國(guó)際空間站氣密艙內(nèi)氣體溫度與溫濕度對(duì)消防員熱環(huán)境的影響

國(guó)際空間站氣密艙內(nèi)氣體溫度與溫濕度對(duì)消防員熱環(huán)境的影響

1保持熱環(huán)境監(jiān)測(cè)熱管理系統(tǒng)的任務(wù)是在所有狀態(tài)下提供和維護(hù)科學(xué)家、設(shè)備、結(jié)構(gòu)部件和有效載荷所要求的熱環(huán)境（溫度、濕度和風(fēng)速），以維持該系統(tǒng)。熱控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)整個(gè)空間站的熱管理,也就是統(tǒng)一地收集、分配、傳遞、貯存、利用、排散或提供熱來(lái)完成任務(wù)。1.1溫度設(shè)定要求與其他航天器一樣,空間站上大量電子設(shè)備與控制設(shè)備的溫度要求為-5℃～45℃。但是,大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,儀器設(shè)備中約80%達(dá)到最佳功能以及滿足長(zhǎng)期正常工作(10～15年)所希望的溫度為20℃±5℃。1.2運(yùn)動(dòng)員的熱環(huán)境要求1.2.1氣體溫度與濕度根據(jù)對(duì)載人航天器與航天員的測(cè)試結(jié)果表明,載人航天器氣密艙內(nèi)氣體溫度影響航天員的生理和心理健康。當(dāng)氣體溫度超過(guò)25℃時(shí),航天員的工作能力開(kāi)始下降;當(dāng)溫度超過(guò)30℃時(shí),航天員的工作能力降低40%或更多。同樣,氣體溫度偏低也會(huì)影響航天員舒適程度與工作能力。氣體相對(duì)濕度除影響航天員的舒適程度外,當(dāng)相對(duì)濕度偏高時(shí),將可能在低溫表面出現(xiàn)水蒸汽冷凝或生物膜和霉菌,影響載人航天器與航天員的安全。氣體溫度與濕度水平對(duì)航天員舒適程度的影響見(jiàn)表1。由表1可以看出,航天員在太空生活的最舒適的熱環(huán)境是:氣體溫度為18.5℃～24℃,相對(duì)濕度為28%～65%。但是,由于各種條件的限制,當(dāng)今載人航天器的實(shí)際熱環(huán)境均不同程度地超出了航天員舒適程度的范圍,表2列出了美國(guó)載人航天器的熱環(huán)境。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)與各種條件的可能,要求國(guó)際空間站氣密艙內(nèi)航天員活動(dòng)區(qū)的氣體溫度與相對(duì)濕度為:溫度:18℃～27℃;相對(duì)濕度:30%～70%。1.2.2防止艙壁結(jié)露對(duì)載人航天器氣密艙壁溫度要求是:(1)在艙內(nèi)不同氣體溫度和濕度水平條件下,保持艙壁溫度高于露點(diǎn)溫度,以防止艙壁結(jié)露;(2)保持艙壁溫度與艙內(nèi)氣體溫度之間的溫差最小,或是艙壁溫度與氣體溫度的平均值接近氣體溫度,以使航天員與艙壁間的輻射換熱降至最小,使航天員有舒適的溫度環(huán)境;(3)為航天員提供安全限度內(nèi)的接觸溫度。為滿足以上要求,國(guó)際空間站氣密艙、航天員活動(dòng)區(qū)與氣體相接觸的艙壁溫度允許的范圍是16.7℃～45℃。1.2.3內(nèi)部氣體密度的風(fēng)速要求(1)自然對(duì)流的影響空間站在軌道上運(yùn)行處于微重力環(huán)境,氣密艙內(nèi)氣體沒(méi)有自然對(duì)流,必須使其受迫循環(huán),以避免CO2氣體和儀器設(shè)備發(fā)熱在局部地區(qū)濃縮或聚集。試驗(yàn)表明,航天員對(duì)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速感到舒適的范圍為0.08～0.2m/s。