載人航天器密封艙噪聲控制與試驗(yàn)

魏傳鋒，張 偉，曹劍峰，郝 平

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部：北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙為航天員工作和生活的場(chǎng)所，需要滿足航天員生命醫(yī)學(xué)要求。為確保航天員長(zhǎng)期在軌駐留的身心健康，必須控制密封艙內(nèi)的噪聲水平，包括工作區(qū)噪聲和睡眠區(qū)噪聲。

在載人航天器方案設(shè)計(jì)階段，首先要進(jìn)行噪聲源的識(shí)別，并對(duì)識(shí)別出的噪聲源單機(jī)進(jìn)行單機(jī)降噪控制；然后結(jié)合載人航天器噪聲源的布局進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)降噪設(shè)計(jì)，并通過仿真分析評(píng)估載人航天器密封艙內(nèi)各個(gè)位置的噪聲水平，再以仿真結(jié)果為依據(jù)對(duì)降噪設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代。

在載人航天器的初樣和正樣研制階段，要進(jìn)行密封艙噪聲測(cè)試，以驗(yàn)證密封艙噪聲控制的設(shè)計(jì)與實(shí)施的效果。

本文以某中期駐留載人航天器為例，重點(diǎn)介紹其密封艙噪聲控制與試驗(yàn)的方法。

1 噪聲控制要求

載人航天器密封艙噪聲分為瞬態(tài)噪聲和穩(wěn)態(tài)噪聲。其中瞬態(tài)噪聲主要由泄復(fù)壓、密封艙排氣等劇烈氣體波動(dòng)引起，作用時(shí)間短，控制與驗(yàn)證方法相對(duì)簡(jiǎn)單。本文主要研究載人航天器密封艙穩(wěn)態(tài)噪聲的控制與試驗(yàn)方法。參照國(guó)內(nèi)外載人航天醫(yī)學(xué)要 求[1]，一般穩(wěn)態(tài)噪聲的指標(biāo)要求不大于65 dB(A)。

2 噪聲源的識(shí)別

載人航天器密封艙的噪聲源與其工作方式有關(guān)，主要來源于大型高速旋轉(zhuǎn)部件[2-3]，包括輻射傳播和振動(dòng)傳導(dǎo)兩種方式。

1）輻射傳播：風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)噪聲、電子設(shè)備在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生噪聲，但考慮噪聲的量級(jí)及產(chǎn)生頻率，氣動(dòng)噪聲、電子設(shè)備及風(fēng)閥機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)小于風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。因此，輻射傳播的噪聲源主要定位在密封艙內(nèi)的風(fēng)機(jī)上。

2）振動(dòng)傳導(dǎo)：大型控制力矩陀螺、流體回路泵均會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)傳導(dǎo)噪聲，其中流體回路泵的轉(zhuǎn)速和功率均小于大型控制力矩陀螺。因此，振動(dòng)傳導(dǎo)的噪聲源主要定位在大型控制力矩陀螺上。

經(jīng)識(shí)別，載人航天器的主要噪聲源如表1所示。

表1 載人航天器主要噪聲源Table 1 Main noise sources of the manned spacecraft

3 噪聲控制措施

載人航天器密封艙內(nèi)噪聲控制的措施主要包括吸聲、隔聲、消聲、減振4 個(gè)方面，根據(jù)前面識(shí)別確認(rèn)的主要噪聲源所采取的噪聲控制措施如下[4-5]。

1）吸聲措施

聲音一部分直接傳播到人耳，稱為直達(dá)聲；一部分通過室內(nèi)的各個(gè)界面多次反射后傳播到達(dá)人耳，稱為混響聲。人耳聽到的聲音為直達(dá)聲與混響聲的疊加[6]。通過在密封艙內(nèi)壁布置吸聲材料或采用吸聲構(gòu)造等，吸收部分反射聲能，可以降低噪聲。載人航天器密封艙艙壁直接參與構(gòu)成通風(fēng)風(fēng)道，聲音在傳播過程中可直接到達(dá)熱控泡沫表面并被吸收；密封艙內(nèi)裝飾材料選用美塔斯布中間縫制聚氨酯泡沫，對(duì)噪聲具有吸收功能。

2）隔聲措施

利用密封艙承載用的結(jié)構(gòu)儀器板及擋風(fēng)簾將風(fēng)機(jī)所在區(qū)域密閉，在滿足通風(fēng)功能要求的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)隔聲降噪。

