國際空間站氣密艙內氣體溫度與溫濕度對消防員熱環(huán)境的影響

國際空間站氣密艙內氣體溫度與溫濕度對消防員熱環(huán)境的影響

1保持熱環(huán)境監(jiān)測熱管理系統(tǒng)的任務是在所有狀態(tài)下提供和維護科學家、設備、結構部件和有效載荷所要求的熱環(huán)境（溫度、濕度和風速），以維持該系統(tǒng)。熱控系統(tǒng)通過對整個空間站的熱管理,也就是統(tǒng)一地收集、分配、傳遞、貯存、利用、排散或提供熱來完成任務。1.1溫度設定要求與其他航天器一樣,空間站上大量電子設備與控制設備的溫度要求為-5℃～45℃。但是,大量的試驗數(shù)據表明,儀器設備中約80%達到最佳功能以及滿足長期正常工作(10～15年)所希望的溫度為20℃±5℃。1.2運動員的熱環(huán)境要求1.2.1氣體溫度與濕度根據對載人航天器與航天員的測試結果表明,載人航天器氣密艙內氣體溫度影響航天員的生理和心理健康。當氣體溫度超過25℃時,航天員的工作能力開始下降;當溫度超過30℃時,航天員的工作能力降低40%或更多。同樣,氣體溫度偏低也會影響航天員舒適程度與工作能力。氣體相對濕度除影響航天員的舒適程度外,當相對濕度偏高時,將可能在低溫表面出現(xiàn)水蒸汽冷凝或生物膜和霉菌,影響載人航天器與航天員的安全。氣體溫度與濕度水平對航天員舒適程度的影響見表1。由表1可以看出,航天員在太空生活的最舒適的熱環(huán)境是:氣體溫度為18.5℃～24℃,相對濕度為28%～65%。但是,由于各種條件的限制,當今載人航天器的實際熱環(huán)境均不同程度地超出了航天員舒適程度的范圍,表2列出了美國載人航天器的熱環(huán)境。根據表1和表2的數(shù)據與各種條件的可能,要求國際空間站氣密艙內航天員活動區(qū)的氣體溫度與相對濕度為:溫度:18℃～27℃;相對濕度:30%～70%。1.2.2防止艙壁結露對載人航天器氣密艙壁溫度要求是:(1)在艙內不同氣體溫度和濕度水平條件下,保持艙壁溫度高于露點溫度,以防止艙壁結露;(2)保持艙壁溫度與艙內氣體溫度之間的溫差最小,或是艙壁溫度與氣體溫度的平均值接近氣體溫度,以使航天員與艙壁間的輻射換熱降至最小,使航天員有舒適的溫度環(huán)境;(3)為航天員提供安全限度內的接觸溫度。為滿足以上要求,國際空間站氣密艙、航天員活動區(qū)與氣體相接觸的艙壁溫度允許的范圍是16.7℃～45℃。1.2.3內部氣體密度的風速要求(1)自然對流的影響空間站在軌道上運行處于微重力環(huán)境,氣密艙內氣體沒有自然對流,必須使其受迫循環(huán),以避免CO2氣體和儀器設備發(fā)熱在局部地區(qū)濃縮或聚集。試驗表明,航天員對當?shù)仫L速感到舒適的范圍為0.08～0.2m/s。(2)儀器區(qū)域的風速氣密艙內儀器區(qū)氣體的運動速度要遠遠大于航天員活動區(qū)的氣體速度,才能達到換熱的目的,因此要根據換熱的需要來確定儀器區(qū)氣體的運動速度。2國際空間站熱態(tài)的特點國際空間站的熱控系統(tǒng)與目前國際上在軌飛行和在研航天器的熱控系統(tǒng)相比,具有如下一些特點:(1)堅持熱控措施,保證站的熱平衡國際空間站是當今世界上最龐大的航天器,其尺寸為108m×74m,氣密艙容積為1202m3,總質量為415t,總功率為110kW,其中74kW用于研究項目。