空间站舱内微量有害气体状态评价和流转分析

文章聚焦于中国空间站长期在轨运行中微量有害气体的整体状态和控制情况,阐述了微量有害气体随舱内物质循环向冷凝水回收净化以及CO_(2)去除和还原等环节流转的规律。通过在轨状态分析、地面比对评估试验结果和流转特性分析,说明中国空间站各净化系统对舱内微量污染物成分进行了有效控制,舱内空气中微量有害气体浓度保持在较低水平。研究旨在为后续微量有害气体净化环节的运行和监测提供指导。

载人航天环控与生保标准现状概述

环境控制(简称环控)与生命保障系统(简称生保)作为载人航天器(或载人空间平台/基地)的分系统,直接关系到航天员的身体健康与安全,是载人航天的关键系统,也是区别于不载人航天器的根本所在。本文简介载人航天环控与生保技术发展与标准现状,概述ISO标准、MCB标准和ECSS标准相关内容,针对我国现状,提出以下建议:借鉴国外经验,从用户及应用角度出发,围绕环控生保两大任务及技术要素进行标准体系策划;标准项目去型号化,重点规定技术要求以及接口;采用谁使用就由谁主导制定标准的原则,充分满足用户使用需求。

“国际空间站”环境控制与生命保障系统技术升级分析

环境控制与生命保障系统可在载人航天器上通过人工手段为航天员提供清洁的空气和纯净水,系统具有水循环和管理、废弃物管理、大气控制与环境监测等功能。“国际空间站”结合了储存式和有限可再生式生保系统,这些技术的应用将有助于降低空间站的运营成本。随着各航天大国积极开展深空探测任务,载人登月和火星探测需要环控与生保系统提供闭合度和循环效率更高的生命支持和保障,因此需要在现有技术基础上不断升级迭代。近几年,这些新技术在“国际空间站”上陆续得到了在轨试验验证。

基于尿素电氧化技术的空间站新型污水回用系统设计

空间站中水资源的补充对实现宇航员长期在轨驻留至关重要。将航天员的尿液处理后循环回用是供水的必要途径之一,其占据了回收水量的绝大部分。然而,传统尿液处理方法存在设备庞大、流程复杂和原子利用率低等问题。因此设计了新型污水处理及回用系统:基于尿素电氧化技术处理尿液,引入甲烷燃料电池与Sabatier反应器和氢氧燃料电池联用,以进一步利用尿液处理产物,通过设计分级处理及动态调控系统,精准配置空间站内水资源。该设计系统有助于节省宝贵空间并降低处理能耗,有望提高水的回收率同时实现资源的优化配置,为空间站内水资源的循环利用提供新思路。

引力波探测中的超低频热噪声传递特性分析

建立了基于温度振幅谱密度的低频温度噪声传递模型,并通过实验验证了模型的准确性,通过该模型研究低频热流条件下,热源频谱特性以及热控材料的厚度对温度噪声传递的影响。研究结果表明:随噪声频率的增加,经过被动热控材料抑制的温度噪声逐渐降低,并最终基本保持不变,说明在文章提供的材料条件下,超过0.17 Hz时适合用被动热控材料进行温度噪声抑制,低于0.17 Hz时需要采用主动热控方法进行抑制;随被动热控材料厚度的增加,温度噪声的对数线性降低,对于超低频温度噪声需要采用更厚的热控材料,从节省空间资源的角度,超低频温度噪声更适合用主动热控方法进行抑制。

太极二号卫星精密热控关键技术及试验验证

针对引力波探测太极二号卫星提出的高稳定度温控需求,开展了高分辨率测温系统和高稳定度热控技术的研究,提出了多级阻尼的热控设计方法,建立了多级阻尼状态空间数学模型,揭示了系统中热量传递特性。该方法在太极二号核心载荷上进行了地面试验验证,试验结果表明核心舱关键仪器的温度满足指标要求。试验结果的噪声分析,不仅验证了精密热控关键技术,而且提出了关于热噪声分析与抑制的新方法,为后续航天器精密热控技术提供了理论分析方法和工程参考依据。

小型化遥感相机制冷控制器的驱动优化方案

卫星质量决定发射成本,卫星质量越大发射成本越高,同时结合低制造成本需求,小型化遥感产品的研制变得越来越迫切。作为遥感相机的组成部分,制冷控制器也同样面临着减重降本的小型化压力。文章从制冷控制器驱动电路着手,设计两线制正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)驱动优化方案,硬件上相较于传统的四线制驱动,采用SPWM信号复用方法,将四套信号处理电路缩减至两套,节约了一半的电路设计,起到了减重降本作用;软件上在四线制SPWM波形输出的基础上做设计优化,输出同等驱动分辨率的两线制SPWM信号,即满足硬件电路设计需求,又保证了制冷控制器的控温精度。该方案通过原理分析、仿真验证、实物测试、效果对比,结果表明该方案在保证控温性能不变的同时,优化了设计,是一种可行的小型化设计方法。

