金 巖

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

航天員長(zhǎng)期在艙內(nèi)工作、生活，對(duì)艙內(nèi)噪聲的控制提出了嚴(yán)格要求，規(guī)定航天員生活環(huán)境的噪聲指標(biāo)為55～69 dB。在國(guó)際空間站上，曾經(jīng)因噪聲指標(biāo)超出了規(guī)定的要求（用隨身攜帶的聲強(qiáng)計(jì)所測(cè)得的噪聲水平為72 dB/24 h），航天員不管是睡眠還是工作，都要被迫戴上消音頭盔和耳塞等聽力保護(hù)裝置，長(zhǎng)時(shí)間的飛行任務(wù)導(dǎo)致多位航天員的聽力受到了永久性損害[1]。對(duì)國(guó)際空間站上各系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱控分系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲在整個(gè)噪聲中占了很大的比例。

為了滿足長(zhǎng)期載人飛行任務(wù)的需求和總體技術(shù)要求的規(guī)定，噪聲控制變得非常迫切。本文針對(duì)熱控分系統(tǒng)的噪聲控制問(wèn)題，通過(guò)熱控分系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)以及單機(jī)設(shè)備的降噪優(yōu)化等措施，找到了相關(guān)技術(shù)途徑或方法，可以有效地降低載人航天器熱控分系統(tǒng)噪聲水平。

1 熱控分系統(tǒng)的噪聲源

熱控分系統(tǒng)的噪聲源主要有轉(zhuǎn)速很高的流體回路設(shè)備和強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)設(shè)備。

1.1 流體回路設(shè)備的噪聲

為了便于航天員在軌維修或更換，一般內(nèi)回路泵布置在艙內(nèi)。泵是一個(gè)噪聲源，又長(zhǎng)期工作在密封艙內(nèi)，所產(chǎn)生的噪聲對(duì)航天員造成很大的影響。流體回路泵產(chǎn)生噪聲的原因是多方面的：流體回路泵的轉(zhuǎn)速很高，當(dāng)泵的葉輪推動(dòng)液體工質(zhì)時(shí)會(huì)形成噪聲；因汽蝕作用而導(dǎo)致流體回路的壓力出現(xiàn)波動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲；若泵體或軸的剛性不好，在泵運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲；由于泵的葉輪靜不平衡或動(dòng)不平衡的問(wèn)題，在離心力作用下會(huì)引起泵較大的振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲；當(dāng)軸承高速轉(zhuǎn)動(dòng)的負(fù)荷較大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生噪聲；電動(dòng)機(jī)也是重要的噪聲源等。由流體回路設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲沿流體回路管路傳播至艙內(nèi)，再通過(guò)空氣傳播至航天員的耳朵。

1.2 強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)設(shè)備的噪聲

在微重力環(huán)境中，由于自然對(duì)流很弱，所以需要用強(qiáng)迫對(duì)流的方法來(lái)進(jìn)行熱交換，即用風(fēng)機(jī)來(lái)推動(dòng)空氣。而熱控分系統(tǒng)設(shè)備的冷卻也需要靠風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣流動(dòng)進(jìn)行換熱[2]。

強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)設(shè)備的噪聲源主要是各種風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，由旋轉(zhuǎn)的葉片與空氣的相互作用而形成渦流噪聲；由于風(fēng)機(jī)的葉輪靜不平衡或動(dòng)不平衡的原因，在離心力的作用下使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲；其他的重要噪聲源還有高負(fù)荷的軸承、電動(dòng)機(jī)等。另外，高速氣流在輸送過(guò)程中與風(fēng)道壁面、風(fēng)口等的摩擦作用也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

2 熱控分系統(tǒng)的噪聲控制

熱控分系統(tǒng)的噪聲控制包括采用減振、隔聲、吸聲等措施來(lái)減少艙內(nèi)的噪聲。

2.1 流體回路設(shè)備的噪聲控制

流體回路設(shè)備的噪聲控制措施如下：

1）加強(qiáng)熱控分系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)，有效地隔斷設(shè)備之間的振動(dòng)傳遞影響；

