多艙段載人航天器CO2去除系統性能仿真分析

靳 健 侯永青

(中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京100094)

執行中長期乘員駐留任務的載人航天器通常是由多艙段在軌組裝形成的組合體，如和平號空間站、國際空間站.我國的目標飛行器在軌期間也通過交會對接與載人飛船形成兩艙組合體.載人航天任務過程中，為了保障航天員的生命安全和工作效率，必須在乘員駐留期間嚴格控制密封艙內的CO2分壓水平.由于各艙段密封艙通過艙門彼此連通，參考國外型號和我國載人航天器型號的設計經驗，組合體密封艙CO2分壓通常由1個或若干個艙段的空氣環境控制系統利用艙間通風進行集中控制［1-11］.

目前CO2去除系統性能分析方式通常是建立密封艙CFD仿真分析模型［12-15］，分析密封艙內的CO2分壓參數，這種設計方法側重點在流場分析而不是系統性能分析，存在如下不足:

1)難以對流場參數外的關鍵參數進行分析，且容易割裂各個參數間的相互影響;

2)艙段通常需要建立三維計算模型，由于艙段眾多，幾何模型建立和網格劃分工作量巨大;

3)為進行眾多的參數分析，需計算多個工況，而每個工況計算均需花費較多工時，總計算周期較長;

4)適合進行穩態分析，進行非穩態計算較為不便.

本文針對某三艙載人航天器組合體，利用參數、代數方程、微分方程對空氣環境控制系統各個關鍵部件的性能進行了描述，從而形成各個部件的數學模型，利用這些部件的數學模型搭建了載人航天器組合體CO2去除系統性能仿真分析模型，分析了乘員位置、乘員人數、艙間通風量、去除系統流量對各艙CO2分壓水平的影響.

1 CO2去除系統組成說明

本文的研究對象是一個由艙Ⅰ、艙Ⅱ和艙Ⅲ組裝形成的三艙段組合體，組合體密封艙CO2分壓由艙Ⅰ利用艙間通風進行集中控制，綜合參考國際空間站指標要求［8］和我國某在軌載人航天器型號，確定密封艙CO2分壓不高于700Pa，短時間內CO2分壓上限可以達到1000Pa.模型具體組成如下:

1)艙體.艙Ⅰ、艙Ⅱ和艙Ⅲ密封艙容積均為80 m3，三艙采用“一”字型組合體.

2)乘員.額定乘員3人，輪換期間乘員達到6人，假定各個乘員代謝參數一致，參考我國前期設計經驗，單個乘員的 CO2產出速率為0.0417 kg/h.

3)CO2去除裝置.參考我國前期載人航天器設計經驗，艙Ⅰ配備非再生式LiOH凈化罐和風機組件，風機組件從人區抽取空氣進入凈化罐去除CO2，空氣流量可以進行調節，艙Ⅱ和艙Ⅲ不配備CO2凈化系統.

4)艙間通風系統.在艙Ⅰ配備艙間通風風機和通風軟管，利用通風軟管將艙Ⅱ的空氣抽至艙Ⅰ，艙Ⅰ空氣通過對接通道回風至艙Ⅱ.在艙Ⅱ配備艙間通風風機和通風軟管，利用通風軟管將艙Ⅲ的空氣抽至艙Ⅱ，艙Ⅱ空氣通過對接通道回風至艙Ⅲ.艙間通風量可以進行調節.

綜上所述，載人航天器組合體密封艙CO2去除系統組成見圖1.

圖1 三艙組合體CO2去除系統組成Fig.1 Structure of CO2removal system of three-cabin human spacecraft

2 仿真分析模型

本文采用數學分析軟件Ecosimpro作為載人航天器空氣環境控制系統性能集成分析建模的基礎平臺，該軟件是ESA官方選用分析工具，曾成功用于國際空間站哥倫布艙空氣環境控制系統的設計與在軌性能分析工作，該軟件能夠對任何可以表示為微分代數方程(DAE)或者常微分方程的動態系統以及離散事件進行建模.

