空间站热分析综述

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1、第30卷第5期航天器环境工程2013年10月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING467空间站热分析综述112付仕明，魏传锋，李劲东（1.中国空间技术研究院载人航天总体部；2.北京空间飞行器总体设计部：北京100094）摘要：作为空间站研制、试验和运行管理的重要基础，系统级热分析已在国内外广泛开展。文章对空间站舱内空气流动分析、温湿度控制分析和以流体回路为核心的整体热建模分析等进行了综述，以国际空间站为重点介绍了这些技术的发展、实施方法、技术特点和作用。关键词：空间站；热分析；热数学模型；温湿度控制；流体回路中图分类号：V423.7;V4

2、76.1文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)05-0467-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2013.05.0030引言以及CFD软件与SINDA软件的集成方法。Andreas[4]等分析了机柜内的空气流动情况，由于机柜的独空间站的热分析特别是系统级热分析，是一项[5]立性，分析上应该和乘员区流场有所区别。Klym重要而复杂的基础工作。由于空间站系统庞大，各对ISS采用的典型分布式通风方案进行了详细的分系统间强烈耦合、相互影响，热分析通常要综合分析，认为采用分布式送风系统的主要缺陷是设备考虑电源、环控生保、结构、乘员

3、及热控等分系统；的总质量较集中式送风系统大；优点是系统的性能需要对热量的收集、传输、利用及排散等过程进行和可扩展性都非常好，且系统的组装可分开进行，分析；涉及辐射换热，通风对流换热，导热，气体[6-7]分布式送风的单次组装质量并不大。Son等用试组分扩散与控制，以及空气温湿度控制等复杂的传验手段分多种情况研究了ISS的美国实验舱内的热、传质过程。因此，空间站热分析的工作量和难空气速度分布情况，研究中考虑了机柜通风和舱间度是其他航天器无法比拟的。通风的影响，特别是文献[7]还将试验结果同用本文以国际空间站（ISS）为背景，从舱内空气FLUENT软件获得的数值仿真结果

4、进行了对比，结流动分析、温湿度控制分析和以流体回路为核心的果表明数值仿真方法是非常有效的。此后有关ISS整体热建模分析三个方面系统地介绍空间站热分析舱内空气流动的研究几乎都是基于数值仿真方法，的国内外研究进展情况，旨在支持空间站的系统级[8]而不再进行试验验证。Zapata用FLUENT5分析设计。了ISS的Cupola舱内的通风和温湿度特性，对不1舱内空气流动分析同工况下的空气速度分布情况进行了较详细的研[9]国外已有的研究表明，采用计算流体动力学究。Speiser用CFD软件详细分析了ISS的Node1[10]（CFD）软件对空间站密封舱内的空气流动进行仿舱内

5、空气流速分布情况。Son用CFD方法模拟了真研究并辅以试验验证是一种非常有效的技术途ISS（共12个舱）整体组装完毕后的空气流动情况。[1]随着国内载人航天计划的开展，载人航天器内径。在ISS通风设计中，利用CFD软件分析确[2][11]定了乘员活动区采用上送下回的循环送风方式。空气流动分析研究也取得了不少成果。潘维等[3]针对目标飞行器的实验舱进行了空气速度场分析；Johannes等利用CFD软件分析了微重力条件下[12-13]实验舱机柜内的空气流场，给出了把CFD分析所付仕明等对空间站舱内的空气流速分布和舱获得的对流换热系数集成到热数学模型中的方法，间通风的影

6、响进行了分析；为了描述通风量变化对————————————收稿日期：2013-04-22；修回日期：2013-09-16基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：付仕明（1978—），男，博士学位，高级工程师，主要从事大型航天器热试验、热管理及载人环境的相关研究。E-mail:fushiming2001@163.com。468航天器环境工程第30卷舱内空气速度分布的影响，文献[14]引入“流量裕了ISS的温湿度控制模拟的线性模型。他们的研究度”的概念，评价实际通风量相对设计值的变化对都以热量平衡方程为基础，设定舱内露点，结合湿舱内空气速度分布的影响；文献[15]针对

7、空间站的空气的饱和压力等，实现舱内空气温湿度控制系统狭小空间，提出了对乘员睡眠区内的CO2扩散问题的模拟。[22]的分析方法，获得了睡眠区通风不良时航天员的最国内，黄家荣等采用CFD方法对空间站密[16][23]长可停留时间；韩海鹰等对标准机柜内部通风换封舱内的湿度场分布进行了分析；付仕明等在完热的风量、风道设计和通风温度等影响因素进行了成空间站热湿载荷分析后，基于湿空气的热量平衡分析。和水汽质量平衡，推导出空间站舱内空气的含湿量综上所述，数值仿真方法（特别是CFD方法）方程和焓方程，对空间站的温湿度控制特性进行了在分析舱内空气流动方面是非常有效的，其主要应分析。

8、用包括：综