航天器密封舱的温湿度控制技术

航天器密封舱的温湿度控制技术

1复合湿度的影响为了满足驾驶员的舒适度要求，密封内的空气湿度控制也很重要。一般地,航天员舒适环境相对湿度要求为28%~65%,而当相对湿度低于25%或高于80%时,航天员允许在轨工作时间不超过12h。除此之外,湿度水平高低还对仪器设备正常工作和航天员身体安全带来影响。当相对湿度偏高时,将可能在舱内设备的低温表面出现水蒸汽冷凝,产生结露现象,造成电器设备短路、电化学腐蚀等严重后果;相对湿度偏高,将可能加速微生物的生长和繁殖,使航天员感染疾病的可能性增加,对在轨停留时间较长的航天员,还可能诱发关节炎等疾病等。当相对湿度偏低时,将可能引起静电现象。随着载人航天技术的发展,作为温度控制技术的一个不可分割部分,航天器湿度控制技术逐渐引起人们的关注,并开展相关先进材料、单机产品或设备的研制工作。从刚开始的干燥剂、吸湿剂和吸湿材料,到发展至今已广泛用于载人飞船、航天飞机和空间站的冷凝干燥器,又称冷凝热交换器(CondensingHeatExchanger,CHX)。根据密封舱湿度控制方法的原理和工作方式的不同,可将湿度控制技术划分为主动湿度控制技术和被动湿度控制技术。2湿度反馈作用航天器被动湿度控制技术定义为:在湿度控制过程中不存在对被控湿度的反馈作用,是单向的,为开环控制。被动湿度控制技术包括吸湿材料、可再生除湿装置和调湿涂层,其共同特点是湿度控制自主独立进行,对密封舱内温度基本没有影响。2.1在机械设备中的应用吸湿材料,主要利用材料本身与空气中的水汽发生物理和化学作用,使空气中的水气在浓度扩散作用力下进入材料内部,或者与材料发生化学反应而成为材料本体的一部分。如苏联的东方号和上升号飞船,就是使用含有化合氧的碱性金属(如超氧化钾)作为吸湿材料,同时为了保险起见,还使用硅胶作为干燥剂,进一步对飞船密封舱进行湿度控制。同时,我国的神舟号飞船,也使用被动吸湿材料。在神舟五号至神舟六号飞船的飞行试验中,被动吸湿材料得到验证。被动吸湿材料特点主要有:(1)不可重复使用,吸收水汽的大小仅与本身材料性质和携带重量相关;(2)在使用周期内吸湿能力逐渐减弱,初期吸湿能力最强,因此,一般地,随航天器运行时间延长,密封舱相对湿度将逐渐升高;(3)相对独立,不依赖于航天器其他系统和部件;(4)生产制造成本相对较低;(5)通常与主动湿度控制方法结合使用,它主要用于航天器发射上升段和返回再入段的湿度控制。2.2清除气体和二氧化碳美国和西欧的“空间实验室”(Spacelab)吸收水汽采用沸石分子筛装置,由两个分子筛(每个分子筛含两个吸附剂罐)组成。它安装于气闸舱的结构过渡段上,在“空间实验室”有人在轨期间,一个分子筛连续工作,另一个作为备份,吸附剂罐负责清除水汽和二氧化碳,两个吸附剂罐每隔15min交替地吸附和解吸,将吸附剂层轮流接通舱外真空,从而实现不断除湿的目的。再有,美国自由号空间站在采用主动冷凝干燥器(下文将介绍)调节舱内环境湿度的基础上,还采用了可再生的吸附剂分子筛来干燥空气。可再生除湿装置是以一种特殊的吸湿材料为基础,利用吸附材料可吸附水汽和解吸附的特性,通过它不断地将密封舱内水汽转移至舱外空间或其他集中区域,从而达到对密封舱湿度控制的目的。相对于普通吸湿材料而言,可再生除湿装置结构较复杂,但可重复使用,可实现短中期对密封舱的有效湿度控制。可再生除湿装置的有效工作时间,只与吸附材料本身性质(如解吸附次数)和执行切换部件的寿命有关。2.3保持密封舱的湿度调湿涂层,外形类似于热控控温涂层,它不需要能源和机械设备,完全依靠自身的吸湿和放湿性能自动调节空间内的相对湿度,属于被动湿度控制技术。当密封舱内空气相对湿度过高时,它可吸收其中大量水汽,使湿度降低;当舱内空气相对湿度过低时,它又可慢慢放出其吸收的水汽,使密封舱保持一定的湿度水平。调湿涂层具有如图1所示的吸湿和放湿特性曲线,能将密封舱内的空气相对湿度自动调控在φ1~φ2范围内。若调湿特性曲线间回滞区域(图中阴影部分)宽度减小,则可将相对湿度稳定在一个相对窄小的范围内。由湿空气热力性质,其相对湿度随空气温度升高而降低。因航天器受阴影区和光照区的影响,密封舱内的空气温度将随之出现波动,由此将引起空气相对湿度波动。在失重状态下因温度场的不均匀性,密封舱个别位置可能出现结霜和结露现象。通过使用调湿涂层后,这种结霜可能性将得到消除,从而满足航天器湿度控制和防结露要求。目前,调湿涂层还处于预研阶段,性能试验已验证其吸湿性能明显。3回收冷却干燥器与被动湿度控制技术相反,主动湿度控制技术定义为:在湿度控制过程中存在一种或多种对被控湿度的反馈作用,是主动的,为闭环控制,它包括对湿度的测量和控制执行部件等。