舱外航天服生命保障冷电联储系统性能分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013V01．34No．61285．1292ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．educn舱外航天服生命保障冷电联储系统性能分析王胜男1，李运泽1’*，周航1，周国栋21．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001912．中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094摘要：基于质子膜燃料电池(PEMFC)和热驱制冷，提出一种舱外航天服冷电联储方法，根据热力学总能理论，通过能量的梯级利用和不

2、同形式的能量联产来实现舱外航天服生命保障系统冷电联储、能源转化和环境控制一体化。对舱外航天服生命保障冷电联储系统进行了热力学分析，表明本文舱外航天服生命保障系统冷电联储方案与传统方案相比，能达到减少航天员出舱活动携带物品种类和提高能源利用率的目的。并重点对冷电联储系统储氢冷却器相关参数的选取对系统一次能源利用率及系统整体质量的影响进行分析，结果表明LaNi。和LmNi。Sno。较适合用于本文提出的舱外航天服生命保障冷电联储系统。关键词：舱外航天服；冷电联储；燃料电池；热驱制冷；储氢合金；生命保障中图分类号：V19文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)06—

3、1285—08航天员进行出舱探测活动(EVA)时将面临极度恶劣的空间环境，航天服成为航天员出舱的核心装备。航天服为航天员EVA提供必要的防护、供氧、供水、通风、控温和通讯等功能，复杂和多样化的功能分体设施使得航天员出舱时需携带繁重复杂的物品，不利于航天员高效工作。在供电和控温方面，目前国内外航天服多使用二次电池和水升华器的分体系统[1。4]。二次电池能量密度低、充放电寿命短，水升华器控温时需要消耗航天员所携带的水，不利于航天员的长期出舱探测活动。燃料电池较二次电池具有能量密度高和使用寿命长等优点，在地面及航天领域都有广泛应用[5。8]，其中质子膜燃料电池(PEMFC)在航

4、天领域的供电应用已得到良好的验证[7。8]。本文基于PEMFC技术将航天服生命保障系统中分体实现的供电和控温功能综合起来，根据热力学广义总能理论，通过能量的梯级利用和不同形式的能量联产来实现航天服生命保障系统冷电联储、能源转化和环境控制一体化，以达到减少航天员出舱活动携带物品种类、提高能源利用率和减轻航天员负担的目的。1冷电联储方案热力学总能理论凹1是一种基于工程热力学原理实现能量梯级利用的理论。从这个理论出发，综合考虑舱外航天服生命保障系统能量转换过程中能量的梯级利用，通过合理安排燃料电池与热驱制冷系统等组件问的热电关系，优化匹配热电系统构成，来满足舱外航天服生命保障系

5、统的供电控温需求，以期望获得系统最好的整体效果。图1为由燃料电池、金属氢化物储氢冷却器和热驱制冷系统等构成的舱外航天服生命保障冷收稿日期：2012-12-12；退修日期：2013-01-07；录用日期：2013·03—05；网络出版时间：2013—03—1213：26网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201303121326．001html基金项目：人因工程重点实验室开放基金(HF201

6、-K-05)*通讯作者Tel：010-82338778E-mail：liyunze@buaaedu．cn引搠格式

7、WangSN．LiYZ

8、。ZhouH．eta1．Characteristicanalys『sofextravehicularspacesuitlifesuppoⅣcoolmg-powerintegratedsys—tern．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013，34(6)：1285-1292．I鞋男．李运泽，周航．等舱外航天瑕生命保唪冷电联储系统性能分析?航空学报．2013，34(6)：1285-1292÷航空学报电联储系统。选用氢氧燃料电池为航天服提供所需电量，所需氢气由储氢冷却器提供；燃料电池发电的同时产生一部分热量Qn，利用这部分热量驱动热驱制冷

9、系统吸收部分航天服废热。航天服内的产热包括人体代谢废热和生命保障系统电子设备放热，这些热量一部分由热驱制冷系统的蒸发器吸收(图1中Q0)，并最终经辐射散热器排出航天服(总散热量为Q。a—Q0+Qn)；另一部分被储氢冷却器吸收(图1中Q。)，为储氢冷却器内金属氢化物的放氢过程提供所需热量。图中：t。t和t。。分别为生命保障系统冷却工质的出口温度和人口温度；Q。为储氢冷却器的放氢制冷量。整个系统在得到所需电能的同时，利用燃料电池发电产热及储氢冷却器放氢吸热的特性，得到所需冷量，从而实现舱外航天服生命保障系统的冷电联储和能量梯级利用