載人航天器熱控分系統(tǒng)噪聲控制

金 巖

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

航天員長期在艙內工作、生活，對艙內噪聲的控制提出了嚴格要求，規(guī)定航天員生活環(huán)境的噪聲指標為55～69 dB。在國際空間站上，曾經因噪聲指標超出了規(guī)定的要求（用隨身攜帶的聲強計所測得的噪聲水平為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裝置，長時間的飛行任務導致多位航天員的聽力受到了永久性損害[1]。對國際空間站上各系統(tǒng)和設備產生的噪聲進行分析，發(fā)現(xiàn)熱控分系統(tǒng)所產生的噪聲在整個噪聲中占了很大的比例。

為了滿足長期載人飛行任務的需求和總體技術要求的規(guī)定，噪聲控制變得非常迫切。本文針對熱控分系統(tǒng)的噪聲控制問題，通過熱控分系統(tǒng)的布局設計以及單機設備的降噪優(yōu)化等措施，找到了相關技術途徑或方法，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)的噪聲源主要有轉速很高的流體回路設備和強迫對流通風設備。

1.1 流體回路設備的噪聲

為了便于航天員在軌維修或更換，一般內回路泵布置在艙內。泵是一個噪聲源，又長期工作在密封艙內，所產生的噪聲對航天員造成很大的影響。流體回路泵產生噪聲的原因是多方面的：流體回路泵的轉速很高，當泵的葉輪推動液體工質時會形成噪聲；因汽蝕作用而導致流體回路的壓力出現(xiàn)波動，從而產生噪聲；若泵體或軸的剛性不好，在泵運行時容易產生振動噪聲；由于泵的葉輪靜不平衡或動不平衡的問題，在離心力作用下會引起泵較大的振動而產生噪聲；當軸承高速轉動的負荷較大時，也會產生噪聲；電動機也是重要的噪聲源等。由流體回路設備所產生的噪聲沿流體回路管路傳播至艙內，再通過空氣傳播至航天員的耳朵。

1.2 強迫對流通風設備的噪聲

在微重力環(huán)境中，由于自然對流很弱，所以需要用強迫對流的方法來進行熱交換，即用風機來推動空氣。而熱控分系統(tǒng)設備的冷卻也需要靠風機強迫空氣流動進行換熱[2]。

強迫對流通風設備的噪聲源主要是各種風機。風機的轉速很高，由旋轉的葉片與空氣的相互作用而形成渦流噪聲；由于風機的葉輪靜不平衡或動不平衡的原因，在離心力的作用下使風機產生較大振動而產生噪聲；其他的重要噪聲源還有高負荷的軸承、電動機等。另外，高速氣流在輸送過程中與風道壁面、風口等的摩擦作用也會產生噪聲。

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、吸聲等措施來減少艙內的噪聲。

2.1 流體回路設備的噪聲控制

流體回路設備的噪聲控制措施如下：

1）加強熱控分系統(tǒng)布局設計，有效地隔斷設備之間的振動傳遞影響；

2）將流體回路泵組布置在遠離航天員活動區(qū)的位置；

3）采取減振措施，如在泵出口處增設軟管接頭以阻斷振動沿管路傳導的路徑，在泵和其他動力設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）提高運動設備的整體剛度，嚴格控制各設備的靜不平衡和動不平衡量，降低設備的本底噪聲水平；

5）設置氣泡捕集器和補償器使溶解在工質中的氣體溢出，對流體回路工質進行脫氣處理，以減少氣蝕作用的發(fā)生。

2.2 強迫對流通風設備的噪聲控制

2.2.1 降低噪聲的優(yōu)化設計措施

隨著空間站的規(guī)模加大，通風距離越來越長，通風管路阻力不斷提高，也容易產生漏風。若采用單個風機進行送風，則風機功率很大，其噪聲也很高。為了避免在管路局部產生過高的壓力并減少漏風量，可以采用多風機串聯(lián)送風的方式（圖1），這樣一來單機不再需要那么高的功率和轉速，可有效地降低風機的噪聲。在往艙內送風時，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 空間站風機的串聯(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示意圖Fig. 2 Push-pull ventilation in space station

如不考慮距離的因素，風機的噪聲衡量指標是聲功率與基準聲功率之比，其表達式為

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

用式(1)來計算兩個 60 dB的風機加起來的噪聲是63 dB。因此用多個小風機替代一個大風機，在通風效果不變的情況下，可以有效地降低系統(tǒng)的噪聲。而且通風控制區(qū)域更加靈活，對氧氣、二氧化碳濃度和溫濕度的控制效果更好。