可重复使用试验航天器热控分系统产品保证工作实践

分析了可重复使用试验航天器热控分系统具有的设计约束多,技术难度大;研制周期短,正样研制与鉴定工作重叠开展;分系统外协产品多,管控链条长等研制特点。针对上述特点,总结了项目采取的主要产品保证工作措施,如狠抓技术风险识别与控制,严格过程管控和试验验证,开展发射场质量确认等。上述措施有效保证了试验航天器热控分系统的产品质量,为后续型号研制开展相关产品保证工作提供了借鉴。

多支路并联流体回路流量分配影响因素分析

多支路并联流体回路热控技术在载人航天器上获得了广泛应用。外热流、重力场和管路阻力特性等因素会影响流阻,进而影响流量分配和散热能力,这可能会造成工质冻结并引起回路失效,威胁航天器安全,因此亟需针对影响流量分配因素开展分析。基于梦天实验舱6条并联流体回路建立简化模型,分别研究外热流、重力场和管路阻力特性对流量分配的影响,发现辐射散热带来的工质物性变化会导致各支路流量分配不均,外热流变化带来的回路散热量增加,以及重力场存在会加剧流量分配不均匀性。另外,回路在设计和运行时都要避免工质温度进入黏度剧烈变化区域,否则各支路流量容易受外部环境变化影响而发生较大波动。

空间相机大功率热源散热设计

为解决复杂外热流下散热面难以确定的难题,基于散热面总到达外热流最小的设计原则,对空间相机大功率热源散热设计进行研究。首先,根据相机所处空间环境分析相机受到的外热流。接着,通过分析外热流与热源工作模式,采用在相机两侧设置辐射冷板散热并通过热管耦合的方式,增大了热源的散热效率,减小了辐射冷板的面积。最后,根据相机所处空间环境和采取的热控措施利用热仿真软件进行了热分析验证。仿真结果表明:可见光组件温度为-1.9℃~12.9℃,红外组件温度为1.7℃~10.5℃,制冷机热端温度为-12℃~0.3℃,制冷机压缩机温度为-11.3℃~21.3℃。满足温控指标要求,解决了复杂外热流下相机大功率热源的散热问题。

冷冻浓缩-RO工艺处理空间站尿液试验研究

尿液废水的处理是空间站再生式环境控制与生命保障系统的重要环节.以尿液为分析目标,考察了单/多级冷冻浓缩对尿液的预处理效果,以及反渗透膜对融冰的深度处理效果,并进行了能耗分析.结果表明,冷冻浓缩能高效地去除尿液中各种杂质,仅经单级处理,即可去除原尿液97%以上的氨氮、有机物和91%以上的盐;反渗透装置对进水中的盐和氨氮有良好的去除效果,各级融冰经反渗透膜过滤后,出水水质均可满足杂用水的水质标准;综合考虑能耗和出水水质,认为两级冷冻浓缩与反渗透的组合工艺更能体现该工艺高效低耗的特征.

基于吸声材料的火箭整流罩噪声环境控制

吸声材料是火箭常用的降噪方法之一。针对高速火箭整流罩,采用三聚氰胺泡沫塑料吸声材料开展了被动控制内声场降噪方法的实验和数值研究。首先,建立了阻抗管的实验平台,实验测量了吸声材料在不同厚度和表面处理下的吸声系数。然后,基于该材料设计了多种火箭整流罩的内声场降噪的方案,采用统计能量数值仿真方法及混响室噪声环境实验,研究了吸声材料厚度、表面处理及布局方式对整流罩降噪性能影响规律。结果表明,采用吸声材料能够有效降低整流罩内声场噪声,总声压级隔声量最大达5.5 d B,厚度增加和表面处理在一定程度上能够增加隔声量。

航天服隔热材料技术研究进展

为明确我国未来航天服被动热防护技术的应用发展方向,结合国内外在用近地轨道航天服隔热材料技术的发展现状和先进航天服隔热材料的设计需求,对先进航天服隔热材料的相关研究进行了评述。目前,多层隔热组件是在近地轨道和月面等高真空环境下隔热效果最理想的材料,但为提高服装的活动性能和对空间环境的适应能力,需作进一步改进。纤维类材料在航天服隔热应用方面具有传统优势,但在面向火星任务为代表的低真空环境的深空探测中,未能达到热导率和材料厚度相结合的隔热目标;气凝胶类材料具有较低的热导率,在火星大气环境下具有最好的隔热性能,但无法规避粉尘污染及机械耐久性等问题。研究具有更细纤维尺度和特殊空隙结构的纤维种类,制备具有柔韧耐久特质的有机气凝胶材料,探索具有不同技术优势的材料的组合应用,将成为解决未来先进航天服隔热问题的主要途径。

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O_2特征,为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置,在"红萍-鱼-人"共存情况下,测定密闭舱内O_2,CO_2浓度的变化.试验结果显示,单位重量的鱼耗O_2量为0.0805～0.0831 L·kg^(-1)·h^(-1),排放CO_2量为0.0705～0.0736 L·kg^(-1)·h^(-1);试验志愿者耗O_2量19.71 L·h^(-1),呼吸释放CO_2量18.90 L·h^(-1).人工光照保持7000～8000 lx条件下,红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成,舱内O_2,CO_2浓度趋于平衡.密闭舱内CO_2浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果,红萍光合放O_2能力很强,能有效促使密闭舱内O_2,CO_2浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡,进而验证了红萍的空间应用前景.