(2)儀器區(qū)域的風(fēng)速氣密艙內(nèi)儀器區(qū)氣體的運(yùn)動(dòng)速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于航天員活動(dòng)區(qū)的氣體速度,才能達(dá)到換熱的目的,因此要根據(jù)換熱的需要來(lái)確定儀器區(qū)氣體的運(yùn)動(dòng)速度。2國(guó)際空間站熱態(tài)的特點(diǎn)國(guó)際空間站的熱控系統(tǒng)與目前國(guó)際上在軌飛行和在研航天器的熱控系統(tǒng)相比,具有如下一些特點(diǎn):(1)堅(jiān)持熱控措施,保證站的熱平衡國(guó)際空間站是當(dāng)今世界上最龐大的航天器,其尺寸為108m×74m,氣密艙容積為1202m3,總質(zhì)量為415t,總功率為110kW,其中74kW用于研究項(xiàng)目。整個(gè)空間站由6個(gè)科學(xué)研究用的壓力艙(美國(guó)2個(gè)、俄羅斯2個(gè)、歐洲航天局1個(gè)、日本1個(gè)),美國(guó)和俄羅斯的居住艙、對(duì)接艙和氣閘艙,以及大量的科學(xué)儀器和技術(shù)設(shè)備的外部安裝場(chǎng)地等組成,可以允許7名航天員同時(shí)在站上長(zhǎng)期工作和生活。熱控系統(tǒng)要在如此大的面積和體積上,如此多的設(shè)備和部件上,保證每個(gè)儀器設(shè)備和結(jié)構(gòu)部件的熱環(huán)境;要把約150kW(110kW功耗,加上功率分配、蓄電池系統(tǒng)熱損失和人體代謝熱)的總功率排散至外部空間,保持站的熱平衡;要保證7名航天員在氣密艙內(nèi)的熱環(huán)境(包括氣體溫度、濕度和風(fēng)速)必須采用以被動(dòng)熱控為輔、主動(dòng)熱控為主的多種熱控措施,其中包括艙內(nèi)風(fēng)冷系統(tǒng)、內(nèi)部液體回路系統(tǒng)、外部液體冷卻回路系統(tǒng)、展開(kāi)式輻射器、電加熱與恒溫控制系統(tǒng)等。熱控系統(tǒng)與空間站上的每個(gè)系統(tǒng)都有聯(lián)系,要在長(zhǎng)距離上搜集每個(gè)設(shè)備和有效載荷的熱量、測(cè)量它們的溫度,并布置大量的加熱器保證低溫表面和低溫儀器的溫度,這就使國(guó)際空間站的熱控系統(tǒng)成為當(dāng)今航天器上熱控系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)。而且,國(guó)際空間站上的熱控系統(tǒng)也是最昂貴和最重的系統(tǒng),它的費(fèi)用占空間站硬件總費(fèi)用的5%～7%,重量占空間站總重量的7%～12%。(2)儀器設(shè)備的環(huán)境國(guó)際空間站的設(shè)計(jì)工作壽命為10～15年,這就要求站上的儀器設(shè)備和有效載荷能長(zhǎng)期正常運(yùn)行和工作。通常,航天器內(nèi)儀器設(shè)備要求的溫度為0℃～45℃。然而,對(duì)于工作壽命超過(guò)10年的長(zhǎng)壽命航天器,如果儀器設(shè)備長(zhǎng)期在環(huán)境溫度低限或高限附近工作,或在高限與低限之間來(lái)回波動(dòng)下工作,就有可能使其元器件或儀器失效。所以,通常航天器對(duì)儀器設(shè)備環(huán)境溫度的要求,不能適用于長(zhǎng)壽命航天器儀器設(shè)備正常可靠工作的要求。為保證國(guó)際空間站上大多數(shù)有效載荷和儀器設(shè)備(約占80%)達(dá)到最佳的功能和長(zhǎng)期可靠的工作,要求環(huán)境溫度為20℃±5℃;要保證航天員能長(zhǎng)期工作和生活,必須提供舒適的熱環(huán)境(溫度、濕度和風(fēng)速),而且要求的氣體控溫精度也很高。