本文利用Ecosimpro平臺，通過一系列微分代數方程或常微分方程對CO2去除系統各個關鍵設備性能進行了定義，從而形成各個設備的數學模型.關鍵設備的主要控制方程描述如下.

1)艙體(cabin).

①空氣質量守恒方程:

其中，mj是艙內空氣中第j種組分的質量，kg;wi是流入艙內的空氣質量流量，kg/s;xi，j是流入艙內的空氣中第j種組分的質量分數;wo是流出艙內的空氣質量流量，kg/s;xo，j是流出艙內的空氣中第j種組分的質量分數;wl，j是乘員代謝產生的第j種空氣組分的質量流量，kg/s;Mair是艙內空氣總質量，kg;N是艙內空氣組分數目;xair，j是第j種組分的質量分數;yair，j是第j種組分摩爾分數;MWl是第l種組分的摩爾質量，g/mol;ρair是艙內空氣密度，kg/m3.

②空氣能量守恒方程:

其中，Uair是艙內空氣的內能，J;hi是流入艙內空氣的比焓，J/kg;ho是流出艙內的空氣比焓，J/kg;qair是加入空氣的總熱流，包括乘員代謝產熱、設備向人區的漏熱，W;u是艙內空氣的比內能，J/kg.

式(1)～式(7)確定了艙內空氣的密度ρ、比內能u和各種組分的摩爾分數yair，j，則艙內空氣狀態可以確定，艙內氣壓Pair、空氣溫度Tair和空氣比焓hair可以通過理想氣體相關的方程求出，各種組分的分壓如下:

其中 Pair，j是第 j種組分的分壓，Pa.

③兩艙間通道內氣壓:設定等于兩密封艙氣壓Pair中較高的一側的值.

2)乘員(crew).

通過模擬乘員的代謝產熱、產濕速率、CO2產出速率和耗氧速率來模擬乘員的在軌代謝活動，上述代謝產物計入艙體空氣質量守恒方程和能量守恒方程相關項目中.

3)LiOH凈化罐.

①單個凈化罐總的CO2凈化量控制方程:

其中，MCO2是單個凈化罐可處理的CO2總質量，kg;xL是每千克初始狀態的LiOH所能去除的CO2質量，kg/kg;mL，0是單個凈化罐裝填的 LiOH質量，kg.

②CO2凈化速率控制方程:

其中，wCO2是CO2凈化流速，kg/s;a是LiOH凈化罐裝填效率，取0.9;r是LiOH與CO2化學反應速率，s-1.

③質量守恒方程:

其中，xzo，CO2是流出凈化罐的空氣中CO2的質量分數;wzi是流入凈化罐的空氣質量流量，kg/s;wzo是流出凈化罐的空氣質量流量，kg/s;xzi，CO2是流入凈化罐的空氣中CO2的質量分數.

④動量守恒方程:

其中，Δp是空氣流過凈化罐的壓差，Pa;Δpref是空氣流過凈化罐的參考壓差，Pa;wzref是流入凈化罐的參考空氣質量流量，kg/s;ρzi和 ρzref分別是流入凈化罐空氣的密度和參考密度，kg/m3.

⑤能量守恒方程:

其中，Tb是凈化罐溫度，℃;hzi是流入凈化罐空氣比焓，J/kg;hzo是流出凈化罐空氣比焓，J/kg;qr是化學反應產生的熱量，W;Mb是凈化罐總質量，kg;Cpb是凈化罐比熱，J/(kg·℃).

4)組件間接口關系.

①總質量流量:

其中，w是流過接口的總凈質量流量，kg/s;wf和wb分別是順流和逆流方向總質量流量，kg/s.

②第j種組分質量流量:

其中，wj是流體中第j種組分的質量流量，kg/s;xf，j是第j種組分在順流方向總質量流量中占的質量分數;xb，j是第j種組分在逆流方向總質量流量中占的質量分數.其中 xf，j和 xb，i與組分流動方向相關，當組分流動方向為正時，xb，i=0，當組分流動方向為負時，xf，j=0.

③能量流:

其中，hf是順流方向比焓，J/kg;hb是逆流方向比焓，J/kg.

三艙載人航天器組合體CO2去除系統模型見圖2.