整個空間站由6個科學研究用的壓力艙(美國2個、俄羅斯2個、歐洲航天局1個、日本1個),美國和俄羅斯的居住艙、對接艙和氣閘艙,以及大量的科學儀器和技術設備的外部安裝場地等組成,可以允許7名航天員同時在站上長期工作和生活。熱控系統(tǒng)要在如此大的面積和體積上,如此多的設備和部件上,保證每個儀器設備和結構部件的熱環(huán)境;要把約150kW(110kW功耗,加上功率分配、蓄電池系統(tǒng)熱損失和人體代謝熱)的總功率排散至外部空間,保持站的熱平衡;要保證7名航天員在氣密艙內的熱環(huán)境(包括氣體溫度、濕度和風速)必須采用以被動熱控為輔、主動熱控為主的多種熱控措施,其中包括艙內風冷系統(tǒng)、內部液體回路系統(tǒng)、外部液體冷卻回路系統(tǒng)、展開式輻射器、電加熱與恒溫控制系統(tǒng)等。熱控系統(tǒng)與空間站上的每個系統(tǒng)都有聯(lián)系,要在長距離上搜集每個設備和有效載荷的熱量、測量它們的溫度,并布置大量的加熱器保證低溫表面和低溫儀器的溫度,這就使國際空間站的熱控系統(tǒng)成為當今航天器上熱控系統(tǒng)中最復雜的系統(tǒng)。而且,國際空間站上的熱控系統(tǒng)也是最昂貴和最重的系統(tǒng),它的費用占空間站硬件總費用的5%～7%,重量占空間站總重量的7%～12%。(2)儀器設備的環(huán)境國際空間站的設計工作壽命為10～15年,這就要求站上的儀器設備和有效載荷能長期正常運行和工作。通常,航天器內儀器設備要求的溫度為0℃～45℃。然而,對于工作壽命超過10年的長壽命航天器,如果儀器設備長期在環(huán)境溫度低限或高限附近工作,或在高限與低限之間來回波動下工作,就有可能使其元器件或儀器失效。所以,通常航天器對儀器設備環(huán)境溫度的要求,不能適用于長壽命航天器儀器設備正常可靠工作的要求。為保證國際空間站上大多數(shù)有效載荷和儀器設備(約占80%)達到最佳的功能和長期可靠的工作,要求環(huán)境溫度為20℃±5℃;要保證航天員能長期工作和生活,必須提供舒適的熱環(huán)境(溫度、濕度和風速),而且要求的氣體控溫精度也很高。(3)俄羅斯艙和壓力艙輻射器國際空間站上布置有外部冷卻回路的兩塊大型展開式中心熱輻射器,電源冷卻回路的兩塊展開式輻射器、一塊俄羅斯艙的展開式輻射器,以及布置在壓力艙表面的艙體輻射器和艙體表面的被動熱控散熱面,能把站上最大的熱負荷排散至空間。熱控措施中的高效換熱冷板能把高熱耗設備(大于lkW)的熱負荷帶走,保證所要求的溫度范圍。(4)旁路和熱壓國際空間站艙外的液體冷卻回路、艙內的液體冷卻回路、艙內的氣體冷卻回路都是按照最大熱負荷設計的,而且還采用了旁路控制方法,在內外熱源變化時能進行熱量調控,從而保證回路控制點(關鍵點)的液體或氣體溫度在設計的要求范圍內。另外,空間站在局部的艙壁、管路和儀器的低溫表面還布置了大量的電加熱器,這也增加了整個空間站熱量的調控能力與調控的靈活性。(5)熱控制系統(tǒng)的可靠性要求由于航天員要在空間站上長期生活與工作,儀器設備能工作10～15年,因此要求熱控系統(tǒng)必須具有高的可靠性與安全性。