(3)俄羅斯艙和壓力艙輻射器國(guó)際空間站上布置有外部冷卻回路的兩塊大型展開(kāi)式中心熱輻射器,電源冷卻回路的兩塊展開(kāi)式輻射器、一塊俄羅斯艙的展開(kāi)式輻射器,以及布置在壓力艙表面的艙體輻射器和艙體表面的被動(dòng)熱控散熱面,能把站上最大的熱負(fù)荷排散至空間。熱控措施中的高效換熱冷板能把高熱耗設(shè)備(大于lkW)的熱負(fù)荷帶走,保證所要求的溫度范圍。(4)旁路和熱壓國(guó)際空間站艙外的液體冷卻回路、艙內(nèi)的液體冷卻回路、艙內(nèi)的氣體冷卻回路都是按照最大熱負(fù)荷設(shè)計(jì)的,而且還采用了旁路控制方法,在內(nèi)外熱源變化時(shí)能進(jìn)行熱量調(diào)控,從而保證回路控制點(diǎn)(關(guān)鍵點(diǎn))的液體或氣體溫度在設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi)。另外,空間站在局部的艙壁、管路和儀器的低溫表面還布置了大量的電加熱器,這也增加了整個(gè)空間站熱量的調(diào)控能力與調(diào)控的靈活性。(5)熱控制系統(tǒng)的可靠性要求由于航天員要在空間站上長(zhǎng)期生活與工作,儀器設(shè)備能工作10～15年,因此要求熱控系統(tǒng)必須具有高的可靠性與安全性。在設(shè)計(jì)熱控系統(tǒng)時(shí),不僅要求系統(tǒng)具有足夠的散熱能力和余量、展開(kāi)式輻射器能承受空間微流星或碎片的撞擊,而且冷卻回路中的一部分,以及回路中的轉(zhuǎn)動(dòng)部件和控制部件適當(dāng)采用備份。(6)統(tǒng)一的熱管理,是熱控意識(shí)不強(qiáng)、可調(diào)溫國(guó)際空間站由主結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的太陽(yáng)帆板和輻射器板、多個(gè)獨(dú)立的艙和艙外儀器設(shè)備等組成。獨(dú)立的艙段和儀器設(shè)備,有的發(fā)熱量大、有的發(fā)熱功率密度大,必須散熱;有的發(fā)熱量小或不發(fā)熱,但要求保持一定的溫度環(huán)境;有的在一個(gè)運(yùn)行軌道周期里發(fā)熱功率變化很大,但要求具有穩(wěn)定的溫度;有的要求較高的控溫精度等,為此,必須對(duì)空間站進(jìn)行統(tǒng)一的熱管理。所謂統(tǒng)一的熱管理就是通過(guò)統(tǒng)一采取被動(dòng)熱控、內(nèi)外冷卻回路、風(fēng)冷回路,加熱系統(tǒng)等熱控措施來(lái)收集、分配、傳輸、利用熱量,再通過(guò)輻射器把多余的熱量排散至空間。國(guó)際空間站進(jìn)行統(tǒng)一熱管理后,有效地解決了復(fù)雜的熱控問(wèn)題。3熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)國(guó)際空間站的熱控系統(tǒng)方案是在過(guò)去載人航天器成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的,特別是采用了在“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站、航天飛機(jī)和空間站上曾經(jīng)采用的先進(jìn)主動(dòng)與被動(dòng)熱控技術(shù),其中主動(dòng)熱控技術(shù)包括內(nèi)外液體回路、輻射器、風(fēng)冷回路和電加熱等,被動(dòng)熱技術(shù)包括涂層、多層隔熱等。