圖2 三艙載人航天器組合體CO2去除系統模型Fig.2 Structure of CO2 removal system of three-cabin human spacecraft

3 結果與分析

利用載人航天器組合體CO2去除系統模型，本文計算分析了乘員位置、乘員人數、艙間通風量、流入去除裝置的通風量等參數對密封艙CO2分壓的影響.

3.1 乘員所在位置對CO2分壓的影響

本文計算分析了3名航天員分別駐留在艙Ⅰ、艙Ⅱ、艙Ⅲ過程中，三艙密封艙CO2分壓隨在軌時間的變化.計算過程中，艙Ⅰ/艙Ⅱ以及艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量保持為0.021 kg/s，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s，具體計算流程如下:

1)T0～T0+120 h，3名航天員駐留在艙Ⅰ;

2)T0+120 h～T0+216 h，3名航天員駐留在艙Ⅱ;

3)T0+216 h～T0+312 h，3名航天員駐留在艙Ⅲ.

乘員駐留位置對各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖3所示.各艙的CO2分壓與CO2產出源至去除裝置間的輸運距離直接相關.在T0～T0+120 h階段，3名航天員駐留在艙Ⅰ且CO2由艙Ⅰ來去除，CO2產出源至去除裝置間輸運距離可以認為是0，三艙CO2分壓較為一致，均維持在320 Pa.在T0+120h～T0+216h階段，3名航天員駐留在艙Ⅱ，CO2產出源也轉移至艙Ⅱ，因此，艙Ⅰ的CO2分壓在乘員剛離開時短時間下降.但由于艙Ⅰ需處理的CO2量與T0～T0+120 h階段一致，穩定后艙Ⅰ的CO2分壓與T0～T0+120 h階段也一致.由于艙間通風對CO2的輸運能力較強，艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓水平一致.由于艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2需要轉移至艙Ⅰ來處理，造成艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓要高于艙Ⅰ，維持在425 Pa.在T0+216 h～T0+312 h階段，3名航天員駐留在艙Ⅲ，CO2產出源也轉移至艙Ⅲ，CO2產出源與去除裝置間的輸運距離進一步加大，造成艙Ⅲ的CO2分壓升至530 Pa，艙Ⅱ的CO2分壓與T0+120 h～T0+216 h階段一致，而艙Ⅰ由于需處理的CO2量與T0～T0+120 h階段一致，穩定后艙Ⅰ的CO2分壓與T0～T0+120 h階段也一致.

圖3 乘員位置對CO2分壓水平的影響Fig.3 Influence of crew location to CO2partial pressure

綜上所述，在上述去除系統參數設定下，三艙CO2分壓均滿足不高于700 Pa的要求，但隨著CO2產出源與去除裝置間輸運距離的加大，CO2產出源所在艙體的CO2分壓也逐漸加大.

3.2 乘員人數對CO2分壓的影響

根據3.1節分析可知，航天員駐留在艙Ⅲ時，艙Ⅲ的CO2分壓要高于其他工況.因此，設定航天員駐留在艙Ⅲ，本文計算分析了駐留人數由3人逐漸增加至6人過程中，三艙密封艙CO2分壓隨在軌時間的變化.計算過程中，艙Ⅰ/艙Ⅱ以及艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量保持為0.021 kg/s，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s，計算流程如下:

1)T0～T0+120 h，3名航天員駐留在艙Ⅲ;

2)T0+120 h～T0+216 h，4名航天員駐留在艙Ⅲ;

3)T0+216 h～T0+312 h，5名航天員駐留在艙Ⅲ;

4)T0+312 h～T0+408 h，6名航天員駐留在艙Ⅲ.

乘員人數對各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖4所示.隨著航天員人數的增加，各艙CO2分壓均隨之上升.由于艙Ⅲ距離CO2去除裝置的輸運距離最遠，艙Ⅲ的CO2分壓始終高于其他艙段.當乘員人數達到4人時，艙Ⅲ的CO2分壓達到了上限700 Pa，當乘員人數達到6人時，艙Ⅲ的CO2分壓超過了1000Pa，艙Ⅱ的CO2分壓也超過了700 Pa.

