的供給能夠滿足要求，總結認為僅對載人艙進行流場測量是不充分的，還需要進行空氣齡試驗。

我國圍繞載人航天器乘員艙通風系統所作的評價工作以數值模擬為主，如付仕明、徐小平等人建立了某型空間站座艙和送風設備的計算流體力學（CFD）模型［5］，比較了不同送風流量、送風方向以及送風口布置方式等條件下的艙內空氣速度分布情況，結果表明送風方向對流速分布影響較大，其中45°送風最優。鄭忠海、張吉禮等人對空間站艙內側上送、側下回對稱通風方式進行了不同工況的數值模擬［6］，結果表明：當自然對流無量綱數Gr／Re2（格拉曉夫數與雷諾數平方的比值）小于5時，忽略重力影響的誤差不超過5%，45°送風時流場平均流速最大。梁珍、張吉禮等人利用零方程湍流模型，對載人航天器座艙內空氣齡分布進行了數值模擬［7］，考察了3種不同風口布置方式，模擬結果顯示風口間隔交錯布置的方式最優。任建勛對空間站艙內天花板均勻進風、垂直集中進風和集中斜進風三種通風方案進行了數值模擬，并進行了地面模擬試驗［8］。結果表明垂直集中進風換熱能力最強，但斜進風的方式更能滿足人員舒適性要求。上述研究僅以風速作為通風質量的評價指標，并未充分考核艙內局部空間的空氣質量。裴一飛、蘇新明等人對國內外空間站密封艙空氣齡分布數值模擬及試驗研究進展進行了調研，提出了針對空間站進行的密封艙內空氣品質評價驗證試驗，不能局限于風速分布測量，還應考慮空氣齡分布測量，這有助于全面考核艙內通風情況［9］。

本文即利用空氣齡理論對某載人航天器乘員艙進行了空氣齡分布數值仿真和試驗驗證工作，從新鮮空氣供給的角度對乘員艙通風系統進行評價，并驗證方法的可行性。

2 空氣齡

空氣齡最早于20世紀80年代由Sandberg［10］提出，根據Sandberg的定義，空氣齡是指空氣從入口到達房間某一位置的時間，反映了室內空氣的新鮮程度。某點的空氣齡越小，說明該點的空氣越新鮮，空氣品質就越好。

房間中某一點的空氣由不同空氣齡的空氣微團組成，因此該點所有微團的空氣齡存在一個概率分布函數f（τ）和累計分布函數F（τ）［11］。如果某點的空氣齡為τ的空氣微團在該點空氣中所占的比例分布，即概率分布為f（τ），則有

累計分布函數與頻率分布函數之間的關系如下：

某一點所有微團的空氣齡的平均值就是該點的空氣齡，記為τp，有

房間平均空氣齡是指房間內各點空氣齡的平均值，即

式中：V為房間體積。

圖1是房間內某點p的空氣齡τp的定義示意圖，圖中τn是房間的名義時間常數，表示理論上空氣在房間內的最短滯留時間，其與房間的體積V以及送風流量Q有關，即

在此基礎上可得出房間的換氣效率為

換氣效率是衡量室內某點或全室空氣更換效果優劣的指標［12］，換氣效率高說明進入室內的空氣停留時間較短，室內清潔度高，空氣品質較好。不同送風方式的換氣效率見表1［13-14］。

