劉偉，丁建完，趙建軍，陳立平

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基于Modelica的載人航天器環(huán)熱控系統建模仿真

劉偉，丁建完，趙建軍，陳立平

（華中科技大學機械與工程學院，武漢 430074）

為了給載人航天器乘員營造一個良好的生活工作環(huán)境，需要將眾多空氣環(huán)境參數控制在指標范圍內。文章結合載人航天器專業(yè)知識，基于Modelica統一建模語言建立了一種載人航天器環(huán)熱控系統仿真分析模型；利用該模型仿真分析了溫濕度控制風機取不同轉速時，載人航天器空氣環(huán)境參數隨乘員代謝水平的變化趨勢。結果表明：在其他參數不變的情況下，溫濕度控制風機轉速越大，空氣溫度越低，相對濕度越高；乘員代謝水平變化對空氣環(huán)境參數有顯著影響，通過調節(jié)系統運行參數可將各空氣參數有效控制在指標范圍內。艙體溫度與氧分壓、二氧化碳分壓、艙體相對濕度有密切關系且相互影響，不可單獨分析。

載人航天器; Modelica語言; 環(huán)熱控系統; 建模仿真

0 引言

載人航天器環(huán)熱控系統是載人航天器極其重要的組成部分[1-3]。目前針對載人航天器環(huán)熱控系統的仿真主要存在以下問題[4]：

1）一些仿真軟件采用信號框圖進行圖形建模，不能體現實際組件的連接關系；

2）設計初期關心的是系統層面指標，而傳統的CFD軟件擅長從流場進行分析，不便于從系統層面進行仿真分析驗證；

3）多是針對環(huán)熱控系統的一部分進行建模仿真，尚未見到針對完整環(huán)熱控系統建模仿真的公開報道。

Modelica語言是一種面向對象的非因果關系的仿真建模語言，其數據流的傳遞方向是雙向的；添加了模塊的重用功能，模塊的通用性更強；是基于方程的建模語言，采用自底向上的建模方式，先建立組件模型，再建立系統模型，適合進行多領域系統統一建模[5-6]。

本文采用Modelica語言對載人航天器環(huán)熱控系統進行仿真建模分析。首先建立載人航天器環(huán)熱控系統的組件模型；然后利用組件模型按照物理拓撲搭建了完整的載人航天器環(huán)熱控系統仿真分析模型；對某型號載人航天器溫濕度控制風機的轉速與空氣環(huán)境參數之間的關系進行仿真分析，獲取了風機的合理轉速范圍，并分析了載人航天器空氣環(huán)境參數隨乘員代謝水平的變化趨勢以及關鍵環(huán)境指標之間的關系。

1 環(huán)熱控系統

1.1 環(huán)熱控系統的組成

環(huán)熱控系統主要由供氣調壓子系統、空氣成分控制子系統、溫濕度控制子系統、低溫內回路控制子系統、中溫內回路控制子系統以及外回路控制子系統組成，如圖1所示。

1）供氣調壓子系統。密封艙通過氧氣/氮氣供氣組件進行補氣，當氧分壓或總壓達到下限時，閥門開啟，補氣過程啟動；當氧分壓或總壓達到上限時，閥門關閉，補氣過程終止。密封艙給乘員提供氧氣和工作生活的空間，乘員新陳代謝產生的二氧化碳和水返回到密封艙中，并且伴隨著熱量的交換[7]。

2）空氣成分控制子系統?？諝饨涍^管道流入二氧化碳凈化風機中，風機驅動空氣進入二氧化碳凈化器，將二氧化碳分壓控制在指標范圍內，并將凈化后的空氣返回到密封艙中。凈化器替換裝置接收密封艙傳來的二氧化碳分壓測量信號，當二氧化碳分壓達到指標上限時發(fā)出信號，更換新的二氧化碳凈化器[8-9]。