在國(guó)際空間站之前,即美國(guó)設(shè)計(jì)的“自由”號(hào)空間站的熱控系統(tǒng)采用的是由被動(dòng)熱控系統(tǒng)和主動(dòng)熱控系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。1993年9月,由于俄羅斯的參加,“自由”號(hào)空間站改名為“阿爾法”國(guó)際空間站,直接稱為國(guó)際空間站。原“自由”號(hào)空間站采用的熱控系統(tǒng)的大部分技術(shù)都應(yīng)用到國(guó)際空間站熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。在國(guó)際空間站論證與演變的過(guò)程中,其熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變化主要是外部和內(nèi)部主動(dòng)熱控系統(tǒng)的變化。在“自由”號(hào)空間站和國(guó)際空間站論證階段,其外部主動(dòng)熱控系統(tǒng)采用的是機(jī)械泵式氨兩相流回路。兩相流回路與單相流回路相比,在相類似的冷卻要求下,兩相流質(zhì)量流較小、工質(zhì)質(zhì)量輕、功耗低,管路系統(tǒng)以及泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和尺寸小;而且兩相流回路能反映熱負(fù)荷的變化、調(diào)節(jié)快速,并能對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器提供近于恒熱的條件。但是,直到現(xiàn)在,兩相流回路系統(tǒng)也不能滿足空間站可靠工作10～15年的要求。鑒于此,國(guó)際空間站論證階段就將其外部主動(dòng)熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)改為航天飛機(jī)采用的單相冷卻回路系統(tǒng),其工質(zhì)由氟里昂改為氨。原設(shè)計(jì)采用3個(gè)外部主動(dòng)熱控系統(tǒng)回路,后來(lái)由于俄羅斯艙的加入,部分儀器設(shè)備裝載在俄羅斯艙里,并由俄羅斯艙自身獨(dú)立的熱控系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,使原熱設(shè)計(jì)的冷卻需求量減小。因此,最后國(guó)際空間站的外部主動(dòng)熱控系統(tǒng)由3個(gè)回路改為兩個(gè)單相回路。在“自由”號(hào)空間站的設(shè)計(jì)方案中,其內(nèi)回路主動(dòng)熱控系統(tǒng)采用的是3類單相水回路,后來(lái)的國(guó)際空間站簡(jiǎn)化為兩類單相水回路,即一類為低溫回路,另一類為中溫回路。4其他系統(tǒng)組成國(guó)際空間站的熱控系統(tǒng)主要由被動(dòng)熱控系統(tǒng)、外部冷卻回路系統(tǒng)、內(nèi)部冷卻回路系統(tǒng)、電池冷卻回路系統(tǒng)、風(fēng)冷回路系統(tǒng)、俄羅斯艙熱控系統(tǒng)、輻射器系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)等組成。圖1表示了國(guó)際空間站的主動(dòng)熱控系統(tǒng)方塊圖。4.1被動(dòng)熱態(tài)系統(tǒng)4.1.1涂層的一般特性國(guó)際空間站外表面涂層用于控制太陽(yáng)能吸收和紅外輻射特性,以控制外表面的溫度?？臻g站設(shè)計(jì)壽命為10～15年,長(zhǎng)期在近地軌道運(yùn)行,因此涂層必須具有良好的抗紫外輻射、原子氧、粒子輻射、離子影響和熱循環(huán)退化的特性。國(guó)際空間站上使用的熱控涂層有:用于輻射器表面的低太陽(yáng)吸收率和高紅外發(fā)射率涂層,用于多層隔熱材料外表面的β布涂層,用于防護(hù)微流星的鋁陽(yáng)極氧化涂層等。