黃震，趙建賀，李志杰

?

返回艙再入過程密封艙氣體泄漏計算研究

黃震，趙建賀，李志杰

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

為分析返回艙再入過程中密封艙漏孔內外壓差，并對漏孔變流量充氣過程進行研究，采用離散化分析方法將返回艙再入過程分成若干個階段，針對容積為14 m3的密封艙和面積為10cm2的漏孔，計算并獲得了密封艙內外壓差、漏孔質量流率、漏孔流速等參數(shù)在50～5km范圍內隨高度下降的變化規(guī)律。結果表明：在高度5km開傘時刻，漏孔質量流率達到最大值0.134 kg/s，艙內外壓差趨近于最大值，約20172Pa；返回艙下降過程中漏孔流速在148.4～181.5 m/s之間，處于亞聲速區(qū)；漏孔氣體流速與漏孔面積大小無關，僅與漏孔內外壓力及漏孔進口空氣密度有關。以上研究結果可為密封艙結構強度設計、傘艙彈傘設計提供參考。

密封艙；再入；漏孔；壓力差；質量流率；氣體流速；計算分析

0 引言

飛船長期在軌飛行，返回艙可能被微流星體或空間碎片擊中而產生漏孔[1-6]，這種情況下密封艙內氣體會逐漸泄漏至外太空，致使艙內變成真空狀態(tài)。當返回艙再入時，隨高度下降，密封艙外壓力逐漸增大，外界空氣通過小孔向艙內變流量充氣，致使艙內氣體壓力逐漸升高，最終導致返回艙內外壓差持續(xù)變化。

密封艙在進行結構強度設計時，主要考慮在軌承受0.1MPa的內壓。而當密封艙產生漏孔時，返回艙在軌泄漏成真空，其再入過程中則需反向承受最大0.1MPa的外壓，這個外壓可能造成返回艙被壓而局部發(fā)生形變。

密封艙泄漏雖然屬小概率事件，但對其泄漏規(guī)律研究意義重大。假若由于碎片撞擊或艙體密封故障導致艙體產生漏孔，艙體內外壓力差及漏孔流速會對返回艙的安全及飛行產生重大影響。除了返回艙在返回過程中需要承受外界對艙體最大0.1MPa的壓力外，空氣泄漏的反推作用力可能會對艙體飛行姿態(tài)產生影響，輕則導致較大落點偏差，重則導致返回艙姿態(tài)翻轉無法正常返回。另外，如果傘艙與密封艙聯(lián)通，由于密封艙內外較大的負壓力差可能使得傘艙蓋無法彈開，導致開傘失敗，后果不堪設想。

因此，需要對密封艙漏孔泄漏這一工程問題進行細致研究，從而獲得密封艙內外壓差、漏孔流速、漏孔質量流率等變化規(guī)律，研究結果可為密封艙設計提供參考。

1 漏孔泄漏質量流率

1）當漏孔的空氣流速處于亞聲速范圍時[7-9]，有

式中：=o/i值，o和i分別為漏孔出口氣壓和進口氣壓；為空氣定壓比熱容與定容比熱容之比，其取值范圍參見文獻[10-11]。

通過漏孔的空氣質量流率為

2）當漏孔的空氣流速處于聲速范圍[7-9]，有

通過漏孔的空氣質量流率為

。 (4)

3）當漏孔的空氣質量流率處于分子流范圍時，通過漏孔的空氣質量流率為[7-9]

2 案例分析

2.1 分析模型

為簡化漏孔空氣泄漏分析，假設如下：

1）空氣為理想氣體，漏孔處的氣流無摩擦且連續(xù)，且不與密封艙發(fā)生熱交換；

2）泄漏氣體速度方向垂直于漏孔所屬表面。

圖1為返回艙返回再入過程中，其所處的高度與時間（以距海平面50km高度處作為0時刻）的對應關系。載人航天器一般運行在300～400 km高的低地球軌道，文獻[12]顯示50km高度處大氣壓力為79.8Pa。50km以上的大氣太過稀薄，因此僅分析50km及以下高度處的空氣泄漏情況即可再現(xiàn)返回艙再入過程中的泄漏過程。由于返回艙下降至5km高度處開傘，所以本文僅分析50～5km高度這一飛行過程中漏孔質量流率、壓差及速度等參數(shù)的變化情況。