3）溫濕度控制子系統?？諝馔ㄟ^溫濕度控制風機進入冷凝干燥器，經過冷凝干燥器控溫的干空氣流回到密封艙，濕空氣進入水氣分離裝置，經過除濕的空氣返回到密封艙，分離出的水儲存到水箱中[10-11]。

4）低溫內回路控制子系統。配備低溫內回路泵、換熱器和溫控閥，通過在低溫中間換熱器外回路側設置旁路和溫控閥，調節(jié)低溫內回路工質流入換熱器和旁路的流量，實現低溫內回路控溫點溫度水平的維持或調節(jié)。

5）中溫內回路控制子系統。配備中溫內回路泵、換熱器和溫控閥，通過在中溫中間換熱器外回路側設置旁路和溫控閥，調節(jié)流入換熱器的外回路工質流量，實現中溫內回路控溫點溫度水平的維持或調節(jié)。

6）外回路控制子系統。艙段中溫內回路和低溫內回路收集的熱量分別通過中溫中間換熱器和低溫中間換熱器傳遞給外回路。外回路收集艙內熱負荷及艙外設備工作產熱后，通過輻射器受控向外空間排散。

1.2 環(huán)熱控系統指標要求

依據環(huán)熱控系統的功能，選擇空氣溫度、空氣相對濕度、氧分壓、二氧化碳分壓和內回路控溫點溫度作為系統評價指標。表1為參考國際空間站環(huán)熱控系統指標要求[12]，所列指標均為艙內平均值。本文將環(huán)熱控系統及設備按照集中參數考慮。

表1 環(huán)熱控系統指標要求

1.3 溫濕度控制風機轉速與流量的關系

經過實驗，得到溫濕度控制風機的轉速與風機入口質量流量的關系如表2所示，隨著風機轉速的增大，流量也不斷增大。

表2 溫濕度控制風機轉速與風機入口質量流量的關系

1.4 乘員代謝水平

乘員在軌駐留期間，代謝水平會隨著不同的活動狀態(tài)發(fā)生改變，本文考慮了睡眠、靜息、輕度活動和中度活動4種情況下乘員的代謝水平。不同活動狀態(tài)下單個乘員代謝情況如圖2所示。

1.5 乘員作息時間

設定載人航天器密封艙內乘員人數為3人，且總是處于相同的代謝水平，每日作息依次為：睡眠7h，靜息4h，中度活動2h，輕度活動11h。

2 仿真模型

本文采用數學分析軟件MWorks作為載人航天器環(huán)熱控系統建模仿真的基礎平臺，該平臺具有圖形化建模和仿真分析的功能[12-13]?；诙囝I域統一建模語言Modelica建立載人航天器環(huán)熱控系統的關鍵組件模型。限于篇幅原因，組件未全部列出。

2.1 密封艙組件

密封艙體是乘員在軌駐留的場所，密封艙內安裝有各個系統的平臺設備和載荷設備，艙內要創(chuàng)造出與地面類似的人工大氣環(huán)境，包括艙壓、空氣成分、溫濕度水平等，同時也要通過主被動方式收集、傳遞、排散密封艙內設備的工作產熱，將設備的工作溫度維持在要求范圍內。

1）質量守恒方程為

dm/d=inin,j–outout,j+lf,j。 (1)

式中：m是密封艙空氣中第種成分的質量；in和out分別是單位時間內進入和流出密封艙的空氣質量；in,j和out,j分別是進入和流出密封艙的空氣中第種成分的質量分數；lf,j是乘員新陳代謝產生的第種空氣成分的質量。

2）傳遞給艙壁的能量方程為

dwall/d=wall。 (2)

式中：wall是艙壁的內能；wall是傳遞給艙壁的總熱量。

3）傳遞給艙內空氣的能量方程為

dair/d=inin–outout+air。 (3)