在設計熱控系統(tǒng)時,不僅要求系統(tǒng)具有足夠的散熱能力和余量、展開式輻射器能承受空間微流星或碎片的撞擊,而且冷卻回路中的一部分,以及回路中的轉動部件和控制部件適當采用備份。(6)統(tǒng)一的熱管理,是熱控意識不強、可調溫國際空間站由主結構、獨立的太陽帆板和輻射器板、多個獨立的艙和艙外儀器設備等組成。獨立的艙段和儀器設備,有的發(fā)熱量大、有的發(fā)熱功率密度大,必須散熱;有的發(fā)熱量小或不發(fā)熱,但要求保持一定的溫度環(huán)境;有的在一個運行軌道周期里發(fā)熱功率變化很大,但要求具有穩(wěn)定的溫度;有的要求較高的控溫精度等,為此,必須對空間站進行統(tǒng)一的熱管理。所謂統(tǒng)一的熱管理就是通過統(tǒng)一采取被動熱控、內外冷卻回路、風冷回路,加熱系統(tǒng)等熱控措施來收集、分配、傳輸、利用熱量,再通過輻射器把多余的熱量排散至空間。國際空間站進行統(tǒng)一熱管理后,有效地解決了復雜的熱控問題。3熱控系統(tǒng)的設計國際空間站的熱控系統(tǒng)方案是在過去載人航天器成功經驗的基礎上提出來的,特別是采用了在“天空實驗室”空間站、航天飛機和空間站上曾經采用的先進主動與被動熱控技術,其中主動熱控技術包括內外液體回路、輻射器、風冷回路和電加熱等,被動熱技術包括涂層、多層隔熱等。在國際空間站之前,即美國設計的“自由”號空間站的熱控系統(tǒng)采用的是由被動熱控系統(tǒng)和主動熱控系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。1993年9月,由于俄羅斯的參加,“自由”號空間站改名為“阿爾法”國際空間站,直接稱為國際空間站。原“自由”號空間站采用的熱控系統(tǒng)的大部分技術都應用到國際空間站熱控系統(tǒng)的設計上。在國際空間站論證與演變的過程中,其熱控系統(tǒng)設計的變化主要是外部和內部主動熱控系統(tǒng)的變化。在“自由”號空間站和國際空間站論證階段,其外部主動熱控系統(tǒng)采用的是機械泵式氨兩相流回路。兩相流回路與單相流回路相比,在相類似的冷卻要求下,兩相流質量流較小、工質質量輕、功耗低,管路系統(tǒng)以及泵系統(tǒng)結構簡單和尺寸小;而且兩相流回路能反映熱負荷的變化、調節(jié)快速,并能對冷凝器和蒸發(fā)器提供近于恒熱的條件。但是,直到現(xiàn)在,兩相流回路系統(tǒng)也不能滿足空間站可靠工作10～15年的要求。鑒于此,國際空間站論證階段就將其外部主動熱控系統(tǒng)設計改為航天飛機采用的單相冷卻回路系統(tǒng),其工質由氟里昂改為氨。原設計采用3個外部主動熱控系統(tǒng)回路,后來由于俄羅斯艙的加入,部分儀器設備裝載在俄羅斯艙里,并由俄羅斯艙自身獨立的熱控系統(tǒng)進行冷卻,使原熱設計的冷卻需求量減小。因此,最后國際空間站的外部主動熱控系統(tǒng)由3個回路改為兩個單相回路。在“自由”號空間站的設計方案中,其內回路主動熱控系統(tǒng)采用的是3類單相水回路,后來的國際空間站簡化為兩類單相水回路,即一類為低溫回路,另一類為中溫回路。