多舱段载人航天器氧分压控制仿真分析

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1、2015年8月北京航空航天大学学报August2015第4l卷第8期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．8http：,／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0565多舱段载人航天器氧分压控制仿真分析靳健+，徐进，侯永青(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要：为确保乘员安全性，载人航天器需通过氧分压控制系

2、统将密封舱内的氧分压控制在指标范围内．提出了一种两舱段载人航天器密封舱氧分压控制系统数学模型，包括密封舱体、乘员、供氧组件、舱间通风(IMV)等多个子模块．通过与相关试验数据进行对比，证明了数学模型的准确性．针对由两个容积为60m3密封舱组成的组合体，利用该模型分析了乘员驻留位置、舱间通风量、氧分压监测模式对两舱氧分压的影响．结果表明：当舱间通风量为0．5m3／min且6人驻留在氧分压非主控舱时，两舱氧分压上限差别达到2．2kPa．两舱氧分压差别会随着舱间通风量的增加而减小．单舱监测模式和两舱监测模式对两舱

3、氧分压影响并不显著，当舱间通风量超过1．5m3／min时，两种控制模式的氧分压控制效果趋于一致．关键词：载人航天器；密封舱；氧分压；舱间通风(IMV)；监测模式中图分类号：V476文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)08-1409-07载人航天器密封舱氧分压控制系统的作用是在密封舱内制造出与地面环境类似的氧分压范围，是支持乘员在轨驻留的最重要子系统之一．文献[1．3]对目前常见的载人航天器的氧分压控制系统设计进行了介绍，范剑峰和黄祖蔚”1描述了载人飞船的氧分压控制系统设计，Antonacc

4、i等¨。介绍了自动转移飞行器(AutomatedTransferVehi-cle，ATV)的氧分压控制系统设计，Anderson和Martin¨1描述了阿波罗登月舱的氧分压控制系统设计，Mitchell等¨o则对和平号空间站的氧分压控制系统进行了概述，文献[8-9]针对国际空间站的氧分压控制系统设计进行了总结．国外载人航天型号均配备消耗性氧气瓶作为气源，通过氧分压传感器实时监测舱内氧分压，当空气氧分压水平达到下限时，启动补气组件，气体由高压气瓶经减压阀和供气管路以设定的速率流入密封舱内，当空气氧分压达到上限

5、时，补气过程结束．目前的载人航天器型号多为由若干密封舱段在轨组装形成的组合体，如“国际空间站”、“和平号空间站”，我国发射的天宫一号在轨期间也多次与载人飞船对接形成两舱组合体．对于这种载人航天器组合体，通常是由单个舱段负责整个组合体密封舱的氧分压控制．在载人航天器密封舱气压控制方面，徐向华等¨叫利用集总参数模型和理想气体模型分析了密封舱内氧分压和总压的控制情况，揭示了密封舱内总压和氧分压处于波动状态，且受乘员代谢水平影响．芮嘉白等¨u分析得出了密封舱内氧分压和总压变化规律的解析解，并将计算结果与试验结果进行

6、比分．靳健等¨引建立了密封舱大气环境集成数学模型，分析了单舱密封舱内总压和氧分压随乘员驻留时间的变化趋势．收稿日期：2014-09．15；录用日期：2014—11—18；网络出版时间：2015-01-2314：28网络出版地址：WWW．enki．net／kems／detailZll．2625．V．20150123．1428．002．html基金项目：国家重大工程技术专项+通讯作者：靳健(1980一)，男，北京人，高级工程师，jinjian0331@126．COrn，主要研究方向为载人航天器热管理系统和载人环

7、境控制系统设计．引用格式：靳健，徐进，侯永膏．多舱段载人航天器氧分压控制仿真分析fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41f8)：1409—1415．1inJ，xuJ，HouYQ．SimulationanalysisonoxygenpartiMpressurecontrolofmulti-cabinmannedspacecrafttj]．JournalofBei—ringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41f8)：1409-1415(inChines

8、e)．1410北京航空航天大学学报2015年综上所述，目前关于密封舱氧分压控制的研究工作主要集中在单舱范围．多舱段组合体是目前载人航天器最常见的结构形式，组合体氧分压控制比单舱情况更复杂，涉及到舱间传质速率、乘员驻留位置、各舱氧分压监控策略等多种因素．本文利用集总参数法建立了两舱段载人航天器密封舱氧分压控制系统数学模型，利用关键性能参数、代数方程、微分方程对密封舱气压控制系统各个关键部件的性能进行了描述，从而形成