圖1 房間內某點p 的空氣齡Fig.1 Air age at point pinside the room

表1 換氣效率Table 1 Air exchange efficiency

另外對于判斷室內某點處新鮮空氣的供給程度可通過比較τp和τn的大小獲得：

（1）若τp≤τn，新鮮空氣供給較好，能夠較快地置換舊空氣；

（2）若τp＞τn，新鮮空氣供給較差，不能夠較快地置換舊空氣。

3 物理模型及數值仿真

3.1 物理模型

由于我國還沒有空間站核心艙的試驗件，并考慮到試驗研究成本，選用某飛船軌道艙模擬件作為試驗對象，為適應空氣齡試驗研究對其進行了適當的改造，改造后的乘員艙構型如圖2所示，風口設置為頂部兩側45°送風，底部兩側45°回風。風口間隔對稱布置，其中送風口6個，回風口6個，風口尺寸110mm×190mm，乘員艙總體尺寸為2820mm×1500mm×1500mm，體積為5.85m3，如圖3所示。同時在本研究中將重點關注乘員艙橫截面內1180mm×1100mm 區域內的空氣齡分布情況，如圖4所示。另外，在圖3、圖4中給出了本次研究的X、Y、Z坐標系，其中圖3定義了X、Y平面坐標，圖4定義了Y、Z平面坐標，坐標系原點（0，0，0）位于艙體中心處。

圖2 改造后的乘員艙構型Fig.2 Changed configuration of the crew cabin

圖3 乘員艙整體尺寸Fig.3 Whole geometry of the crew cabin

圖4 空氣齡分布關注區域Fig.4 Interested area for air age distribution

在物理模型的基礎上開展數值仿真計算及后續試驗驗證工作，其中數值仿真使用的計算模型與物理模型為1∶1關系，保證了計算數據與試驗數據的可對比性。

3.2 數學方程

對于乘員艙空氣流場可通過求解N-S方程［15］得到。本文不考慮溫度變化對結果的影響，忽略重力的影響，并認為空氣流動為穩態不可壓縮流動。因此，空氣的控制方程可表達為如下形式。

式中：ρ指空氣密度；U是空氣速度矢量，U＝（u，v，w）T；p為靜壓；F為外部質量力。

流動按紊流流態計算，對于紊流模型則采用標準k-ε模型，其具體形式參見文獻［15］。

利用數值方法求解空氣齡已發展了多年，北京航空航天大學的莊達民［16］等人對空氣齡的輸運方程進行了詳細推導，得出了空氣齡輸運方程的穩態解，驗證了利用數值方法計算空氣齡的正確性，對此本文不再贅述。穩態狀態下艙內空氣齡輸運方程的表達式為

式中：τ表示艙內空間某點空氣齡；ρ為空氣密度，作為空氣齡控制方程的源項。Γ為擴散系數，有

式中：μ為空氣分子動力黏性系數；μt 為空氣紊流黏性系數；Sc，Sct分別為Schmidt 數和紊流Schmidt數，一般取值為1。

為求解空氣齡輸運方程，利用Fluent軟件提供的用戶自定義標量方程（UDS）功能［15］，對空氣齡的擴散系數進行定義，并添加源項。將空氣齡輸運方程添加到Fluent控制方程組中，可以實現流場與空氣齡的耦合求解。

3.3 邊界條件

本文分別計算了2種不同條件工況，邊界條件如表2所示。

表2 計算工況及邊界條件Table 2 Computation cases and boundary conditions

3.4 仿真結果

圖5和圖6分別給出了X＝-370mm 截面上兩種工況的空氣齡分布等高線圖，其中數字表示空氣齡數值，并用顏色表征空氣齡的分布情況，其中紅色區域說明此處空氣齡數值較高，藍色區域說明此處空氣齡數值較低。圖7和圖8分別給出了X＝0mm截面上兩種工況的空氣齡分布等高線圖。

圖5 工況1，X＝-370mm 截面空氣齡分布Fig.5 Case 1，the air age distribution on the X＝-370mm section

圖6 工況2，X＝-370mm 截面空氣齡分布Fig.6 Case 2，the air age distribution on the X＝-370mm section

