某空間模擬艙配套氣源供應系統設計

李陽

摘? 要：空間模擬艙可以有效的模擬高空、海洋、宇宙空間等多種空間環境，從而為科研生產提供便利條件。目前在航空航天器開發試驗，深海探測器檢測試驗，特種材料性能試驗等領域，空間模擬艙都得到了廣泛應用。而空間模擬艙高效運行的關鍵在于，合理配置氣源供應系統。文章立足實際，以現實案例討論如何為空間模擬艙配套氣源供應系統。

關鍵詞：空間模擬艙;氣源供應系統;壓力;真空

中圖分類號：V216? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0080-02

Abstract： The space chamber can effectively simulate many kinds of space environment， such as high altitude， ocean， space and so on， so as to provide convenient conditions for scientific research and production. At present， the space chamber has been widely used in the fields of aerospace development test， deep-sea detector detection test， special material performance test and so on. The key to the efficient operation of the space chamber lies in the rational allocation of the air supply system. Based on the reality， this paper discusses how to match the air supply system for the space chamber with a real case.

Keywords： space chamber; air supply system; pressure; vacuum

引言

某空間模擬艙，為模擬高空環境需要提供如下氣源供應系統作為動力配套（見表1）。

分析上述需求指標，此氣源供應系統主要包括2個子系統：壓縮空氣供應子系統、真空供應子系統。為了滿足空間模擬艙的需求，保證氣源供應品質，氣源供應系統中所有的壓縮空氣管道、真空管道、閥門等均采用304不銹鋼材質。

1 氣源供應系統原理設計

1.1 壓縮空氣供應子系統

由空氣壓縮機、儲氣罐、壓縮空氣后處理設備，壓力管路及閥門、附件所組成。

空氣壓縮機吸取大氣中的空氣，并對空氣進行壓縮加壓至使用壓力并通過管路輸送至儲氣罐，在儲氣罐中得到穩壓后，然后進入壓縮空氣后處理設備。壓縮空氣在后處理設備中經過粗過濾和精密過濾兩級過濾，分離出壓縮空氣中的雜質與水分，從而得到滿足空間模擬艙的壓縮空氣，最終滿足試驗需求的壓縮空氣通過壓力管道輸送至模擬艙用氣點。

1.2 真空供應子系統：由真空泵，真空管路，排氣管路組成

真空泵工作時，空間模擬艙中的空氣通過真空管道不斷地被真空泵吸取，從而在空間模擬艙中達到模擬艙要求的真空度環境條件。而被真空泵吸出空氣，再通過排氣管道排至室外大氣，完成抽真空工作。

2 氣源供應系統參數設計計算

2.1 壓縮空氣供應子系統設計計算

根據空間模擬艙任務需求，壓縮空氣實際工作時流量分布相對不均勻，大流量的運行時間較短，2500kg/h流量運行時間約30min，其余流量主要在1800kg/h左右。

據此，確定以下較優設計思路：空氣壓縮機設備的選擇，滿足于空間模擬艙連續用壓縮空氣試驗流量需求;在大流量試驗時，采用儲氣罐儲氣調節的方式，進而滿足短期大流量試驗的需要。因此儲氣罐儲氣壓力與試驗用氣壓力之間應有相應的壓力差進行儲能，為了節約能源與安全的綜合考慮，儲氣罐儲氣壓力宜維持在3.5MPa-4.0MPa之間。綜上所述，確定儲氣罐及空氣壓縮機的壓力為4.0MPa。