4.1.2多層隔熱材料除散熱面外,空間站艙體的全部外表面均包扎多層隔熱材料。多層隔熱材料由雙面鍍鋁薄膜和隔熱網(wǎng)交錯(cuò)組成,通常為20單元,厚度約5mm,比重約12kg/m3。多層隔熱材料用鈕扣連接到艙體結(jié)構(gòu)上,其材料組件之間用尼龍搭扣封接。4.1.3外表面聚酰亞胺薄膜泡沫塑料用于包扎艙內(nèi)的低溫表面與部件,例如艙內(nèi)泵、閥和管路的表面等。在泡沫塑料的外表面再包扎一層鍍纖維玻璃的聚酰亞胺薄膜。其組合的比重為32kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.029W/m·k。4.1.4材料的熱水填充導(dǎo)熱填料用于高發(fā)熱量的儀器安裝面。4.1.5隔熱墊由鈦箔組成的多層隔熱墊用于艙外儀器設(shè)備和微流星防護(hù)層與構(gòu)架的安裝處隔熱。4.2外部冷卻回路系統(tǒng)國(guó)際空間站的外部冷卻回路系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的氨單相流回路系統(tǒng)組成。每個(gè)回路又由各自的單相泵組件、補(bǔ)償器、控制單元、冷板、快速斷接器、可旋轉(zhuǎn)的輻射器翼、溫控閥、自鎖閥、低溫?fù)Q熱器、中溫?fù)Q熱器和各種傳感器等組成。外部冷卻回路系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2所示。如圖2所示,兩個(gè)獨(dú)立的單相流回路并行工作,當(dāng)一個(gè)回路失效時(shí),另一個(gè)回路能在低熱負(fù)荷下起備份作用。外部冷卻回路進(jìn)入低溫?fù)Q熱器工質(zhì)的溫度為0.5℃～3.9℃,為保證內(nèi)部冷卻回路水工質(zhì)不凍結(jié),必須精確控制溫度。4.3居住艙內(nèi)部冷卻回路系統(tǒng)組成國(guó)際空間站的內(nèi)部冷卻回路系統(tǒng)布置在氣密力艙內(nèi)部,用于吸收艙內(nèi)儀器設(shè)備和航天員產(chǎn)生的熱量,然后把熱傳遞給中間換熱器,再由中間換熱器傳遞給外部冷卻回路系統(tǒng)。居住艙內(nèi)部冷卻回路系統(tǒng)由兩個(gè)單相水回路組成:一個(gè)是低溫水回路,把溫度為0.6℃～6℃的水輸送給冷凝干燥器,冷凝干燥器吸收氣體中的熱量,用來(lái)調(diào)節(jié)氣體的溫度和濕度;另一個(gè)是中溫水回路,用溫度為13℃～18℃的水冷卻安裝在不同冷板上的電子儀器設(shè)備。居住艙內(nèi)部冷卻回路系統(tǒng)主要由泵組件、補(bǔ)償器、冷板、冷凝干燥器、低溫和中溫?fù)Q熱器和溫控閥等組成,見(jiàn)圖3所示。同樣,國(guó)際空間站上的歐洲艙、日本艙和美國(guó)節(jié)點(diǎn)艙2也有各自的內(nèi)部冷卻回路,所不同的是這些艙只有一個(gè)低溫?fù)Q熱器和一個(gè)中溫?fù)Q熱器。4.4電源冷卻回路系統(tǒng)國(guó)際空間站電源冷卻回路系統(tǒng)專門用于控制電源系統(tǒng)設(shè)備的溫度。電源系統(tǒng)的某些設(shè)備(例如蓄電池)對(duì)等溫化的要求相當(dāng)高,而充放電過(guò)程中發(fā)熱量變化倍率很大,電源系統(tǒng)的變壓與穩(wěn)壓設(shè)備、充放電控制設(shè)備的發(fā)熱量也很大,所以需要專門的冷卻回路系統(tǒng)來(lái)滿足電源系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度的要求。電源冷卻回路系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的單相流泵回路組成?；芈返墓べ|(zhì)是液態(tài)氨。