2）將流體回路泵組布置在遠(yuǎn)離航天員活動(dòng)區(qū)的位置；

3）采取減振措施，如在泵出口處增設(shè)軟管接頭以阻斷振動(dòng)沿管路傳導(dǎo)的路徑，在泵和其他動(dòng)力設(shè)備的安裝座上增加減振墊或吸振阻尼措施[3]，在管路支架與管路之間用毛氈等減振；

4）提高運(yùn)動(dòng)設(shè)備的整體剛度，嚴(yán)格控制各設(shè)備的靜不平衡和動(dòng)不平衡量，降低設(shè)備的本底噪聲水平；

5）設(shè)置氣泡捕集器和補(bǔ)償器使溶解在工質(zhì)中的氣體溢出，對(duì)流體回路工質(zhì)進(jìn)行脫氣處理，以減少氣蝕作用的發(fā)生。

2.2 強(qiáng)迫對(duì)流通風(fēng)設(shè)備的噪聲控制

2.2.1 降低噪聲的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

隨著空間站的規(guī)模加大，通風(fēng)距離越來(lái)越長(zhǎng)，通風(fēng)管路阻力不斷提高，也容易產(chǎn)生漏風(fēng)。若采用單個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，則風(fēng)機(jī)功率很大，其噪聲也很高。為了避免在管路局部產(chǎn)生過(guò)高的壓力并減少漏風(fēng)量，可以采用多風(fēng)機(jī)串聯(lián)送風(fēng)的方式（圖1），這樣一來(lái)單機(jī)不再需要那么高的功率和轉(zhuǎn)速，可有效地降低風(fēng)機(jī)的噪聲。在往艙內(nèi)送風(fēng)時(shí)，可以采取吹吸式方式（圖2），有利于二氧化碳等氣體排散，使新鮮空氣均勻流通。

圖1 空間站風(fēng)機(jī)的串聯(lián)使用示意圖Fig. 1 Application of multi-fans in series in space station

圖2 空間站的吹吸式通風(fēng)示意圖Fig. 2 Push-pull ventilation in space station

如不考慮距離的因素，風(fēng)機(jī)的噪聲衡量指標(biāo)是聲功率與基準(zhǔn)聲功率之比，其表達(dá)式為

式中：LW為聲功率級(jí)，dB；W為聲功率，W；W0為基準(zhǔn)聲功率，W0=1×10-12W。

用式(1)來(lái)計(jì)算兩個(gè) 60 dB的風(fēng)機(jī)加起來(lái)的噪聲是63 dB。因此用多個(gè)小風(fēng)機(jī)替代一個(gè)大風(fēng)機(jī)，在通風(fēng)效果不變的情況下，可以有效地降低系統(tǒng)的噪聲。而且通風(fēng)控制區(qū)域更加靈活，對(duì)氧氣、二氧化碳濃度和溫濕度的控制效果更好。

除控制風(fēng)機(jī)自身的聲功率外，還需對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行消聲和隔聲的控制，以降低航天員生活區(qū)的實(shí)際噪聲。

儀器區(qū)的風(fēng)機(jī)可以加裝密閉的隔聲罩，而由隔聲阻尼材料、吸聲層和阻燃布組成的隔聲罩具有隔聲和吸聲的雙重降噪效果。兩臺(tái)儀器區(qū)的風(fēng)機(jī)裝在同一個(gè)密閉箱（消聲箱）體內(nèi)，而在箱體內(nèi)壁上粘貼泡沫塑料，外覆阻燃布，用于隔離和吸收風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。風(fēng)機(jī)的進(jìn)口、出口采用軟管連接，用于隔離通過(guò)管路傳遞的振動(dòng)。風(fēng)機(jī)下游的靜壓分配箱設(shè)計(jì)成消聲靜壓箱，箱內(nèi)壁粘貼厚泡沫塑料和阻燃布，用于吸收通過(guò)管路傳遞的噪聲。