4其他系統(tǒng)組成國際空間站的熱控系統(tǒng)主要由被動熱控系統(tǒng)、外部冷卻回路系統(tǒng)、內部冷卻回路系統(tǒng)、電池冷卻回路系統(tǒng)、風冷回路系統(tǒng)、俄羅斯艙熱控系統(tǒng)、輻射器系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)等組成。圖1表示了國際空間站的主動熱控系統(tǒng)方塊圖。4.1被動熱態(tài)系統(tǒng)4.1.1涂層的一般特性國際空間站外表面涂層用于控制太陽能吸收和紅外輻射特性,以控制外表面的溫度?？臻g站設計壽命為10～15年,長期在近地軌道運行,因此涂層必須具有良好的抗紫外輻射、原子氧、粒子輻射、離子影響和熱循環(huán)退化的特性。國際空間站上使用的熱控涂層有:用于輻射器表面的低太陽吸收率和高紅外發(fā)射率涂層,用于多層隔熱材料外表面的β布涂層,用于防護微流星的鋁陽極氧化涂層等。4.1.2多層隔熱材料除散熱面外,空間站艙體的全部外表面均包扎多層隔熱材料。多層隔熱材料由雙面鍍鋁薄膜和隔熱網交錯組成,通常為20單元,厚度約5mm,比重約12kg/m3。多層隔熱材料用鈕扣連接到艙體結構上,其材料組件之間用尼龍搭扣封接。4.1.3外表面聚酰亞胺薄膜泡沫塑料用于包扎艙內的低溫表面與部件,例如艙內泵、閥和管路的表面等。在泡沫塑料的外表面再包扎一層鍍纖維玻璃的聚酰亞胺薄膜。其組合的比重為32kg/m3,導熱系數(shù)為0.029W/m·k。4.1.4材料的熱水填充導熱填料用于高發(fā)熱量的儀器安裝面。4.1.5隔熱墊由鈦箔組成的多層隔熱墊用于艙外儀器設備和微流星防護層與構架的安裝處隔熱。4.2外部冷卻回路系統(tǒng)國際空間站的外部冷卻回路系統(tǒng)由兩個獨立的氨單相流回路系統(tǒng)組成。每個回路又由各自的單相泵組件、補償器、控制單元、冷板、快速斷接器、可旋轉的輻射器翼、溫控閥、自鎖閥、低溫換熱器、中溫換熱器和各種傳感器等組成。外部冷卻回路系統(tǒng)示意圖見圖2所示。如圖2所示,兩個獨立的單相流回路并行工作,當一個回路失效時,另一個回路能在低熱負荷下起備份作用。外部冷卻回路進入低溫換熱器工質的溫度為0.5℃～3.9℃,為保證內部冷卻回路水工質不凍結,必須精確控制溫度。4.3居住艙內部冷卻回路系統(tǒng)組成國際空間站的內部冷卻回路系統(tǒng)布置在氣密力艙內部,用于吸收艙內儀器設備和航天員產生的熱量,然后把熱傳遞給中間換熱器,再由中間換熱器傳遞給外部冷卻回路系統(tǒng)。居住艙內部冷卻回路系統(tǒng)由兩個單相水回路組成:一個是低溫水回路,把溫度為0.6℃～6℃的水輸送給冷凝干燥器,冷凝干燥器吸收氣體中的熱量,用來調節(jié)氣體的溫度和濕度;另一個是中溫水回路,用溫度為13℃～18℃的水冷卻安裝在不同冷板上的電子儀器設備。居住艙內部冷卻回路系統(tǒng)主要由泵組件、補償器、冷板、冷凝干燥器、低溫和中溫換熱器和溫控閥等組成,見圖3所示。同樣,國際空間站上的歐洲艙、日本艙和美國節(jié)點艙2也有各自的內部冷卻回路,所不同的是這些艙只有一個低溫換熱器和一個中溫換熱器。