圖1 返回艙所處高度與時間的對應情況

從圖1可知時刻返回艙所處的高度及Δ時間內返回艙下降的高度，從而獲得時刻返回艙所處位置的大氣參數(shù)（包括壓力、密度），以及Δ時間段內密封艙漏孔進口質量流率，再通過積分運算得到Δ時間段內泄漏入密封艙內的空氣質量：

根據(jù)密封艙內氣體質量，獲得返回艙內實時氣壓，從而計算出不同高度處返回艙內外壓差。

2.2 漏孔質量流率變化情況

本研究的返回艙之密封艙的容積為14m3，漏孔面積為10cm2，假設泄漏空氣流速為亞聲速，由式(2)獲得漏孔質量流率隨返回艙高度下降的變化趨勢，如圖2所示。從圖2中可以看出，當返回艙從50km高度下降至20km的過程中，艙內進氣速率較為平緩；20km高度之后，漏孔質量流率增加較快；返回艙高度下降至5km高度開傘時，漏孔質量流率達到最大值0.134kg/s。

圖2 漏孔質量流率隨高度下降的變化

2.3 漏孔內外壓力、壓差變化情況

對返回艙再入飛行時密封艙的充氣過程進行離散化迭代計算，返回艙漏孔內外壓力及內外壓差隨返回艙高度下降變化趨勢分別如圖3和圖4所示。

圖3 返回艙內外壓力隨高度下降的變化

圖4 漏孔內外壓差隨高度下降的變化

從圖4可以看出，返回艙從50km高度下降的過程中，艙體內外壓差呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，在高度達到5km返回艙開傘時刻，返回艙內外壓差趨近于最大值，約20172Pa。

2.4 密封艙漏孔流速

根據(jù)質量流率=密度×（流速×漏孔面積），漏孔質量流率又可表述為w=i··。漏孔的泄漏空氣流速為亞聲速，結合式(2)，有

得到漏孔流速為

。 (8)

由式(8)可知，漏孔流速與漏孔面積無關，僅與漏孔內外壓力及漏孔進口空氣密度有關。進一步計算得出返回艙下降過程中漏孔流速在148.4～181.5m/s之間，處于亞聲速區(qū)。

2.5 不同漏孔面積下密封艙內外壓差情況

圖5給出了距地面5km高度處，密封艙內外壓力差隨漏孔面積的變化情況。

圖5 返回艙內外壓差隨漏孔面積變化情況（5 km高度）

從圖5中可以看出，當漏孔面積大于30cm2時，返回艙內外壓差在1500Pa以下；當漏孔面積小于12cm2時，返回艙內外壓差急劇增大。

3 結束語

本文給出了某返回艙再入過程中密封艙泄漏時相關參數(shù)的計算思路與計算結果。通過對密封艙充氣過程作離散化迭代分析，可獲得漏孔變化的質量流率、密封艙內外壓力與壓差分布、密封艙漏孔流速等參數(shù)，分析結果可為返回艙結構強度設計、傘艙彈傘設計等提供重要參考。通過分析，獲得結論如下：

1）返回艙再入大氣過程中，密封艙漏孔質量流率和漏孔內外壓差均隨高度下降而增大；

2）漏孔氣體流速與漏孔面積大小無關，僅與漏孔內外壓力及漏孔進口空氣密度有關，對于亞聲速泄漏，漏孔流速表達式見式(9)。同理可獲得聲速及分子流條件下的漏孔流速。

此外，本文中的計算方法可以進行拓展應用，如估算火箭發(fā)射上升過程中的整流罩內外壓差。

[1] 李久龍, 吳光中, 姜聯(lián)東. 空間碎片對航天器的撞擊效果分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(增刊1): 9-13

LI J L, WU G Z, JIANG L D. Research on effectfor satellite impacted by space debris[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(sup1): 9-13

[2] 龔自正, 徐坤博, 牟永強, 等. 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀與主動移除技術[J]. 航天器環(huán)境工程, 2014, 31(2): 129-135