每個(gè)回路各有一個(gè)由7個(gè)可拆卸的輻射器組成的翼,向空間排散熱量。輻射器有旋轉(zhuǎn)節(jié),可以在空間定向,以便輻射器在空間接收的外熱流最少,從而使輻射器具有很好的散熱能力。需要進(jìn)行冷卻的電源系統(tǒng)的儀器設(shè)備直接安裝在冷板上。4.5氣體冷卻回路國(guó)際空間站有多個(gè)獨(dú)立的氣密艙,包括美國(guó)艙、歐洲艙、日本艙和俄羅斯艙。除俄羅斯艙具有基本獨(dú)立的熱控系統(tǒng)外,其他艙的熱量都通過(guò)統(tǒng)一的內(nèi)外冷卻回路傳遞給兩塊中心輻射器翼和兩塊副輻射器翼排散至空間。但是,各個(gè)氣密艙的風(fēng)冷回路是獨(dú)立的,均由氣體冷卻回路和儀器設(shè)備風(fēng)冷回路組成。氣密艙氣體冷卻回路系統(tǒng)見(jiàn)圖4所示。由圖4可以看出,艙內(nèi)氣體冷卻回路通過(guò)風(fēng)機(jī)把熱濕氣體送至冷凝干燥器,在冷凝干燥器內(nèi)氣體把熱量傳遞給低溫0.6℃～6℃的水回路,氣體降溫。同時(shí),由于冷凝干燥器內(nèi)的水回路管壁溫度低于露點(diǎn)溫度,從而使氣體中的水蒸汽凝結(jié)在管壁上,冷凝水又被收集到水貯箱,被冷凝干燥后的氣體又回到艙內(nèi)。氣體冷卻回路中的旁路閥,可以根據(jù)氣體溫度的高低自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入冷凝干燥器被冷卻的熱氣體的風(fēng)量,從而控制艙內(nèi)氣體溫度在一定范圍內(nèi)?？刂七M(jìn)入冷凝干燥器風(fēng)量的傳感器是溫度傳感器,在控制艙內(nèi)氣體溫度的同時(shí),也保證了艙內(nèi)氣體的相對(duì)濕度。艙內(nèi)沒(méi)有另外的專用濕度調(diào)節(jié)設(shè)備。儀器設(shè)備風(fēng)冷回路,通過(guò)風(fēng)機(jī)把放置儀器設(shè)備機(jī)柜內(nèi)的熱氣體送到氣液換熱器,在氣液換熱器內(nèi)熱氣體把熱量傳給中溫(13℃～18℃)水回路,氣體降溫后又被送到機(jī)柜,來(lái)冷卻儀器設(shè)備。根據(jù)機(jī)柜內(nèi)需要排散走的熱量,決定流過(guò)儀器周圍的風(fēng)速,從而確定所需風(fēng)機(jī)的流量。通過(guò)這種閉式循環(huán),達(dá)到控制機(jī)柜內(nèi)儀器設(shè)備溫度的目的。4.6內(nèi)回路的熱傳播俄羅斯艙的熱控系統(tǒng)基本上是獨(dú)立地承擔(dān)艙內(nèi)部和外部的熱控任務(wù),艙內(nèi)氣體的溫度保持在18℃～28℃。約占艙體表面75%的面積,由艙體輻射器覆蓋,剩下的表面由多層隔熱材料覆蓋。內(nèi)回路的工質(zhì)是乙二醇水溶液,外回路的單相工質(zhì)是氨。氣體和儀器設(shè)備的熱量由內(nèi)回路吸收后傳遞給外回路,再由外回路的艙體輻射器把熱量排散至空間。俄羅斯艙內(nèi)還有一個(gè)氨兩相流外冷卻回路,熱量通過(guò)冷板收集,由7個(gè)換熱器傳到兩相流回路,再傳到熱管輻射器把熱排散至空間。熱管輻射器安裝在空間站的主結(jié)構(gòu)上,它能繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),使接收的外熱流最少。熱管長(zhǎng)2m,傳輸能力120W/每根熱管。之所以說(shuō)俄羅斯艙的熱控系統(tǒng)基本上是獨(dú)立的,是因?yàn)檠b在美國(guó)艙的熱交換器與俄羅斯艙有臨時(shí)性的熱交換能力。4.7展開(kāi)式輻射器國(guó)際空間站上的輻射器系統(tǒng)由展開(kāi)式輻射器和艙體輻射器組成。站上的大部分熱量通過(guò)展開(kāi)式輻射器排散至空間,只有俄羅斯艙裝有艙體輻射器。俄