4.4電源冷卻回路系統(tǒng)國際空間站電源冷卻回路系統(tǒng)專門用于控制電源系統(tǒng)設備的溫度。電源系統(tǒng)的某些設備(例如蓄電池)對等溫化的要求相當高,而充放電過程中發(fā)熱量變化倍率很大,電源系統(tǒng)的變壓與穩(wěn)壓設備、充放電控制設備的發(fā)熱量也很大,所以需要專門的冷卻回路系統(tǒng)來滿足電源系統(tǒng)對環(huán)境溫度的要求。電源冷卻回路系統(tǒng)由兩個獨立的單相流泵回路組成。回路的工質是液態(tài)氨。每個回路各有一個由7個可拆卸的輻射器組成的翼,向空間排散熱量。輻射器有旋轉節(jié),可以在空間定向,以便輻射器在空間接收的外熱流最少,從而使輻射器具有很好的散熱能力。需要進行冷卻的電源系統(tǒng)的儀器設備直接安裝在冷板上。4.5氣體冷卻回路國際空間站有多個獨立的氣密艙,包括美國艙、歐洲艙、日本艙和俄羅斯艙。除俄羅斯艙具有基本獨立的熱控系統(tǒng)外,其他艙的熱量都通過統(tǒng)一的內外冷卻回路傳遞給兩塊中心輻射器翼和兩塊副輻射器翼排散至空間。但是,各個氣密艙的風冷回路是獨立的,均由氣體冷卻回路和儀器設備風冷回路組成。氣密艙氣體冷卻回路系統(tǒng)見圖4所示。由圖4可以看出,艙內氣體冷卻回路通過風機把熱濕氣體送至冷凝干燥器,在冷凝干燥器內氣體把熱量傳遞給低溫0.6℃～6℃的水回路,氣體降溫。同時,由于冷凝干燥器內的水回路管壁溫度低于露點溫度,從而使氣體中的水蒸汽凝結在管壁上,冷凝水又被收集到水貯箱,被冷凝干燥后的氣體又回到艙內。氣體冷卻回路中的旁路閥,可以根據氣體溫度的高低自動調節(jié)進入冷凝干燥器被冷卻的熱氣體的風量,從而控制艙內氣體溫度在一定范圍內?？刂七M入冷凝干燥器風量的傳感器是溫度傳感器,在控制艙內氣體溫度的同時,也保證了艙內氣體的相對濕度。艙內沒有另外的專用濕度調節(jié)設備。儀器設備風冷回路,通過風機把放置儀器設備機柜內的熱氣體送到氣液換熱器,在氣液換熱器內熱氣體把熱量傳給中溫(13℃～18℃)水回路,氣體降溫后又被送到機柜,來冷卻儀器設備。根據機柜內需要排散走的熱量,決定流過儀器周圍的風速,從而確定所需風機的流量。通過這種閉式循環(huán),達到控制機柜內儀器設備溫度的目的。4.6內回路的熱傳播俄羅斯艙的熱控系統(tǒng)基本上是獨立地承擔艙內部和外部的熱控任務,艙內氣體的溫度保持在18℃～28℃。約占艙體表面75%的面積,由艙體輻射器覆蓋,剩下的表面由多層隔熱材料覆蓋。內回路的工質是乙二醇水溶液,外回路的單相工質是氨。氣體和儀器設備的熱量由內回路吸收后傳遞給外回路,再由外回路的艙體輻射器把熱量排散至空間。俄羅斯艙內還有一個氨兩相流外冷卻回路,熱量通過冷板收集,由7個換熱器傳到兩相流回路,再傳到熱管輻射器把熱排散至空間。熱管輻射器安裝在空間站的主結構上,它能繞軸轉動,使接收的外熱流最少。熱管長2m,傳輸能力120W/每根熱管。之所以說俄羅斯艙的熱控系統(tǒng)基本上是獨立的,是因為裝在美國艙的熱交換器與俄羅斯艙有臨時性的熱交換能力。4.7展開式輻射器國際空間站上的輻射器系統(tǒng)由展開式輻射器和艙體輻射器組成。站上的大部分熱量通過展開式輻射器排散至空間,只有俄羅斯艙裝有艙體輻射器。俄