圖4 乘員人數對CO2分壓水平的影響Fig.4 Influence of crew number to CO2partial pressure

綜上所述，在上述去除系統參數設定下，4名乘員駐留在艙Ⅲ時，艙Ⅲ的CO2分壓已達上限.

3.3 艙間通風量對CO2分壓的影響

根據3.2節分析可知，6名航天員駐留在艙Ⅲ時，艙Ⅲ和艙Ⅱ的CO2分壓均超出了指標上限.本節分析了提高艙間通風量對各艙CO2分壓的影響.計算過程中，6人駐留在艙Ⅲ，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072kg/s，具體計算流程如下:

1)T0～T0+120 h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量為0.021 kg/s;

2)T0+120h～T0+216h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量為0.041 kg/s;

3)T0+216h～T0+312h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量為0.056 kg/s;

4)T0+312h～T0+408h，艙Ⅰ/艙Ⅱ和艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量為0.07 kg/s.

艙間通風量對各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖5所示.隨著艙間通風量的增加，艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓均隨之下降，這是因為艙間通風量的增大增加了艙間CO2的傳質速率，縮小了各艙CO2分壓的差值.但是由于CO2去除裝置所在的艙Ⅰ中CO2分壓已經達到了630 Pa，造成艙Ⅱ和艙Ⅲ在整個計算過程中均在700 Pa以上.當艙間通風量達到0.07 kg/s時，艙Ⅱ的CO2分壓為715 Pa，航天員所在的艙ⅢCO2分壓為780 Pa.

圖5 艙間通風量對CO2分壓水平的影響Fig.5 Influence of inter-cabin air flux to CO2partial pressure

綜上所述，由于艙Ⅰ的CO2分壓已經接近上限，所以加大艙間通風量雖能降低艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓，但是這兩個艙段的CO2分壓仍然超標.

3.4 去除系統流量對CO2分壓的影響

根據3.3節分析可知，單純增加艙間通風量對降低艙Ⅲ和艙ⅡCO2分壓作用有限.本節分析了提高流入CO2去除裝置流量對各艙CO2分壓的影響.計算過程中，6人駐留在艙Ⅲ，艙Ⅰ/艙Ⅱ以及艙Ⅱ/艙Ⅲ的艙間通風量保持為0.041 kg/s，具體計算流程如下:

1)T0～T0+120h，流入CO2去除裝置的流量為0.0072 kg/s;

2)T0+120 h～T0+216 h，流入 CO2去除裝置的流量為0.0093 kg/s;

3)T0+216 h～T0+312 h，流入 CO2去除裝置的流量為0.0113 kg/s;

4)T0+312 h～T0+408 h，流入 CO2去除裝置的流量為0.0134 kg/s.

流入CO2去除裝置通風量對各艙密封艙CO2分壓水平的影響如圖6所示.隨著流入CO2去除裝置通風量的增加，各艙CO2分壓均隨之顯著下降，這是因為艙Ⅰ中CO2分壓顯著下降，帶動其他艙段CO2分壓也隨之下降，當流入CO2去除裝置的通風量達到0.011 3 kg/s時，艙Ⅲ的CO2分壓已經低于700 Pa指標要求.

圖6 CO2凈化裝置進風量對CO2分壓水平的影響Fig.6 Influence of air flux into CO2 removal equipment to CO2 partial pressure

4 結論

本文利用Ecosimpro建立了多艙段載人航天器CO2去除系統性能仿真分析模型.結果表明，通過該模型能夠快速準確地得到密封艙內CO2水平隨在軌時間的變化趨勢，并能夠綜合考慮各個參數對CO2去除系統性能的影響.根據本文的計算結果，各個關鍵參數的取值范圍以及對各個密封艙CO2水平的定量影響如下:

1)非主控艙段CO2分壓隨CO2產出源至去除裝置間輸運距離的增加而上升，艙間通風量為0.021 kg/s，流入 CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s時，3名航天員駐留在艙Ⅲ時，艙Ⅲ的CO2分壓達到了530 Pa;

2)各艙CO2分壓隨著駐留人數的增加而增加，艙間通風量為0.021 kg/s，流入CO2去除裝置的空氣流量為0.0072 kg/s時，4名乘員駐留在艙Ⅲ時，艙Ⅲ的CO2分壓已經達到了上限;

3)艙Ⅱ和艙Ⅲ的CO2分壓隨著艙間通風量的增加而下降，當艙間通風量達到0.07 kg/s時，艙Ⅱ的CO2分壓為715 Pa，航天員所在的艙ⅢCO2分壓為780 Pa.