式中：air是密封艙空氣的內能；in和out分別是進入和流出密封艙空氣的比焓；air是空氣增加的總熱量。

4）艙內空氣傳遞給艙壁的熱流量為

air,wall=convwall(air–wall)。 (4)

式中：conv是艙內空氣和艙壁的熱交換系數；wall是艙壁的面積；air是艙內空氣的平均溫度；wall是艙壁的平均溫度。

2.2 乘員組件

乘員在軌駐留期間，會消耗氧氣，同時排出二氧化碳、水蒸氣及代謝產熱。這些物質和熱量會排入密封艙內的空氣中，并最終由密封艙內的空氣成分控制子系統、溫濕度控制子系統進行處理，將密封艙內空氣成分和溫度水平維持在指標范圍內。

1）新陳代謝活動方程為：

=(act–bas)； (5)

=act+shiv。 (6)

式中：是每個乘員的機械力；是機械效率；act是乘員新陳代謝活動量；bas是乘員基礎代謝活動量；是乘員總代謝活動量；shiv是肌肉顫抖產生的熱量。

2）呼吸方程為：

O2=/[6000×247.35×(0.23RQ+0.77)]； (7)

CO2=RQ×O2×(MWCO2/MWO2)。 (8)

式中：O2和CO2分別是消耗的氧氣和產生的二氧化碳的質量；RQ是呼吸系數；MWCO2和MWO2分別是二氧化碳和氧氣的摩爾質量。

2.3 離心風機組件

根據動能變換為勢能的原理，氣體經過離心風機快速轉動的葉輪時，先加速再減速，最后改變流動方向，將動能變換為勢能。

能量方程為

dout/d=[in(in–out)+]/(dryC,dry)。 (9)

式中：out是風機輸出工質的溫度；in和out分別是風機入口和出口的工質的焓值；是風機傳遞給流體的功率；dry是風機固體壁的質量；Cdry是風機固體壁的比熱容。

液壓效率方程為

=TDH·/。 (10)

式中：是風機的液壓效率；是液體密度；是重力加速度；TDH是風機的總動壓頭；是工質體積流量；是風機的制動功率。

2.4 換熱器組件

換熱器為緊湊型板翅式液/液換熱器，其基本單元是將波形翅片夾在兩層隔板之間，兩側用封條密封。換熱器由很多小的單元組合而成，相鄰的單元通過平板將熱量傳遞出去，用于將低溫內回路收集的熱量傳遞給外回路，實現低溫內回路熱量的排散和控溫點溫度的控制[15]。

1）能量方程為：

dhot,out/d=[hot,in(hot,in–hot,out)–ex]/

(hot,inhotC,hot+dry,hotC,dry)； (11)

dcold,out/d=[cold,in(cold,in–cold,out)+ex]/

(cold,incoldC,cold+dry,coldC,dry)。 (12)

式中：hot,out是換熱器熱端輸出工質的溫度；hot,in是換熱器熱端輸入口工質的質量流量；hot,in和hot,out分別是換熱器熱端輸入口和輸出口的工質的焓值；ex是冷/熱流體交換的熱流量；hot,in是熱端工質密度；hot是熱端流體體積；C,hot是熱端流體的比熱容；dry,hot是換熱器固體壁的質量；C,dry是換熱器固體壁的比熱容。冷端參數含義類似，下標為“cold”。

2）換熱器的冷端熱容cold和熱端熱容hot分別為：

cold=hot,inC,cold； (13)

hot=hot,inC,hot。 (14)

2.5 輻射器組件

輻射器用于受控排散外回路傳遞的熱量，維持外回路控溫點溫度。輻射器為管肋式結構，外回路工質通過外回路溫控閥流入輻射器管路。工質的熱量傳遞給管壁，再傳遞給輻射器面板，最終通過輻射器面板以輻射的形式向外空間排散[16]。

輻射器極限散熱量為

max=(4w,0–S4)。 (15)

