測量與控制分系統(measurement and control subsystem)是指環境控制生命保障系統參數測量與控制設備。環境控制和生命保障系統參數的測量與控制是判斷系統是否處於最佳工作狀態的依據。系統參數表征乘員的舒適水平和安全狀況以及儀器設備的工作環境的控制程度。因此系統參數的測量與控制是至關重要的。
基本介紹
- 中文名：測量控制分系統
- 外文名：Measurement control subsystem
- 學科：航空工程
- 領域：航空航天
- 釋義：環境控制生命保障系統參數測量
簡介,飛船環境控制與生命保障系統主要任務,技術要求,艙壓調節,供氣技術,座艙大氣溫濕度控制技術,
簡介
測量控制分系統(measurement and control subsystem)是指環境控制生命保障系統參數測量與控制設備。環境控制和生命保障系統參數的測量與控制是判斷系統是否處於最佳工作狀態的依據。系統參數表征乘員的舒適水平和安全狀況以及儀器設備的工作環境的控制程度。因此系統參數的測量與控制是至關重要的。
環境控制生命保障系統最重要的參數是艙內大氣總壓、氧分壓和大氣溫度等。艙內大氣總壓的測量與控制是保證乘員安全的重要方面，如果艙壓得不到保證將會直接危及乘員的生命安全。氧、氮、水蒸氣和二氧化碳是艙內大氣的主要成分，向來把這些參數的測量與控制放在重要地位。圭成分的測量有單項測量和綜合測量兩種，單項測量技術中氧氣分壓的測量是關鍵項目，可用的技術有極譜測氧技術、磁力機械式氧分壓測量儀和氧化鋯測氧技術等；二氧化碳的測量則有紅外法、輻射法和PH值測量法等。主成分的綜合監測技術有紫外綜合分析儀和磁質譜儀等。俄、美等國都研製成功了綜合分析儀安裝在本國的載人太空飛行器上使用。此外，還研製了檢測微量氣體的色譜/質譜聯用機。系統的主要物理參數有溫度、濕度和風速，以及流量、物質儲量等。溫、濕度和風速是航天員舒適度的主要參數，乘員可根據要求隨意調節。一些物質的儲量，例如氧氣和水的儲量對航天員安全保障極其重要，必須注意監測。
飛船環境控制與生命保障系統主要任務
(1) 確保返回艙和軌道艙內具有合適的大氣總壓和氧分壓;
(2) 提供航天員代謝所需的氧氣;
(3) 排除航天員代謝產生的CO2, 控制其他微量有害氣體的濃度在要求的範圍內;
(4) 控制返回艙和軌道艙內氣體的溫度、濕度, 為航天員提供合適的溫濕度環境和艙內通風條件;
(5) 為航天員提供飲水, 實施供水、冷凝水管理和食品管理;
(6) 收集和處理航天員生理代謝產生的廢物和艙內其他廢棄物;
(7) 具有煙火探測能力, 並備有相應的滅火措施;
(8) 飛船發生壓力應急時, 實施壓力應急轉換, 保障著航天服的航天員生命安全。
技術要求
技術要求主要來自飛船、航天員兩大系統及其相關係統的定性和定量的要求, 主要有:
(1) 航天員飛行人數及周期;
(2) 分系統設備允許的重量、體積、能耗;
(3) 艙內及航天服內大氣物理參數的控制要求;
(4) 航天員的生理醫學參數( 航天員不同狀態下的氧耗率、CO2排出率、產熱率、排濕率、以及飲水量、排尿量、一次大便量等) ;
(5) 系統的安全性和可靠性要求;
(6) 系統和部組件的環境試驗要求、電磁兼容性要求;
(7) 系統的邊界條件、限制因素和接口關係等。
艙壓調節
俄羅斯( 前蘇聯) 從第一代載人太空飛行器東方號開始就採用一個大氣壓的氧氮混合座艙大氣。不僅人的適應性好, 而且著火的危險性小, 安全性好。美國的前三代載人太空飛行器均採用了1/ 3 大氣壓的純氧座艙大氣。雖然此方案構成簡單, 較易實現。但安全性較差, 曾經出現過幾次火災。因此, 美國自太空梭起也改用了一個大氣壓氧氮混合座艙大氣。我國第一代載人飛船)——神舟0號飛船, 確定為最優良的一個大氣壓氧氮混合座艙大氣, 其中氧分壓略高於地面值。