4)各艙CO2分壓隨著流入CO2去除裝置的空氣流量增加而下降，艙間通風量為0.041 kg/s，當流入CO2去除裝置的通風量達到0.011 3 kg/s時，艙Ⅲ的CO2分壓已經低于700 Pa指標要求.

References)

［1］ Larson W J，Pranke L K.Human spaceflight:mission analysis and design［M］.New York:McGraw-Hill，2000

［2］林貴平，王普秀.載人航天生命保障技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006:37-147 Lin Guiping，Wang Puxiu.Life support technology of manned space craft［M］.Beijing:Beihang University Press，2006:37-147(in Chinese)

［3］戚發軔.載人航天器技術［M］.北京:國防工業出版社，1999:210-288 Qi Faren.Manned spacecraft technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1999:210-288(in Chinese)

［4］范劍峰，黃祖蔚.載人飛船工程概論［M］.北京:國防工業出版社，2000:122-155 Fan Jianfeng，Huang Zuwei.Introduction to manned spaceship engineering［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2000:122-155(in Chinese)

［5］ Antonacci M，Bruno G，Gera G，et al.The design and the verification of the ATV cargo carrier environmental control and life support system and water＆ gas delivery system［R］.SAE Technical Paper 2000-01-2299，2000

［6］ Anderson G，Martin C E.Evaluation and application of Apollo ECLS/ATCS systems to future manned missions［R］.AIAA-2005-0703，2005

［7］ Mitchell K L，Bagdigian R M，Carrasquillo R L.Technical assessment of MIR-1 life support hardware for the international space station［R］.NASA TM-108441，1994

［8］ Wieland P O.Living together in space:the design and operation of the life support systems on the international space station［R］.NASA/TM-98-206956/VOL1，1998

［9］王普秀.航天環境控制與生命保障工程基礎［M］.北京:國防工業出版社，2003:110-156 Wang Puxiu.Foundation of aerospace environment control and life support engineering industry［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2003:110-156(in Chinese)

［10］ Wieland P O.Designing of human presence in space:environmental control and life support systems［R］.NASA-1324，1994

［11］付仕明，裴一飛，郄殿福.國際空間站集成ECLSS/TCS試驗綜述［J］.航天器環境工程，2010，27(4):447-451 Fu Shiming，Pei Yifei，Qie Dianfu.Review of integrated ECLSS/TCS tests for ISS［J］.Spacecraft Environment Engineering，2010，27(4):447-451(in Chinese)

［12］付仕明，徐小平，李勁東，等.空間站乘員睡眠區二氧化碳聚集現象［J］.北京航空航天大學學報，2007，33(5):523-526 Fu Shiming，Xu Xiaoping，Li Jindong，et al.Carbon dioxide accumulation of space station crew quarters［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33(5):523-526(in Chinese)

［13］姬朝月，梁新剛，任建勛.空間站乘員艙內二氧化碳排放的數值研究［C］//第五屆空間熱物理會議.北京:中國宇航學會，2000:147-150 Ji Chaoyue，Liang Xingang，Ren Jianxun.Simulation study on CO2exhaust of crew in space station pressurized cabin［C］//The Fifth Space Thermo-Physics Conference.Beijing:Chinese Society of Astronautics，2000:147-150(in Chinese)

［14］ Lin C H，Son C H.CFD Simulation on the airflow and CO2transport in the U.S.Lab:international space station flight 5A configuration［R］.SAE Technical Paper 2001-01-2255，2001

［15］ Lin C H，Son C H，Horstman R H.CFD Studies on the ECLSS airflow and CO2accumulation ofthe internationalspace station［R］.SAE Technical Paper 2000-01-2364，2000