空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象

为了分析乘员在没有良好通风的压力舱内停留时,呼出CO2的聚集过程并评估其可能导致的医学危害,建立了乘员在特定空间站睡眠舱的计算流体动力学模型,对乘员在睡眠区的呼吸过程进行了非稳态模拟.模拟中乘员的CO2呼出浓度和肺通气量根据生理实验随CO2吸入浓度变化.通过模拟给出了睡眠区典型位置处CO2分压随时间的变化规律.最后提出了无通风条件下乘员在睡眠区停留的最大容许时间,睡眠区CO2浓度监测仪的布置原则和类似情况下为保障乘员生命安全可采取的一些措施.

2人30天受控生态生保系统物质流调控技术研究

利用受控生态生保系统集成实验平台,进行了2人30天的"人-植物"受控生态系统的大气和水等物质交换和动态平衡调控技术实验,实验过程中对物质流进行研究。试验结果证明系统内大气、水和食物的闭合度分别达到100.0%、84.5%和9.3%,系统能效比达到59.56g/(kW·m2·d);种植面积为13.5 m2的4种共生植物可以满足1人的呼吸需O2量。初步掌握了密闭生态系统中植物与人之间的物质流特性及其动态平衡调控技术,并认识了系统中人、植物和环境三者之间的交互关系,为推动我国长期载人航天受控生态生保技术的深入发展与应用奠定了重要基础。

舱外航天服热设计技术

提出了舱外航天服热设计技术的研究内容 ,回顾了国内外在该领域的研究现状 .分析了二维冷 /热宽温度范围内的人体热调节系统、手指温度仿真以及液冷通风系统传热传质过程 ,建立了舱外航天服热设计仿真技术平台 .通过人体热生理实验对该热设计仿真技术进行了验证 .

面向在轨维修的电动工具冲击机构设计

针对空间站上大型在轨可替换单元的在轨维修任务需求,开发了一种低转速、大力矩输出且具有小反作用力、低冲击振动特点的舱外电动工具离合器式冲击机构。通过运动微分方程分析了单个碰撞周期内冲击机构的关键运动状态,并推导出稳定运行过程的力矩控制方程;研究了冲击机构关键设计参数对极限冲击力矩的影响,并根据设计结果进行结构瞬态动力学仿真;搭建在轨维修地面模拟试验平台和舱外活动(EVA)模拟装置进行了冲击电动工具的功能验证试验和工效学试验,结果表明:受试者手部承受的反作用力和振动幅值很小,工具产生的最大拧紧力矩为41.64 N·m,能够对M10螺钉进行有效的拧紧和拧松作业。以上研究可为在轨冲击型大力矩输出电动工具的研制提供技术支撑。

载人航天器环控生保系统热网络的轻量化分析

目的减轻载人航天器中环控生保系统的重量。方法 采用网络分析原理，研究由环控生保系统中气、液流体回路所构成的流动和热网络，建立此网络中流动、传热及重量计算的物理模型和数学模型。从热平衡、传热及其系统重量关系式出发，计算出网络的结点热力学参数及网络系统重量，并对系统重量的一些影响因素进行了分析。结果 流动和热网络系统中存在最佳管径，使系统重量最小。并且此最佳管径与流量关系密切；适当地提高通风温度可以降低系统重量；网络系统中存在最佳的热组件布局方式，对应的系统重量最小。结论 这些规律对载人航天器环控生保系统轻量化具有重要参考意义。

航天器铷钟的一种精密控温系统

研究了一种应用于航天器的高精度、高稳定度的温度控制系统:使用热敏电阻作为温度传感器;采用多级控温策略,核心级采用基于径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络比例、积分、微分(PID)控制算法,非核心级采用积分分离式PID算法;采用脉宽调制(PWM)控制作为控制方式。以航天器铷钟作为控制对象,通过铷钟模拟件的热平衡试验,验证了高精度控温系统的控制效果。试验结果表明:核心级施加RBF神经网络PID控制时,稳态控温精度优于±0.08℃;内热源阶跃冲击或外热流正弦扰动下,其温度波动小于±0.1℃,控温稳定度优于0.1℃/d。此精密控温系统可应用于有高精度控温需求的航天器星钟和高分辨率光学相机。