式中：是輻射器發(fā)射率；是斯忒藩–玻耳茲曼常量；是輻射器翅片長度；是輻射器翅片寬度；w,0是輻射器管路入口處的肋根溫度；S是等效熱沉溫度。

熱沉溫度的計算公式為

S4=S(1+2)+3。 (16)

式中：1是太陽輻射熱流密度；2是地球反照太陽輻射熱流密度；3是地球紅外輻射熱流密度。

2.6 系統模型

基于上述組件模型，按照環(huán)熱控系統物理拓撲，采用拖放式建模，在MWorks中搭建的環(huán)熱控系統模型如圖3所示。

3 仿真結果與分析

利用建立的載人航天器環(huán)熱控系統模型進行仿真分析，假定乘員按照1.5節(jié)的作息時間處于4種活動狀態(tài)，密封艙內設備產熱為1000W，低溫內回路流量為0.16kg/s，中溫內回路流量為0.2kg/s；外回路流量為0.18kg/s。環(huán)熱控系統模型各組件的參數設置如表3所示。

表3 模型參數設置

仿真分析了1天時間內在溫濕度控制風機的轉速分別設置為10、32.5、55、77.5、100rad/s的情況下，密封艙內空氣環(huán)境各個參數隨時間的變化，結果如圖4～圖7所示。

由圖4可知，隨著乘員代謝水平的變化，空氣溫度也隨之發(fā)生變化。當乘員睡眠和靜息時，在前4h左右，溫度上升較快；在第4h到第11h之間，空氣溫度上升緩慢，基本維持在23.3℃左右；第11h時，乘員轉為中度活動，空氣溫度快速上升；第13h時，乘員轉到輕度活動狀態(tài)，空氣溫度快速下降；第21.5h時，氧分壓達到下限，密封艙啟動補氧，空氣溫度上升；第22h時，氧分壓達到上限，密封艙停止補氧，空氣溫度下降。

當風機轉速大于55rad/s或者小于10rad/s時，空氣溫度有部分時間不在指標范圍內；風機轉速為32.5rad/s時，空氣溫度始終處在指標要求范圍內。因此，溫濕度控制風機轉速至少要在10～55rad/s內，最好在32.5rad/s附近取值。

由圖5可知，當乘員在第11h由靜息轉為中度活動時，雖然乘員新陳代謝產濕量增加，但由于空氣溫度上升比較明顯，使得空氣相對濕度反而下降；第13h時，當乘員由中度活動轉到輕度活動狀態(tài)，由于空氣溫度顯著下降，雖然乘員代謝產濕量下降，但空氣相對濕度顯著上升；第21.5h時，氧分壓達到下限，密封艙啟動補氧，空氣溫度又開始上升，空氣相對濕度下降；第22h時，氧分壓達到上限，密封艙停止補氧，空氣溫度又開始下降，空氣相對濕度上升。

風機轉速為10rad/s時，雖然乘員不斷產濕，但是溫度快速升高，導致空氣相對濕度下降；3h左右時，空氣溫度趨于穩(wěn)定，隨著乘員不斷產濕，空氣相對濕度上升，有部分時間不在指標要求范圍內；風機轉速在32.5～100rad/s范圍內時，空氣相對濕度始終處在指標要求范圍內。

由圖6可知，對于溫濕度控制風機轉速為10rad/s的情況，由于空氣溫度顯著上升，氧分壓先上升；3h時，空氣溫度趨于穩(wěn)定，隨著乘員的不斷消耗，氧分壓慢慢下降；21.5h時，氧分壓達到下限，密封艙強制補氧，氧分壓快速上升；當氧分壓達到上限停止補氧后，氧分壓緩慢下降。當溫濕度控制風機轉速在32.5～100rad/s內取值，乘員處于睡眠和靜息時，氧分壓一直在緩慢下降；當氧分壓到達下限時，開始補氧，氧分壓上升；當氧分壓達到上限，停止補氧后，氧分壓緩慢下降；21.5h時，密封艙強制補氧，氧分壓快速上升，當氧分壓達到上限，停止補氧后，氧分壓緩慢下降。