飛船在軌飛行時, 艙內航天員的耗氧和艙體結構泄漏損失, 將使座艙的總壓和氧分壓下降, 因此, 必須由艙壓調節設備和氣源, 根據需要向艙內供氧/ 氮氣體, 調節控制艙內的總壓和氧分壓在要求範圍內。由系統參數檢測處理設備, 不斷地檢測艙內的總壓和氧分壓值, 經過分析處理後, 發出打開供氧或供氮閥的信號, 向艙內供氧或供氮氣。當艙內氧分壓低於控制帶下限值而總壓未低於下限值時, 只開供氧閥供氧到氧分壓控制上限; 當艙內總壓或總壓和氧分壓都低於控制帶下限值時, 必須先開供氧閥向艙內供氧, 直到氧分壓達到控制帶上限, 接著開供氮閥供氮, 直到艙總壓達到控制帶上限。保障艙內總壓和氧分壓始終控制在要求範圍內。
供氣技術
根據飛船的飛行周期、航天員耗氧率、座艙泄漏率、座艙容積及其泄/ 復壓次數等確定系統必須攜帶的氣體量。在載人太空飛行器環境控制與生命保障系統採用的供氣方法, 有氧/ 氮氣的高壓氣態貯存和低溫超臨界貯存, 以及產氧化合物( 超氧化鉀、超氧化鈉等) 的化學貯存。由於低溫超臨界貯存的貯存容器、供氣控制和貯量測量等方面有一定的技術難度; 以及低溫超臨界貯存的供氣速率, 受到超臨界貯存容器內部加熱器功率的限制; 產氧化合物化學貯存的供氣速率受到進入超氧化合物罐內氣體含水汽及CO2量的限制。為適應在軌飛行中可能出現的壓力應急供氣要求, 在用這兩種方法作為主供氣方案的載人太空飛行器上, 都設有高壓氣態貯存的輔助氣源, 以保障應急情況下大流量供氣的需要。因此, 確定在/ 神舟0號飛船上直接採用壓力為21MPa的高壓氣態貯存氧氮氣源供氣方案。
座艙大氣溫濕度控制技術
迄今為止的載人太空飛行器, 除美國最早的水星飛船外, 都採用了泵壓式冷卻液循環的主動溫控技術。根據“神舟”號飛船為三艙段的總體構型,船上熱量的分布及變化情況, 各艙段大氣環境及設備的溫控要求, 採用內外雙冷卻液循環迴路組成的飛船主動溫控方案。
這樣的雙冷卻液迴路方案, 不僅工作在密封艙的內迴路和在設備艙的外迴路較易選到更加適配的冷卻液工質; 而且全船的溫控調配能力強; 內冷卻液迴路的環境控制與生命保障系統和外冷卻迴路的熱控系統之間, 系統與飛船總體之間的任務及分工界面較清楚明確; 工程的實施操作性好。
環境控制與生命保障系統,根據艙內的熱負荷( 航天員產生的代謝熱, 設備產生的廢熱) , 以及通過密封艙艙壁的漏熱, 座艙大氣的溫濕度控制要求等, 進行內迴路的設計並與熱控系統的外迴路確定界面( 液/ 液) 熱交換器內外迴路的接口參數。根據降溫除濕原理及艙內熱濕量的大小和變化, 確定氣/ 液冷凝熱交換器及內迴路冷卻液循環系統的設計。內迴路冷卻液( 乙二醇水溶液) 收集軌道艙、返回艙熱負荷, 並進行熱的定向傳輸。在界面熱交換器傳輸給外迴路冷卻液, 由外迴路冷卻液帶到空間輻射散熱器排除, 保障內迴路冷卻液進入艙內的氣/ 液冷凝熱交換器, 降低流過冷凝熱交換器的氣體溫度, 氣體降溫後形成的冷凝水被鑲嵌在氣流通道中的導水和吸水材料吸附分離, 定期由航天員抽吸到冷凝水貯箱。根據艙內的熱負荷變化和控溫要求, 調節通過冷凝熱交換器的氣體流量。即使艙內在低熱負荷下, 也應保持一定的氣體流量通過冷凝熱交換器以滿足除濕要求。艙內部分熱載荷密度較大的設備, 主要由冷卻液通過設備的冷板帶走。就這樣,環境控制與生命保障系統為航天員和艙內設備創造一個適宜的大氣溫濕度環境。