2.1.1 空氣壓縮機設備流量計算

供氣質量流量Q=K×Q1

Q=（Q1×1.2）=1800kg/h×1.2=2160kg/h

其中：K-為考慮泄露及溫濕度變化的富裕系數，取1.2;Q1-為產品試驗實際使用壓縮空氣質量流量，kg/h。

供氣體積流量（標況）Q1=Q/ρ=1675m3/h

其中：ρ-為標況下空氣密度1.29kg/m3

2.1.2 儲氣罐容積計算

根據實際運行要求核算儲氣罐容積。儲氣罐與壓縮機配合供氣應能滿足2500kg/h的流量30min的供氣需求。壓力要求控制在2.7MPa以上。

利用質量守恒進行流量核算：

30m3/min×1.2kg/m3×（30-5）min+V？籽1-V？籽2？芏2500kg/h×30min÷60min/h

其中：？籽1-3.5MPa空氣密度為42.10kg/m3;？籽2-2.7MPa空氣密度為32.74kg/m3，5min-壓縮機設備的啟動反映時間。

V？芏37.4m3

因此儲氣罐容積大于37.4m3，可選擇V=40m3

2.1.3 供氣管徑計算

計算公式：di=18.8=18.8=92mm

管徑選擇Φ108×4.5mm不銹鋼管材質

式中，di-管道內徑，mm;Q0-工作狀態的空氣體積流量（以最大流量3000kg/h進行換算，壓縮空氣在3.5MPa時密度為42.1kg/m3），m3/h;v-工作狀態下，壓縮空氣的管內流速（壓縮空氣3.5MPa時;取3m/s）m/s

2.2 真空供應子系統設計計算

空間模擬艙模擬0到1.8萬米大氣環境，任意高度下都是工況點。隨著模擬高度的變化，真空度不斷變化，因此真空泵抽速的變化是一個連續的過程，計算的間隔越小，獲得的抽速越接近實際數據。但如果計算的間隔太小，計算的數據量又過于龐大。這里我們以每1千米的高度差作為一個計算點。每一個計算點的計算原理是完全一樣的——即需要的抽速是由兩部分組成的，一個是艙體入口補入實驗艙的空氣量膨脹到對應的壓力下形成的靜態真空抽速，一個是為了滿足垂直高度的變化需要的動態真空抽速。我們僅就1萬米這個數據點作為一個例子，介紹一下抽速是如何計算出來的。

靜態真空抽速：

S1=大氣壓×（補氣量/空氣密度）/1萬米下空氣壓力

S1=101，300*（1000/1.293）/26，419=2，965m3/h

當模擬垂直上升過程時，真空泵除了能滿足上述靜態的抽速需求外，還需要有額外的真空抽速，在一個規定的時間內，不但要將補入艙體的空氣抽走，同時還能將空間模擬艙的壓力抽得更低。這個規定的時間就是飛行器從9千米按照規定的速度升高到1萬米的時間t。因為飛行器的垂直上升速度是200m/s，所以，t=（10，000-9，000）/200=5s。在這里，為了簡化計算，我們假定從9千米到1萬米的高度范圍內，1000kg/h的補氣量膨脹后需要的真空抽速是一樣的（實際上是隨著高度的上升，這個數字是逐漸增大的），這樣，計算簡化為5s內、將一個19.3m3的容器的壓力從30725Pa（9千米下空氣壓力）抽到26419Pa（1萬米下空氣壓力），需要多大的泵的問題。

根據真空抽氣時間公式：t=V/S*Ln（P初/P末）

動態真空抽速：S2=（19.3/5）*Ln（30725/26419）=2098m3/h

所以，1萬米下需要的總抽速是S=S1+S2=2965+2098=5063m3/h

根據上述方法依次計算不同高度下需要的真空總抽速，并列工況參數表2。

3 氣源供應系統設備選型

3.1 壓縮空氣供應子系統設備選型

3.1.1 空氣壓縮機選擇：選用一臺中壓空氣壓縮機，流量1800m3/h，額定壓力4.0MPa。

3.1.2 儲氣罐選擇：兩臺中壓儲氣罐，單臺容積20m3，設計壓力4.5Mpa

3.1.3 壓縮空氣后處理設備：一套過濾器流量2700m3/min，設計壓力4.5MPa，過濾精度達到1？滋。

3.2 氣源站真空供應子系統設備選型

真空泵的選型需要根據已計算完成的工況參數表，對照備選的真空泵性能曲線進行選擇，應使真空泵所有性能參數均滿足工況參數表之要求并留出20%抽速余量。由于本空間實驗艙的工況參數抽速要求較高，一臺真空泵無法滿足，故選用兩臺真空泵并聯方式。綜上所述選用2臺GHS5400真空泵。

參考文獻：

[1]林恬，等.真空實驗艙數字式壓力控制系統設計與驗證[J].航天器工程，2011（2）：102-106.

[2]張昱，等.容積室壓力的無模型自適應控制研究[J].計算機工程與應用，2008（36）：206-208.

[3]徐偉，等.高空艙真空度動態模擬系統研究[J].真空，2017（5）：22-26.