对于载人航天器而言,每个航天员每昼夜约将其吸收水量的一半通过呼吸和排汗两种方式排到密封舱内。根据其活动量的大小不同,航天员产湿量在50~155g/h范围内,平均日产湿量1800g。此外,一些空间科学试验也会产生一定量的水蒸汽,这些都会造成密封舱内环境湿度的增加。显然,被动湿度控制方法已经不能满足载人航天器规模日益增大的发展趋势,不能满足航天员人数增加和在轨工作时间越来越长的需求。为此,以冷凝干燥器(冷凝热交换器)为代表设备的主动湿度控制技术得到发展,在各国载人航天器上得到广泛应用,并日趋成熟。早在苏联第一艘载人飞船——东方号飞船的密封舱(返回舱)中,就使用了冷却干燥器对飞船返回舱进行湿度控制,其在液体循环冷却回路的位置如图2所示。由流量调节器来控制流经辐射器和旁路流量比率,控温点温度能基本恒定(5℃±2℃),恒定温度液体进入冷凝干燥器,在风机作用下返回舱含湿空气与冷却干燥器发生热交换。含湿空气被冷却的同时,因冷却干燥器内液体温度低于流经它的空气环境露点温度,空气中的部分水蒸汽被冷凝为液态水,由冷却干燥器表面亲水材料收集,在毛细力作用下传输至冷凝水收集器。在以后的上升号飞船、联盟号飞船、航天飞机、和平号空间站、自由号空间站,直至“国际空间站”,均采用主动冷凝干燥器实现密封舱内环境湿度控制。图3给出“国际空间站”各舱段内冷凝干燥器的分布和数量。一般地,冷凝干燥器由CHX芯体、空气入口过滤器、风门(风量调控阀)、水汽分离器等部件组成,其中CHX芯体是其核心部件。图4给出了欧洲航天局为“国际空间站”哥伦布舱研制的冷凝干燥器流程示意图,图5给出该冷凝干燥器飞行备件实物图片。3.1空气除臭过程CHX芯体作为冷凝干燥器的核心部件,实质上是一种气液换热器,使流经它的气体(空气)温度降低,液侧液体吸热而实现热量收集。除此之外,要求液测液体温度低于空气的露点温度,使空气中的水蒸汽遇冷凝结,形成小液滴附着在芯体表面亲水材料内(如图6所示),再由专门的水汽分离装置收集存储起来,实现空气的除湿过程。如图7所示,给出流经冷凝热交换器空气的温度和湿度的变化过程。在专用风机组件的作用下,使密封舱内空气循环流动,实现连续不断除湿的目的。3.2不同结构干燥器中入口液体温度的控制如图4所示,冷凝干燥器通过风门开度的调节,采用旁路控制方法实现对密封舱环境湿度的控制。而湿度测量由湿度传感器完成。当密封舱相对湿度增加时,调大风门开度,则流过CHX芯体的空气流量增大,更多的水蒸汽被冷凝,从而除湿量增多。反之,除湿量减少,以实现密封舱相对湿度满足航天员舒适度范围要求。通常载人航天器密封舱内航天员人数和工作强度不同,不同飞行阶段密封舱产湿量变化较大。为此,除旁路控制方法外,还采用调节冷凝干燥器液侧入口液体温度的方法来进行湿度控制。如俄罗斯联盟-TM飞船,根据舱内航天员人数的不同,设置不同的冷凝干燥器入口液体温度。当冷凝干燥器入口液体温度降低,CHX芯体液侧和气侧温差增大,换热增强,CHX芯体表面温度降低,远低于空气露点温度,空气中更多的水蒸汽被冷凝下来,除湿能力增强;反之,除湿能力减弱。3.3旋转分离方法密封舱环境中的水蒸汽由CHX芯体冷凝下来的液滴,如不及时就地收集,在失重条件下处于悬浮状态,将可能引起仪器设备电路短路等危险。因此,水汽分离技术是冷凝干燥器研制过程中的一项关键技术。一般地,常用亲水涂层(HydrophilicCoating)进行水汽分离,它是利用涂层本身的亲水性(Hydrophilicity)来实现被冷凝水汽与空气的分离,防止水汽悬浮于密封舱内。该方法已经成功用于美国双子星座飞船、俄罗斯联盟-TM飞船。同样,前面已提到的“国际空间站”哥伦布舱冷凝干燥器也采用该方法,使用亲水涂层加毛细板(CapillaryPlates)的结构,亲水涂层实现水汽分离,毛细板利用其毛细力实现液态水汽的转移和传输,如图8所示。同热控涂层一样,亲水涂层存在寿命问题,主要受环境空气条件(如微生物、细菌等)的限制。为了进一步提高水汽分离的效率,在被动式亲水涂层水汽分离的基础上,旋转式水汽分离方法被提出。旋转水汽分离,源于航空飞机环控系统水汽分离方法:经气液换热器冷凝后的过饱和湿空气(含液态水汽),随高速气流进入一旋转室,在离心力作用下,湿空气中的水汽在旋转室外表面聚集起来,再由专门的水抽吸装置转移传输至水箱储存和统一处理。旋转分离方法国外已成功用于航天器的水汽分离,而在国内还是空白。旋转式水汽分离方法,在离心力驱动下,冷凝干燥器水汽分离效率增加,但它引入活动部件,可靠性有所降低。4密封舱环境湿度控制的方法本文系统地介绍了航天器