綜上所述，溫濕度控制風機轉速在10～100rad/s內取值，氧分壓在整個駐留周期內均在指標范圍內。

由圖7可知，隨著乘員代謝水平的變化，艙內空氣的二氧化碳分壓也隨之發(fā)生變化，當乘員處于睡眠和靜息時，二氧化碳分壓逐漸上升至80Pa；當第11h乘員轉為中度活動時，產出的二氧化碳增多，造成二氧化碳分壓上升速度變快；第13h時，乘員轉到輕度活動狀態(tài)，代謝減弱，產出的二氧化碳變少，使得二氧化碳分壓上升速度變慢；在20h之后，二氧化碳凈化器慢慢失效，二氧化碳分壓達到上限，更換新的二氧化碳凈化器后，二氧化碳分壓快速下降。

綜上可知，溫濕度控制風機轉速在10～100rad/s內取值，二氧化碳分壓在整個駐留周期內均在指標范圍內。

4 結論

本文基于Modelica語言，通過MWorks平臺針對某型號載人航天器建立了載人航天器環(huán)熱控系統模型，分析了溫濕度控制風機的轉速范圍和乘員在不同代謝水平下關鍵空氣環(huán)境參數隨時間的變化趨勢，得出以下結論：

1）在其他參數不變的情況下，溫濕度控制風機轉速越大，空氣溫度越低，相對濕度越高；

2）溫濕度控制風機轉速要在10～55rad/s取值，最好在32.5rad/s附近取值，可保證關鍵空氣環(huán)境參數在整個駐留周期內均在指標范圍內；

3）乘員代謝水平的變化對載人航天器空氣環(huán)境參數有顯著影響；

4）空氣溫度的變化會對相對濕度、二氧化碳分壓和氧分壓水平造成影響，因此，環(huán)熱控系統各個參數的控制相互影響，不能獨立進行分析。

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（編輯：張艷艷）

Modeling and simulation of environment and thermal control system of manned spacecraft based on Modelica

LIU Wei, DING Jianwan, ZHAO Jianjun, CHEN Liping

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to support an adequate residence for the crew, the key air environment parameters of the manned spacecraft should be controlled within an index range with the environmental and thermal control system, which involves a number of design and operational parameters. With the professional knowledge and the modeling language of Modelica combined, a simulation model for the manned spacecraft environmental and thermal control system is developed. With this simulation model, the relation between the air environment parameters and the crew metabolic level is studied from the system level with different speed ranges of the temperature and humidity control fan. According to the results, it is shown that in the case of other parameters kept unchanged, the greater the temperature and humidity control fan’s speed is and the lower the air temperature is, the higher the relative humidity will be; the crew metabolic level could influence the air environment parameters dramatically. The air environment parameters could be maintained within the index range though regulating the control system operational parameters. Furthermore, the air environment parameters could not be analyzed separately due to the non-negligible effects of the air temperature on the oxygen partial pressure, the carbon dioxide partial pressure and the relative humidity.

manned spacecraft; Modelica language; environment and thermal control system; modeling and simulation

V423.7; V476.1

A

1673-1379(2017)02-0143-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.006

2016-06-30；

2017-03-04

國家高技術研究發(fā)展計劃資助項目（編號：2013AA041301）；國家自然科學基金項目（編號：61370182）

劉偉（1990—），男，碩士研究生，研究方向為熱流體系統多領域統一建模仿真與優(yōu)化設計；E-mail: liuw@tongyuan.cc。指導教師：丁建完（1975—），男，博士學位，副教授，研究方向為多領域系統建模與仿真、機械系統動力學分析和基于方程的陳述式建模與模型求解方法；E-mail: dingjw@hust.edu.cn。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544