基本介紹
- 中文名：航天濕度與溫度控制設備
- 外文名：Aerospace Humidity And Temperature Control Equipment
- 作用：調節太空飛行器溫濕度過程
簡介,關鍵設備的除濕原理和運行技術分析,關鍵設備的除濕原理,運行技術,國際空間站各艙段溫濕度控制子系統,美國各艙段,其他國家或機構的艙段,降溫除濕工況降溫除濕共分兩個工況,航天服的濕度與溫度控制系統,
簡介
太空飛行器艙內空氣溫濕度控制是環控生保系統的一個重要分系統，用以確保航天員在舒適的環境中工作和生活。艙內的熱源主要來源於設備的產熱及人體的代謝熱；而濕度主要來源於人的呼吸作用及排汗。據統計，平均每人每天通過呼吸和排汗的方式所排出的水量為1800g。載人太空飛行器的溫濕度控制技術一般採用冷凝除濕的方法實現，稱為主動除濕；也有採用活性炭、分子篩吸附方式進行降溫除濕，又稱為被動除濕。
關鍵設備的除濕原理和運行技術分析
縱觀國際空間站各艙段的空氣溫濕度控制技術，無一例外均採用水蒸氣遇冷轉變為液相從而釋放熱量的技術原理。廢熱被主動熱控迴路工質帶走，最終排放到艙外太空。在實現降溫除濕過程中涉及兩個關鍵設備：一個是冷凝乾燥器，利用它來實現汽水初級分離；另一個是旋轉氣液分離器，利用它實現汽水二級分離。除此之外，國際空間站溫濕度控制子系統還用到多項運行技術，如拓撲組織結構、機櫃式安裝管理及自動控制等。
關鍵設備的除濕原理
冷凝乾燥器的除濕原理
在冷凝乾燥器中，相變後的冷凝水暫時駐留在乾燥器的波浪狀表層，之後冷凝乾燥器的吸濕層開始發揮作用：當形成的液滴被氣流吹到微孔時，微孔即利用毛細作用力將液滴引向乾燥器內層的儲水管，實現了氣液的初級分離，為下一步完全分離做好準備。
旋轉氣液分離器的除濕原理
在太空微重力條件下，氣液徹底分離是一大難題。不管是從液態中分離氣體，或是從氣體中分離出水，都不像在地面重力環境下那樣簡單。但由於水與空氣的比重差異巨大，在受同樣大小離心力作用下，液滴被旋轉盤甩出而氣體停留在旋轉腔中部。旋轉氣液分離器巧妙利用了離心力的作用將二者實現分離，分離出的水進入水循環再生子系統，氣體即被降溫除濕。
運行技術
拓撲組織結構技術
在結構上，由於多艙段以堆積木的形式對接組織在一起，相鄰艙間隔著艙門，通風管路可以穿過艙門從一艙到達另一艙，採用拓撲結構能方便地實現溫濕度控制子系統對艙段群的局部控制。如以實驗艙為中心，設定冷凝乾燥器，用通風管路將相鄰的節點艙I、II與實驗艙相連(歐空局多用途後勤艙的溫濕度也受實驗艙控制)。
拓撲組織結構設計可以避免每個須降溫除濕的密封艙都設定共用艙室空調組件，降溫除濕時，只需採用將較小的外圍艙的濕氣送至中央艙，經冷凝乾燥器乾燥後的氣體再被送回原艙的方式即可。實現以共用艙室空調組件為結點的溫濕度控制拓撲結構，提高了系統整合性及工作效率。
機櫃式安裝管理技術
與以往太空飛行器不同的是，國際空問站將有效載荷及大部分系統硬體集中安裝在載荷機櫃中，如電源模組、主動熱控模組、數據管理模組及實驗載荷模組等。機櫃式安裝管理理念在環控生保系統中也得到體現，如美國艙內的溫濕度控制硬體設備集中安裝在實驗艙右舷第6個機櫃中，便於集中管理。