圖7 工況1，X＝0mm 截面空氣齡分布Fig.7 Case 1，the air age distribution on the X＝0mm section

圖8 工況2，X＝0mm 截面空氣齡分布Fig.8 Case 2，the air age distribution on the X＝0mm section

由圖5～圖8相互對比可以看出：送風速度為1m／s時，仿真得出的結果其空氣齡分布對稱性較好，在X＝-370mm（見圖5）截面上空氣齡數值在52s～76s 之間，其中最大值出現在A 點（Y＝275mm，Z＝0mm）位置處。在X＝0 mm 截面上（見圖7）空氣齡數值在54s～78s之間，其中最大值出現在B點（Y＝275mm，Z＝295mm）位置處；送風速度為0.5m／s時，仿真得到的空氣齡分布對稱性較差。在X＝-370mm 截面上（見圖6）空氣齡數值在80.5s～136.5s之間，其中最大值出現在C點（Y＝-550 mm，Z＝590mm）位置處。在X＝0 mm 截面上（見圖8）空氣齡數值在111.75s～143.25s之間，其中最大值出現在D 點（Y＝-380 mm，Z＝590mm）位置處。

送風風速為0.5m／s時，艙內空氣齡數值普遍高于送風風速1m／s時的艙內空氣齡數值，說明空氣齡的數值隨著送風速度的增加而減小。

根據式（5）可以計算出，送風速度1m／s時，乘員艙的名義時間常數為46.65s，送風速度0.5m／s時，乘員艙的名義時間常數為93.3s。將不同工況下兩個截面上的空氣齡分布情況與名義時間常數進行對比，發現兩種工況條件下，乘員艙重點關注區域內的空氣齡值普遍高出了乘員艙名義時間常數，說明重點關注區域內舊空氣被新鮮空氣置換所需的時間較長。

經計算，1m／s時人員區內的平均空氣齡為τ-＝59.7s，由式（6）可以計算出乘員艙的換氣效率為η＝39.07%；0.5 m／s時，人員區的平均空氣齡為τ-＝121.4s，此時乘員艙的換氣效率為η＝38.43%。根據表1數據，兩種工況下的換氣效率較低，同時將兩種工況下的乘員艙換氣效率進行比較，發現當送、出口風口狀態給定的情況下，送風速度增加，一定程度上能夠增大換氣效率。然而，對于載人航天器，送風速度不能無限增加，因此在一定送風風速范圍內，還需要綜合考慮通風系統的優化設置，如改變送、出風口布局，改變送、出風口的送、出風角度等。

4 試驗驗證

根據仿真分析結果，工況1（送風速度1m／s）艙內換氣效率優于工況2（送風速度0.5m／s）的結果，因此對工況1進行了試驗驗證。

4.1 示蹤氣體下降法

示蹤氣體下降法是指：預先向乘員艙內通入一定濃度的示蹤氣體，待穩定后開始通風，測量被測點的示蹤氣體濃度變化過程［17］。可以得到測量點p處的示蹤氣體累計分布函數如下。

式中：Cp（0）表示0時刻p點處的示蹤氣體濃度，即初始濃度；Cp（τ）表示τ時刻p點處的示蹤氣體濃度。

根據式（3）可以計算出p點的空氣齡為

另外，可用作示蹤氣體的氣體有SF6、CH4和CO2等，因CO2性質穩定，無毒無害，且易制備，因此在試驗中選用CO2作示蹤氣體。

4.2 試驗設計

試驗前為了避免壓力及溫度變化對試驗結果造成影響，特設計了常壓常溫模擬室，將飛船軌道艙整體安放在模擬室內。在乘員艙送風口處安裝了風速傳感器，用于判斷送風速度是否滿足要求，試驗風速設置與數值仿真邊界條件設置一致，為1 m／s。選用TY-500傳感器測量CO2濃度的變化情況，利用MIC-2000控制器對測量數據進行實時采集，并編寫了顯示程序，可以實現數據在計算機上的記錄和讀取，讀取間隔設置為1s。傳感器測量范圍為0～5000ppm（工業中通常用ppm 表示氣體濃度，1ppm＝1ml／m3），精度1ppm，由于傳感器比較笨重，因此試驗中將傳感器放置在軌道艙外部，利用小型氣體泵和塑料軟管將乘員艙內測量位置處的氣體吸入到傳感器內進行測量。氣體泵的吸氣速率較低以及塑料軟管的內徑較小，因此可忽略由于抽氣對乘員艙內流場的破壞。

