載人低壓艙快速泄壓裝置的設計與研究

王 帥 毛 婷

（西安易盛泰和科技有限公司，陜西 西安 710000）

1 概述

隨著人類太空活動的發展，尤其是載人航天工程的建設實施，在地面進行載人高空環境模擬試驗成為保證發射和保障宇航員生命安全的一個必不可少的重要環節。

載人低壓艙是用來模擬高空飛行低氣壓環境的大型裝備，是航空生理研究、訓練、體格檢查以及機上氧氣裝備性能鑒定試驗的特殊試驗平臺[1]。

2 載人低壓艙快速泄壓裝置功能介紹

根據航空工業的發展及航空醫學研究需要，載人低壓艙需要實現單級迅速減和雙級迅速減壓兩種不同減壓環境。

2.1 單級迅速減壓

80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）[2]內壓差不超過60KPa 的任意壓力區間；減壓平衡時間：0.3s～0.5s 內可調。

2.2 雙級迅速減壓

初級減壓75KPa～35KPa（2500m～8150m）減壓時間0.5 ～1.2s，次級迅速減壓40KPa ～10KPa（7150m～16000m），減壓平衡時間：0.3s～0.5s 內可調。

3 總體設計說明

載人低壓艙快速泄壓裝置，主要由座艙、高空艙、第一喉道、第二喉道和抽空機組組成。座艙主要模擬飛機駕駛員的駕駛環境，高空艙模擬室外低氣壓環境，第一喉道+第二喉道不同組合模式，可實現單級減壓和迅速減壓兩種工況。采用抽空機組模擬不同海拔高度。

依據CCAR25.841 和FAR25.842 條款規定飛機座艙高度不超過4500m，如果超過4500m 會導致飛行員及乘客缺氧，進而昏迷，失去行動能力，導致飛行事故[3]。設計座艙高度不超過4500m，座艙尺寸為：1.2m×1.3m×1.8m。

首先在上位機上設置所控壓力的目標值，開啟真空泵組進行座艙和高空艙的相關抽空，待壓力傳感器檢測的值達到目標值時，關閉真空泵組。

3.1 單級迅速減壓模式

待座艙和高空艙分別到達壓力目標值，通過液壓裝置，快速打開第一喉道中的快開蝶閥（0.3s 開啟），此時調節蝶閥全部開啟，第二喉道閥門全部關閉，可實現單級快速減壓試驗。

3.2 單級迅速減壓時間調節模式

抽空前調節蝶閥開啟相應角度（參考表格2），快開蝶閥關閉。壓力達到目標值后，通過液壓裝置快速打開快開蝶閥（參考單級迅速減壓模式）。

3.3 雙級迅速減壓

一級減壓時，快速打開第一喉道閥門。壓力平衡后，快速打開第二喉道閥門，進行二級減壓。

3.4 雙級迅速減壓時間調節模式

試驗開始前，兩個調節蝶閥開啟相應角度。壓力達到目標值后，先后開啟第二喉道和第一喉道快開蝶閥，實現雙級減壓時間調節試驗。（圖1）

圖1 系統結構圖

4 高空艙容積設計

在壓力平衡過程中，兩艙體的壓力、通過閥門的流量隨著時間的變化而變化，流動狀態為一維絕熱過程。

依據理想氣體的狀態方式，座艙內的起始氣體質量

5 單級迅速減壓設計

管道長度L≤20d 的管道稱為短管，在計算短管流導時，應考慮入孔的影響。通常用入口孔與管道本身串聯后的總流導表示短管的流導。

表1 不同壓差下管道流導計算

在聯通管道直徑為1200mm 狀態下，管道流導為224m3/s 滿足單級減壓快速減壓過程。

為實現單級減壓時間在0.3s～0.5s 內可調，在快開閥門（打開時間0.2s）前置真空調節蝶閥。通過調節閥控制管道的流通面積，可控制泄壓時間。

表2 不同減壓時間，調節蝶閥開度統計

6 雙級迅速減壓設計

為75KPa～35KPa 的初級減壓，設計第二喉道進行初級減壓。在降壓過程的某一時刻t，座艙容器壓力P。經過時間dt 后，高空艙壓力降低到dP，則容器中減少的氣體量為VdP，經過時間dt 從閥孔流量的進氣量Qdt 二者相等。

t——平衡時間（包含閥門開啟時間，此閥門開啟時間為0.3s，即減壓時間在0.2s～0.9s 內達到降壓要求）。

表3 平衡時間和管道直徑計算

第二喉道管道直徑?300mm，在快開蝶閥前設置?300 的電動真空調節蝶閥，調節蝶閥可在0°～90°之間任意調整，輸出4～20mA 信號，通過電動調節蝶閥的角度調整，可調整管道通徑，進一步可實現0.5～1.2s 內減壓試驗。

由于座艙開始做70KPa～35KPa 的初級減壓試驗，必然導致負高空艙壓力升高。在進行次級減壓時，快速打開第二喉道（打開時間為0.2s）快開閥門，此時第一喉道處于原始狀態。

第一喉道和第二喉道屬于并聯連接方式，可計算管道總流導為：

表4 0.3s 平衡閥門開啟角度

表5 0.5s 平衡閥門開啟角度

當調節閥控制角度在20°～45°，可實現0.3～0.5s時間內壓力40KPa 平衡到10KPa。

7 抽空設計

在粗真空、低真空下，真空設備本身內表面的出氣量與設備總的氣體負荷相比，可以忽略不計。因而在粗真空、低真空情況下計算抽氣時間一般不需要考慮出氣的影響。[7]

表6 不同真空范圍劃分

為實現80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）的減壓需求，高空艙初始壓力位15Pa。由上表判斷位中真空范圍，不需要考慮出氣影響，計算抽空時間如下：

高空艙體積為144m3，第一喉道直徑?1200mm，第二喉道直徑?300，管道容積約6m3，管道長度約3m，因此總抽空容積按照150m3計算。綜合考慮真空泵性能，抽空時間，選擇旋片泵（三臺SV300）和羅茨泵（兩臺WAU2001）組合形式，進行抽空設計。（圖2）

圖2 抽空模型設計

表7 抽空時間計算

8 結論

8.1 通過理想氣體狀態方程和質量守恒原理，可確定高空艙容積。后續可依GB150《壓力容器設計》進行厚度計算。

8.2 依據不同減壓模式，文中詳細給出管道直徑、減壓時間、調節蝶閥起開角度等參考值，為后續試驗提供指導依據。

8.3 文中給出高空艙抽空機組選型，及抽空時間計算，為試驗準備過程提供指導依據。

8.4 此載人低壓艙快速泄壓裝置，可滿足目前我國不同減壓高度的航空裝備及航空醫學訓練試驗。