自動控制技術
在降溫除濕過程中，出口的空氣參數由感測器監測，數據反饋給控制單元，控制單元由嵌入軟體程式執行操作：當空氣溫濕度達不到要求時，控制器自動加大溫控閥的開度，使出口空氣的溫濕度逐漸接近，直至達到預設目標值；當溫濕度超出要求時，控制器自動減小溫控閥的開度，以維持預設目標值。在整個工作過程中，航天員只需設定目標值，類似於地面空調的溫度設定。控制單元根據溫濕度需要，利用正比積分控制原理控制溫控止回閥的開度來調節氣流量。
國際空間站各艙段溫濕度控制子系統
環控生保系統包含多項功能，如氣體供給及控制、氣體再生、溫濕度控制、火災檢測與滅火、水循環再生、廢水管理等，NASA把航天員出艙活動的生命保障支持也納入環控生保系統範疇。環控生保系統的各項功能由多個子系統分別承擔，這些子系統並非孤立的，而是彼此之間存在多重交叉及聯繫。如溫濕度控制子系統有賴於氣體供給及控制子系統提供氣體才能發揮效用，而前者產生的冷凝水又成為水循環再生子系統的部分來源；火災檢測與滅火子系統的冷卻由溫濕度控制子系統承擔。國際空間站每個有人活動的艙內都設有溫濕度控制子系統，包括美國研製的4個密封艙及3個加壓對接適配器，俄羅斯研製的7個密封艙，歐洲空間局研製的5個密封艙，以及日本研製的最大密封艙。
美國各艙段
帶有氣體溫濕度控制子系統的美國艙段包括實驗艙，生活艙，氣閘艙，節點艙I、II[，以及I、II、III號加壓對接適配器。
硬體構成
艙內空氣溫濕度控制子系統主要包括3大模組：共用艙室空調組件，電子設備空調組件和艙間通風組件。其中共用艙室空調組件不但負責艙室除濕降溫，而且為溫濕度控制提供動力源，為該子系統的核心部件。
1.共用艙室空調組件
共用艙室空調組件包括入口可替換單元、冷凝乾燥器、旋轉氣液分離器及電子控制單元。該組件安裝在4個艙內，即實驗艙(2台)、生活艙(1台)、節點艙II(1台)及氣閘艙(1台)，其餘艙的溫濕度通過艙問通風組件受其控制。這4個艙熱載荷存在差異，它們的性能不盡相同。
冷凝乾燥器為一個四通道的冷卻水橫向交叉流動的結構，具有33個空氣流通層及34個冷卻層，安裝在有褶邊的不鏽鋼框架中。乾燥器內部有除濕單元，其表層為波浪狀，表層往下為隔板，上、下隔板(為對稱結構)之間為吸濕層；吸濕層的表面鍍有一層多孔滲水材料，防止液滴在表面形成，內嵌吸管，層間用32根吸管連線；多孔滲水材料還注入含銀的生物除菌劑，以抑制微生物的生長。乾燥器邊緣為降溫層，有冷凝水管道通過，用以降溫。
冷凝乾燥器分離器由旋轉鼓室、皮托管、離心風扇、安全閥(安全壓力為145kPa)、截止閥、壓力感測器、空氣止回閥以及流速感測器組成。皮托管嵌入並固定在環形旋轉水環中，旋轉離心力迫使冷凝水進入皮托管，穿過截止閥及安全閥，最終注入到液體冷凝管中。空氣止回閥用來防止水分離器不工作時空氣的回流，安全閥則防止冷凝水的回流，以及控制逆流壓。適當的背壓可保證冷凝水充滿皮托管，但要防止空氣溶解於冷凝水中。經過氣液分離後的空氣(含水量為0～5%)重回艙室，而收集的冷凝水被儲存到金屬儲箱中。
