载人航天器热控制技术问题探讨

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1、载人航天2010年第2期工程报告载人航天器热控制技术问题探讨范含林黄家荣(北京空间飞行器总体设计部)摘要载人航天器所采用的热控制技术与一般卫星的有较大不同，尤其是主动流体回路热控，以及载人飞行必需的密封舱环境保障，使得载人航天器热控制技术的重点发生了变化，因此有针对性地进行研究和探讨，提出可行的解决方案是十分必要的。关键词载人航天器热控制技术分类号V416．4文献标识码A文章编号1前言2密封舱环境控制的重点对于载人航天器而言，其热控制技术不仅要保证热控制分系统能达到总体所要求的性能和功能，即保证其结构部件、仪器设备在空间环境下处于一个合适的温度范围，能够正常

2、工作，还必须保证航天员所处的密封舱满足一定的温度、湿度条件，以及舱内气体流动速度。载人航天器热控分系统普遍采用以流体回路为核心的主动热控制技术，实现热量的收集、输运和排散，对于内部和外部热负荷的变化，通过各种调节的方式，控制回路之间的换热量和辐射器向外部空间的散热量。进而控制不同的舱段在要求的温度水平上11121。国际上开展载人航天活动已经将近半个世纪，我国也已经进行了三次载人飞行，取得了巨大的成功，其热控制技术主要采用主动流体回路，在轨飞行工作正常131。随着空间实验室和空间站的研制，在主动热控制技术方面面临着新的技术挑战，需要开展一系列的研究工作，长期载

3、人航天器和短期载人航天器，以及一般的卫星相比，其设计理念和关注的重点也不尽相同。然而，无论采用什么样的设计和技术，在满足其功能和性能的前提下，所占用的资源消耗，如重量、功率、体积，乃至研制的风险和费用均是需要综合考虑的因素141。作为环境控制的重要参数，密封舱内空气的温度、湿度和流动速度需要加以控制，其中温度是最重要的参数，解决了温度问题，即通过各种主动和被动热控措施，保证密封舱内的气体温度水平和均匀性，则湿度问题基本上也可以解决。温度控制和湿度控制有一定的耦合关系，如果不加以控制，湿度一般呈增长的趋势，而温度则不然，根据热设计的情况，并随着内外热负荷的变化

4、，可能会在一个范围内变化，若控制不好，也可能出现单调上升或下降的趋势，并在某一个要求之外的温度上达到平衡。目前载人航天器采用的湿度控制方法基本上是通过冷凝换热器降温除湿来实现的，湿度的降低必然伴随着热量的迁移和温度的降低。因此，要较好地控制湿度，必须首先要控制好温度，如果温度控制出现问题，比如说。空气温度较低，那么此时的湿度控制也难以进行，因此可能会出现低温高湿的情况，不利于整体的温度和湿度控制。而湿度控制在整体热控制问题解决的情况下，主要需要解决单机能力的问题，即在长时间运行的情况下，冷凝换热器的除湿能力，以及其材料的性能退化等。以国际空间站日本“希望”号

5、实验舱为例，其舱温控制在18．3℃一26．7℃之间，舱内配置有两个冷凝干燥器，采用高效板翅式换热器设计。来稿日期：2010-03-08；修回日期：2010-04-18。作者简介：范含林(1961．10-)，男。硕士，研究员。主要从事航天器热控制技术和总体技术研究。40工程报告载人航天2010年第2期每台设备最低冷却换热量不小于2250W，足以满足温湿度控制的需要。3密封舱内空气温度的控制3．1密封舱能量平衡和维持空气温度的必要条件从上述分析可以看出，为了协调进行密封舱内温度和湿度控制，密封舱应该达到一个基本的能量平衡，即在要求的舱内空气温度的情况下，内部的热

6、负荷应该大于或等于密封舱的漏热、湿度控制所带走的热量、设备冷板所带走的热量之和。当密封舱在某一空气温度下处于热平衡状态时，其整体的能量平衡关系如下式所示：Q。-Q：-Q，一Q4=o(1)式中：Q，为密封舱内部航天员和设备等产生的热负荷总和；Q，为密封舱向空间的净漏热量；Q，为通过冷凝换热器带走的热量；Q4为通过冷板带走的热量。在载人航天初期，由于主要需要验证飞行器的相关技术，如载人飞行技术、出舱技术、交会对接技术等，安装在密封舱内有效载荷数量有限，为了保证达到舱内空气温度的要求，舱内热负荷应至少满足上述要求。而在舱内热负荷较小的情况下，尽量减少密封舱的漏热，

7、是维持密封舱温度的最有效措施，由于密封舱内的空气温度和湿度调节主要依靠冷凝换热器进行，应使密封舱内产生的热量尽量通过冷凝换热器进行排散，这样不仅可以较好地解决温度和湿度水平的控制问题，而且整个系统(包括冷凝换热器)可以有—个较大的控制范围。3．2减少密封舱的漏热目前在密封舱的热设计中，一般均在舱外采用多层隔热材料(Mu)，具有良好的隔热性能，但由于多层隔热材料的安装固定，以及搭接等因素的影响，其漏热量仍然不可忽略，不可能做到完全意义上的“绝热”，尤其在表面积较大的情况下，其整体的漏热量还是相当可观的，况且由于一些特殊的要求限制了多层隔热材料的使用，其漏热量更

8、加难以控制。除此之外，一些安装在舱外设备的漏热也是不