載人航天器密封艙內除濕研究

趙建賀，張 健，王鑫哲，安金坤

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

隨著載人航天技術的發展，航天器濕度控制技術越來越引起人們的重視。為滿足載人航天器密封艙內航天員的在軌熱舒適性以及避免艙內設備低溫表面結露，需要對載人航天器密封艙內濕度進行控制。

根據濕度來源的不同，密封艙內濕度控制分為地面封艙前除濕和在軌密封艙除濕。

封艙前，載人航天器置于總裝廠房內，艙內濕度與廠房內濕度基本相同。我國正在海南文昌興建現代化大型航天發射場[1]，海南發射場主要承擔地球同步軌道衛星、大質量極軌衛星、大噸位載人航天器和深空探測器等的發射任務。該地區常年高溫年均相對濕度達86.4%，使得廠房工作間內濕度也較高；即使采取濕度控制，在溫度為18～28℃范圍內，廠房的相對濕度最高也可達60%。為了降低密封艙內濕度，防止在軌時結露，要在封艙前采用干空氣對艙內濕空氣進行空氣置換。

載人航天器在軌飛行時，航天員不斷產濕排放到密封艙內，致使密封艙內含濕量增加，相對濕度增大。如果艙體隔熱措施不夠好，在外熱流較小的部位所對應的艙內區域會形成低于露點溫度的低溫區域，低溫區域附近的空氣成為飽和濕空氣，低溫設備表面很可能產生結露現象[2]，因此在軌需采用冷凝干燥裝置對艙內空氣進行除濕。

本文主要通過理論分析，得出載人航天器地面 封艙前干空氣置換相對濕度估算方法以及航天器在軌除濕通風量估算方法，以期通過這些方法優化艙內濕度環境，降低載人航天器密封艙結露風險。

1 封艙前除濕

對于貨運飛船、空間站等需要在海南發射的大型載人航天器，在封艙前，需要采用干空氣置換的方法來降低密封艙內空氣的濕度，避免將過多的水蒸氣帶入密封艙，以降低載人航天器在軌結露的風險。

圖1為空氣置換示意圖，假設將與密封艙同樣體積的干空氣分段注入到密封艙內。將干空氣體積V分成n份，每次注入1/n體積的干空氣，在干空氣與密封艙內濕空氣充分混合后，從密封艙向外部排出與送風量等量的混合氣體。

圖1 空氣置換 Fig.1 Schematic diagram of air replacement

密封艙內濕空氣初始相對濕度為?0，第1 次注入1/n體積的干空氣，排出1/n體積的均勻混合氣體，此時密封艙中空氣的相對濕度為

同理，第2 次注入1/n體積的干空氣，排出1/n體積的均勻混合氣體，此時密封艙中空氣的 相對濕度為

當第n次注入1/n體積的干空氣，排出1/n體積的均勻混合氣體后，此時整個氣瓶內體積為V的干空氣使用完畢，密封艙中空氣的相對濕度 為

當次數n趨于無窮時，也就是小流量連續對密封艙內空氣進行置換時，密封艙內空氣的相對濕度為

假設置換前載人航天器密封艙內相對濕度與廠房工作間內相對濕度相同，同為60%，經過同體積干空氣置換一次后，密封艙內相對濕度則降至22.1%。

當然，這是理想狀況下的置換結果，實際置換結果還與具體的試驗操作有關，比如出風口有無回流、艙內氣體是否混合均勻等。

2 密封艙在軌除濕

密封艙在軌除濕技術主要包括吸濕材料[3]、可再生除濕裝置[4]、調濕涂層[5]等被動濕度控制技術以及冷凝干燥裝置等主動濕度控制技術。

由于被動濕度控制方法已不能滿足載人航天領域航天員人數增加、工作時間延長的需求，使得以冷凝干燥裝置為代表的主動濕度控制技術被各國載人航天器廣泛采用[5]。

2.1 冷凝干燥裝置的工作原理

由冷凝干燥風機將密封艙內的熱濕空氣吸入冷凝-干燥換熱器（要求液側液體溫度低于空氣的露點溫度），進行熱交換，降低空氣溫度并除去多余水分后，再將處理后的空氣送回密封艙[6]，如圖2所示。

圖2 密封艙內除濕 Fig.2 Dehumidification in sealed cabin

同時，通過調節冷干風門開度，采用旁路控制的方法使部分風量不經過冷凝熱交換器，以實現密封艙內不同濕度的控制要求[2]。

2.2 冷干風機風量估算

在容積為V的密封艙中，冷干裝置啟動前密封艙中空氣含濕量為d1，采用冷干裝置降低密封艙內空氣的濕度，根據質量守恒定律，建立濕度平衡方程（假設除濕過程中密封艙內空氣溫度保持不變）。在時間間隔dτ內，艙內得到的濕負荷

（包括航天員的產濕和冷干送風中的濕負荷）與密封艙內排出（進入冷干）的濕負荷之差應等于整個密封艙內增加（或減少）的濕負荷，即

式中：為冷干風機風量，m3/h；為航天員單位時間內的產濕量（濕負荷），g/h；ρ為空氣密度，kg/m3；d為某時刻艙內空氣中的含濕量，g/kg；d0為冷干送風的含濕量（分析過程中，假設冷干送風的含濕量保持不變），g/kg；dτ為某一無限小的時間間隔，h；dd為dτ時間內密封艙內含濕量的增量，g/kg。

式(2)可以變換為

若在τ時間內，密封艙內含濕量由d1變化到d2，則

冷干風機風量一定時，任意時刻密封艙內的含濕量為

將式(8)表示在d-τ曲線上，如圖3所示。當時間τ→∞時，exp (V)趨于0，艙內濕度d2趨于穩定，則

式(9)表明，當時間足夠長時，密封艙內含濕量與艙內初始含濕量d1無關。

圖3 含濕量變化曲線 Fig.3 Curve of moisture content

據式(9)，密封艙內目標含濕量d2處于穩定狀態時，所需要冷干風機風量為

對于式(10)而言，可通過查焓濕圖[7]獲得相對濕度?與含濕量d的對應關系。通過調節冷干風門控制出口空氣含濕量d0；航天員舒適環境的相對濕度為28%～65%[8]，通過焓濕圖可以得到對應的含濕量d2。

關于航天員的產濕量，姜軍等人[3]認為單個航天員的產濕量為75 g/h；黃家榮等人[9-10]給出的產濕量為1.5 kg/d，相當于62.5 g/h；程文龍等人[11]給出的單個航天員產濕量為86 g/h;范宇峰等人[4]根據航天員在睡眠、靜息、輕度及中度活動時活動量的不同，認為航天員的產濕量在50～155 g/h 范圍內，詳見表1。

表 1 航天員產濕量 Table1 Moisture content generated by astronaut

3 結束語

本文對載人航天器密封艙除濕這一重要工程問題進行了理論研究，獲得主要結論如下：

1）針對載人航天器地面封艙前除濕，采用干空氣置換，建立了相對濕度估算模型，密封艙內濕空氣（初始相對濕度為?0）經過同體積干空氣小流量連續置換一次后，密封艙內空氣的相對濕度降至原先的1/e。

2）對于冷凝干燥裝置這一主動濕度控制技術，建立了密封艙內空氣濕度平衡方程，獲得了載人航天器冷凝干燥裝置除濕的風機風量估算模型，見式(10)。

以上模型可為載人航天器密封艙內濕度控制提供重要技術支撐。

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