空間站的設(shè)備機(jī)柜如果采用整體通風(fēng)循環(huán)并聯(lián)送風(fēng)，則風(fēng)機(jī)的通風(fēng)流量、功耗和噪聲均很大，因此機(jī)柜適合配置各自的通風(fēng)系統(tǒng)，在機(jī)柜內(nèi)部形成獨(dú)立通風(fēng)回路。若采用單風(fēng)機(jī)送風(fēng)而噪聲比較大時(shí)，則可以采用多風(fēng)機(jī)送風(fēng)方式，可有效降低機(jī)柜的噪聲。機(jī)柜內(nèi)部的電子設(shè)備若采用射流通風(fēng)冷卻，則在流速較高時(shí)也會(huì)產(chǎn)生噪聲。在不改變壓強(qiáng)和流速的情況下，射流的通風(fēng)孔采用相同面積的梅花孔，可以降低噪聲。

2.2.2 風(fēng)機(jī)的降低噪聲設(shè)計(jì)措施

目前載人航天器風(fēng)機(jī)采用的葉輪材料主要是塑料，若將葉輪的材料換成鋁合金，則其壽命將大大提高，可以滿足空間站的壽命要求。換成鋁合金材質(zhì)后，葉輪也可以做成特定形狀來(lái)降低噪聲。

適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)葉片壓力面尾緣的粗糙度，可以改善軸流通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，并能降低噪聲。

鋸齒型葉片尾緣增加了吸力面和壓力面氣流的摻混，減弱了葉片尾跡的強(qiáng)度，從而降低風(fēng)機(jī)的渦流噪聲。在葉片上打孔也可起到類似的效果。這兩種做法都要進(jìn)行試驗(yàn)，以避免因?yàn)楸∪~片的振顫而使噪聲上升。

在葉片尖位置所對(duì)應(yīng)的機(jī)殼內(nèi)壁上加軟材料的環(huán)型圍帶，能夠大幅度地提高軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，并顯著降低風(fēng)機(jī)的噪聲。

在電機(jī)后面加錐形整流器，改善軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，也能降低噪聲[4-5]。

2.3 改進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸承的精度

采用小游隙的高精度軸承來(lái)作為泵與風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸承，經(jīng)仔細(xì)篩選后再進(jìn)行裝配，嚴(yán)格控制軸承的振動(dòng)加速度級(jí)，以降低因這個(gè)因素而產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。選用負(fù)載能力強(qiáng)的軸承，既可減小噪聲又可提高軸承的壽命。采用高精度軸承，可以提高扇葉和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度。

2.4 使用磁懸浮技術(shù)來(lái)降低噪聲

磁懸浮軸承與普通軸承相比，具有非接觸、無(wú)摩擦、噪聲小、壽命長(zhǎng)、不用潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)。1991年，NASA第一次召開了磁懸浮技術(shù)在航天應(yīng)用的討論會(huì)。美國(guó)、法國(guó)、日本、瑞士和我國(guó)都在開展磁懸浮軸承的研究工作，同時(shí)推動(dòng)其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用[6]。近年來(lái)，磁懸浮技術(shù)廣泛地被應(yīng)用在高速離心機(jī)、衛(wèi)星高速儲(chǔ)能飛輪等設(shè)備中。如果泵和風(fēng)機(jī)能夠使用磁懸浮軸承，必將大幅降低設(shè)備噪聲。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，載人航天器熱控分系統(tǒng)的噪聲問(wèn)題是不可忽視的。通過(guò)熱控分系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)以及單機(jī)設(shè)備的降噪優(yōu)化措施，來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)噪聲，滿足航天員對(duì)生活環(huán)境的基本需求。建議對(duì)噪聲控制技術(shù)進(jìn)行深入的研究，突破其關(guān)鍵技術(shù)，為空間站等載人航天項(xiàng)目中熱控分系統(tǒng)降噪的實(shí)際應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。

（References）

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[2]侯增祺, 胡金剛. 航天器熱控制技術(shù)——原理及其應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 2007: 236-247

[3]金巖. 高速旋轉(zhuǎn)部件在載人航天器熱控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].航天器工程, 2007, 16(6): 57-60 Jin Yan. Applications of high speed rotating parts in thermal control system of manned spacecraft[J].Spacecraft Engineering, 2007, 16(6): 57-60

[4]聶能光, 李福忠. 風(fēng)機(jī)節(jié)能與降噪[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 1990

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[6]張士勇. 磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2003(3): 63-65 Zhang Shiyong. The application status and prospect of magnetic suspension technology[J]. Industrial Instrumentation& Automation, 2003(3): 63-65