工作時，艙室空氣經過濾後被入口可替換單元吸入，後經溫控止回閥控制流量，一部分空氣流經冷凝乾燥器進行乾燥，冷凝水被吸入到多孔材料的小孔中；其餘空氣進入與旋轉氣液分離器相連的管道，由分離器繼續進行氣液分離，放出的熱量通過主動熱控迴路帶走；除濕冷卻後的空氣與旁路空氣在溫控止回閥的下游匯合，經出口重回艙室，即完成一次降溫除濕過程。控制單元共有6種指令、8種操作狀態，除濕後的空氣參數反饋給控制單元，而控制單元給內部計算機軟體配置項發出指令並控制組件做出特定動作。
冷凝乾燥器
冷凝乾燥器2.電子設備空調組件電子設備空調組件為火災檢測與滅火子系統提供冷卻空氣，電子設備空調組件是一個高度集成的袖珍型組件，集成有入出口消音器、煙霧檢測器、風扇、電動機、感測器、電子控制單元以及安裝支架等。該組件的工作參數為：氣流速度18.9～56.6L/s，冷卻水流速45.4～81.7kg/h，最大除熱功率1200W(指氣壓在101-3kPa時)。
電子設備空調組件
電子設備空調組件3.艙間通風組件
艙問通風組件包括風機、艙間通風閥、通風管路及高效微粒空氣過濾器(HEPA)等。該組件的主要功能是為沒有獨立配備溫濕度控制設備的艙室提供溫濕度控制並監測污染。艙問通風組件承擔艙室溫濕度的保持、氧氣的分配，以及二氧化碳、塵埃顆粒、有害微生物的清除等功能，同時還承擔空氣在整個空間站加壓艙問的循環任務。
其他國家或機構的艙段
1.俄羅斯艙段
俄羅斯艙段主要有服務艙(SM)、功能貨物艙(FGB)及生命支持艙(LSM)。SM內有2台冷凝乾燥器組件，LSM內也有2台。俄羅斯的冷凝乾燥器與美國的在結構上有很大差異，但工作原理相同。
俄羅斯艙
俄羅斯艙2.歐洲空間局艙段
歐洲空間局艙主要有哥倫布實驗艙(APM)和多用途後勤艙(MPLM)。APM具有獨立的溫濕度控制子系統，MPLM則通過通風管路由美國實驗艙控制。歐洲空間局的冷凝乾燥器組件在結構上與美國的相似，除濕原理相。艙內設有2台乾燥器(並聯安裝，除濕時，只有一台工作，另一台作備份)，乾燥器通道表面覆蓋親水材料蒙皮，且可對空氣進行除菌處理，吸管將蒙皮通向儲水器。兩台並聯安裝的好處除了互為備份之外，還可輪換工作，有利於抑制微生物的生長。
歐洲空間艙
歐洲空間艙3.日本艙段
日本艙段包含實驗艙(JEM)及實驗後勤艙(ELM)。其冷凝乾燥器及旋轉氣液分離器的原理與美國的相同，僅封裝略有區別。
日本艙
日本艙降溫除濕工況降溫除濕共分兩個工況
1.當俄羅斯相應艙段的氣體供應未輸送到美國實驗艙時，由艙室尾部的模組間通風風機工作作為補充；
2.當聯合氣閘艙對接之後，且沒有在聯合氣閘艙執行出艙活動時，則由艙室右舷部位的模組間通風風機工作作為補充。
航天服的濕度與溫度控制系統
保暖層：在環境溫度變化範圍不大的情況下，保暖層用以保持舒適的溫度環境。選用保暖性好、熱阻大、柔軟、重量輕的材料，如合成纖維絮片、羊毛和絲綿等。
內衣舒適層：太空人在長期飛行過程中不能洗換衣服，大量的皮脂、汗液等會污染內衣，故選用質地柔軟、吸濕性和透氣性良好的棉針織品製做。