除控制風機自身的聲功率外，還需對通風系統(tǒng)進行消聲和隔聲的控制，以降低航天員生活區(qū)的實際噪聲。

儀器區(qū)的風機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。兩臺儀器區(qū)的風機裝在同一個密閉箱（消聲箱）體內，而在箱體內壁上粘貼泡沫塑料，外覆阻燃布，用于隔離和吸收風機產生的噪聲。風機的進口、出口采用軟管連接，用于隔離通過管路傳遞的振動。風機下游的靜壓分配箱設計成消聲靜壓箱，箱內壁粘貼厚泡沫塑料和阻燃布，用于吸收通過管路傳遞的噪聲。

空間站的設備機柜如果采用整體通風循環(huán)并聯(lián)送風，則風機的通風流量、功耗和噪聲均很大，因此機柜適合配置各自的通風系統(tǒng)，在機柜內部形成獨立通風回路。若采用單風機送風而噪聲比較大時，則可以采用多風機送風方式，可有效降低機柜的噪聲。機柜內部的電子設備若采用射流通風冷卻，則在流速較高時也會產生噪聲。在不改變壓強和流速的情況下，射流的通風孔采用相同面積的梅花孔，可以降低噪聲。

2.2.2 風機的降低噪聲設計措施

目前載人航天器風機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。換成鋁合金材質后，葉輪也可以做成特定形狀來降低噪聲。

適當降低風機葉片壓力面尾緣的粗糙度，可以改善軸流通風機的氣動性能，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度，從而降低風機的渦流噪聲。在葉片上打孔也可起到類似的效果。這兩種做法都要進行試驗，以避免因為薄葉片的振顫而使噪聲上升。

在葉片尖位置所對應的機殼內壁上加軟材料的環(huán)型圍帶，能夠大幅度地提高軸流風機的氣動性能，并顯著降低風機的噪聲。

在電機后面加錐形整流器，改善軸流風機的氣動性能，也能降低噪聲[4-5]。

2.3 改進電動機軸承的精度

采用小游隙的高精度軸承來作為泵與風機的電動機軸承，經仔細篩選后再進行裝配，嚴格控制軸承的振動加速度級，以降低因這個因素而產生的機械噪聲。選用負載能力強的軸承，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機轉子的動平衡精度。

2.4 使用磁懸浮技術來降低噪聲

磁懸浮軸承與普通軸承相比，具有非接觸、無摩擦、噪聲小、壽命長、不用潤滑等優(yōu)點。1991年，NASA第一次召開了磁懸浮技術在航天應用的討論會。美國、法國、日本、瑞士和我國都在開展磁懸浮軸承的研究工作，同時推動其在工業(yè)上的廣泛應用[6]。近年來，磁懸浮技術廣泛地被應用在高速離心機、衛(wèi)星高速儲能飛輪等設備中。如果泵和風機能夠使用磁懸浮軸承，必將大幅降低設備噪聲。

3 結束語

綜上所述，載人航天器熱控分系統(tǒng)的噪聲問題是不可忽視的。通過熱控分系統(tǒng)的布局設計以及單機設備的降噪優(yōu)化措施，來降低整個系統(tǒng)噪聲，滿足航天員對生活環(huán)境的基本需求。建議對噪聲控制技術進行深入的研究，突破其關鍵技術，為空間站等載人航天項目中熱控分系統(tǒng)降噪的實際應用提供有力的技術支撐。

（References）

[1]朱毅麟. 國際空間站建造十年經驗初探[J]. 航天器工程, 2010, 19(1): 50-59 Zhu Yilin. Lessons learned from ten-year construction of International Space Station[J]. Spacecraft Engineering,2010,19(1): 50-59

[2]侯增祺, 胡金剛. 航天器熱控制技術——原理及其應用[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 2007: 236-247

[3]金巖. 高速旋轉部件在載人航天器熱控系統(tǒng)中的應用[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. 風機節(jié)能與降噪[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 1990

[5]殷海紅, 昌澤舟. 軸流式通風機的噪聲機理及降噪措施[J]. 風機技術, 2007(1): 16-17 Yin Haihong, Chang Zezhou. Principle of axial flow fan noise and methods to reduce noise[J]. Compressor, Blower& Fan Technology, 2007(1): 16-17

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