試驗供氣流程如圖9所示，試驗時先關閉閥3和閥4，開啟閥2，風機工作，艙內循環通風。后開啟閥1，通入一定濃度的CO2后關閉閥1，并關閉風機，使艙內CO2良好分布并靜置。最后打開閥3和閥4，開啟風機，開始測試。

圖9 試驗供氣流程Fig.9 Air supply of the cabin

4.3 試驗結果

在數值仿真結果中發現，在X＝-370 mm 截面上（Y＝275mm，Z＝0mm）位置和X＝0mm 截面上（Y＝275mm，Z＝295mm）位置處空氣齡數值較大，因此在試驗中重點關注了上述兩位置處的空氣齡數值，為了方便敘述，分別將上述位置稱為測點1、測點2。

通過對2個測量點處的CO2濃度變化情況進行監測，得到CO2濃度隨時間的變化曲線，如圖10所示。

圖10 2個測點CO2 濃度隨時間變化曲線Fig.10 CO2concentration movement curve at two different spots

根據式（12）計算出兩測點處的空氣齡值，分別為測點1是75.2s；測點2是91.2s。兩者均遠遠超出了乘員艙名義時間常數。

5 仿真與試驗結果對比分析

比較測點處空氣齡的仿真與試驗結果，見表3。

從對比結果看，測點1處的空氣齡為75.2s，與仿真結果偏差1.05%，兩者吻合較好；測點2 處空氣齡為91.2s，與仿真結果偏差3.59%，盡管存在一定的偏差，但在可接受的范圍內。另外，仿真和試驗結果均說明在測點1 和測點2 處空氣齡數值較高，舊空氣被新鮮空氣置換所需的時間較長，表明本文乘員艙通風系統在采用上送下回、送出風口間隔對稱布置、送出風口角度45°設置時，1m／s和0.5m／s送風速度所對應的艙內換氣效率均較低。然而，本文只對一種送回風形式進行了仿真及試驗驗證工作，對于乘員艙通風系統設計而言是遠遠不夠的，還應該進行更多不同送風形式及送風參數的計算及驗證工作，比較不同類型通風系統的優劣，得出最優方案。在后續工作中，將著重在此方面開展相關研究工作。

表3 測點空氣齡仿真與試驗結果對比Table 3 Comparison of simulation and test values of the air age at two different spots

通過仿真與試驗結果的對比，證明了本文所采取的空氣齡驗證試驗方法是正確的，能夠與仿真結果取得較好的一致性，表明本文所采用的空氣齡分布仿真及試驗方法能夠預示和測量空氣齡較差的區域。在載人空間站通風系統方案設計階段，可對不同送、出風口布局及送、出風角度，配合不同的送風速度，進行仿真分析，通過比較不同方案下艙內的空氣齡分布情況及換氣效率，對乘員艙的通風效果進行評定，得出優化的通風系統設計方案。隨后，可采用試驗方法進行驗證。這對提高空間站通風系統換氣效率，保障航天員生活品質有較大幫助。

6 結論

本文介紹了空氣齡理論，并對某乘員艙進行了空氣齡分布仿真及試驗驗證，將結果進行了對比，可以得出以下結論：

（1）乘員艙采取風口間隔對稱的布置方式，其空氣齡分布結果較差，普遍高于乘員艙的名義時間常數，說明其通風系統設計有待改進。

（2）空氣齡測量試驗結果與仿真結果吻合較好，說明本文所采取的空氣齡試驗方法是正確、可行的，能夠預示和測量空氣齡較差的區域。

（3）對于乘員艙通風系統設計而言，應該嘗試多種送回風形式（如送回風口布置、送回風角度等）和送回風參數（如送風速度、送風流量）設置，綜合考量選擇最優方案。

本文所提出的方法可為空間站設計階段的通風系統設計與校核提供參考，通過仿真手段比較不同送、回風形式和送風參數情況下空間站乘員艙內的換氣效率和空氣齡分布，得出優化方案，進而進行試驗驗證，這將有助于乘員艙通風系統的合理設計，提高航天員的艙內生活品質。

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