GONG Z Z, XU K B, MU Y Q, et al. The space debris environment and the active debris removal techniques[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(2): 129-135

[3] 王曉宇, 張超, 孫維, 等. 航天器密封艙加筋壁板碎片撞擊監(jiān)測技術研究[J]. 實驗流體力學, 2014, 28(4): 70-77

WANG X Y, ZHANG C, SUN W, et al. Research on structural health monitoring method for locating space debris impact on spacecraft seal structures[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2014, 28(4): 70-77

[4] 周智炫, 黃潔, 任磊生, 等. 衛(wèi)星在空間碎片撞擊下的易損性分析方法研究[J]. 實驗流體力學, 2014, 28(3): 87-92

ZHOU Z X, HUANG J, REN L S, et al. Research on vulnerability analysis method for satellite impacted by space debris[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2014, 28(3): 87-92

[5] 張永, 李明, 韓增堯. 微流星體/空間碎片環(huán)境下壓力艙的氣體泄漏分析[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 25(4): 310-314

ZHANG Y, LI M, HAN Z Y. Analysis for leakage of sealed cabin against meteoroid and orbital debris[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(4): 310-314

[6] 李凌江, 劉武剛, 王建民, 等. 多孔鋁板高速撞擊聲發(fā)射定位方法[J]. 航天器環(huán)境工程, 2016, 33(6): 589-593

LI L J, LIU W G, WANG J M, et al. Acoustic emission localization of hypervelocity impact in perforated plate[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2016, 33(6): 589-593

[7] EcosimPro ECLSS Library Reference Manual: Professional dynamic modeling and simulation tool for industrial applications[G]. Version 3.0. EA International, 2008: 317-319

[8] 靳健. 載人航天器密封艙泄漏時艙壓控制分析[J]. 載人航天, 2017, 23(1): 21-27

JIN J. Analysis of air pressure control in pressurized cabin of manned spacecraft during cabin leaking[J]. Manned Spaceflight, 2017, 23(1): 21-27

[9] 靳健, 楊晨, 侯永青. 一種載人航天器氣壓控制系統(tǒng)仿真模型[J]. 航天器工程, 2015, 24(3): 51-57

JIN J, YANG C, HOU Y Q. Simulaton model for air pressure control system of manned spacecraft[J]. Spacecraft Engineering, 2015, 24(3): 51-57

[10] MORAN M J, SHPIRO H N. Fundamentals of engineering thermodynamics[M]. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons Inc, 1995

[11] 沈維道, 蔣智敏, 童鈞耕. 工程熱力學[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 2001: 393-412

[12] National Aeronautics and Space Administration. U.S. Standard Atmosphere: NASA-TM-X-74335[R]. Washington DC: U.S. Government Printing Office, 1976

（編輯：閆德葵）

Leakage of a sealed cabin in re-entry flight

HUANG Zhen, ZHAO Jianhe, LI Zhijie

(Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The pressure difference of inside and outside the orifice of a sealed cabin in the re-entry flight is studied, and the variable gas charging process of the orifice is analyzed. A discretized analytical method is used for the calculation of a sealed cabin with a volume of 14 m3and an orifice with an area of 10 cm2. The pressure difference of the sealed cabin, the mass flow rate, and the gas velocity in the orifice against the time or height are obtained. The results show that at the height of 5 km, the mass flow rate reaches its highest value of 0.134 kg/s; the pressure difference approaches the maximum; the gas velocity ranges between 148.4~181.5 m/s(in the subsonic zone); and the gas velocity in the orifice is related only with the inlet and outlet pressure of the orifice and the inlet gas density, while regardless of the area of the orifice. The above results may provide a reference for the design of capsule structures and parachute-module systems.

sealed cabin; re-entry; leak hole; pressure difference; mass flow rate; gas velocity; calculation analysis

V520; V423.5

A

1673-1379(2017)04-0415-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.013

黃震（1982—），男，博士學位，研究員，主要從事載人航天器總體設計工作；E-mail: huangzhencast@126.com。通信作者：趙建賀（1985—），男，博士學位，高級工程師，主要從事載人航天器總體設計工作；E-mail: zhaojianhe@live.cn。

2016-10-13；

2017-07-20

國家重大科技專項工程