3）消聲措施

在風(fēng)機(jī)所在的送風(fēng)管路系統(tǒng)中增加消聲控制措施。例如，在風(fēng)機(jī)的出口處增加靜壓箱，其作為阻性消聲器具有較寬的消聲頻率范圍，在中、高頻段的消聲效果尤為顯著。通過調(diào)整阻性消聲器的結(jié)構(gòu)形式、吸聲材料、流經(jīng)消聲器的氣流速度以及消聲器的有效長(zhǎng)度等，可以提高噪聲控制效果。

4）減振措施

可通過降低振動(dòng)源的振動(dòng)或降低振動(dòng)傳遞效率這2 種方式實(shí)現(xiàn)減振控制。前者主要是指對(duì)振源設(shè)備進(jìn)行減振設(shè)計(jì)，后者則包括引入彈性減振元件以及增加振動(dòng)傳播途徑的阻尼等。例如，將風(fēng)機(jī)均安裝在蜂窩板上，蜂窩板結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)具有阻尼減振效果；令風(fēng)機(jī)的進(jìn)口全部為自由端，出口管道全部為軟管連接，可以隔離風(fēng)機(jī)對(duì)下游管路的振動(dòng)傳遞。

4 噪聲環(huán)境仿真

根據(jù)載人航天器密封艙內(nèi)的實(shí)際噪聲源和控制措施，構(gòu)建的噪聲計(jì)算模型如圖1所示。噪聲源為4 臺(tái)風(fēng)機(jī)和5 只控制力矩陀螺，其本體噪聲見表1。密封艙本體尺寸為柱段直徑3.5 m、長(zhǎng)5 m。

圖1 密封艙內(nèi)噪聲計(jì)算模型Fig.1 Noise calculation model for the pressurized cabin

由噪聲計(jì)算模型仿真分析得出的艙體內(nèi)聲壓級(jí)水平分布結(jié)果如圖2所示，艙體內(nèi)聲壓級(jí)在睡眠區(qū)的分布結(jié)果如圖3所示。

圖2 艙體內(nèi)聲壓級(jí)水平分布仿真圖Fig.2 Simulation result of noise level distributions in the pressurized cabin

圖3 艙體內(nèi)睡眠區(qū)聲壓級(jí)分布仿真圖Fig.3 Simulation result of noise level distributions in sleeping area of the pressurized cabin

由仿真結(jié)果可知，經(jīng)吸聲、隔聲、消聲、減振控制后，密封艙內(nèi)的噪聲水平為55～62 dB(A)，滿足不大于65 dB(A)的指標(biāo)要求。

5 噪聲測(cè)試

在正樣載人航天器總裝實(shí)施完畢后，全部噪聲源均加電工作，以與在軌飛行狀態(tài)一致的試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)密封艙內(nèi)的噪聲水平進(jìn)行測(cè)試。

1）試驗(yàn)狀態(tài)

測(cè)試時(shí)載人航天器內(nèi)的風(fēng)機(jī)設(shè)備、控制力矩陀螺等噪聲源，以及與通風(fēng)相關(guān)設(shè)備、管路和電纜等均與在軌狀態(tài)一致，按正常在軌飛行程序加電。

艙內(nèi)噪聲測(cè)試采用ISO-TECH 手持式聲級(jí)計(jì)（型號(hào)SLM-1352A），儀表量程為30～130 dB，精度為±1.5 dB，測(cè)量時(shí)選擇量程范圍為40～90 dB。

工作區(qū)及睡眠區(qū)的測(cè)點(diǎn)分布分別如圖4和圖5所示。

圖4 工作區(qū)測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.4 Measurement points in the living &working area

圖5 睡眠區(qū)測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.5 Measurement points in the sleeping area

2）試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表明，密封艙內(nèi)的穩(wěn)態(tài)噪聲為57.2～60.8 dB，滿足不大于65 dB 的要求。同時(shí)可見，密封艙穩(wěn)態(tài)噪聲的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果相當(dāng)，表明噪聲仿真可以用于方案階段對(duì)噪聲環(huán)境進(jìn)行預(yù)估，并指導(dǎo)噪聲控制設(shè)計(jì)；噪聲控制的方法有 效，滿足醫(yī)學(xué)指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

本文對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)噪聲源進(jìn)行了識(shí)別并提出了相應(yīng)控制方案，對(duì)艙內(nèi)噪聲分布進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明噪聲仿真計(jì)算模型及控制措施正確、有效，能滿足指標(biāo)要求。本文提出的噪聲源識(shí)別方法、噪聲控制和試驗(yàn)方法可為其他載人航天器噪聲控制設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。

（References）

[1] NASA SSP-500094 NASA/RSA joint specifications standards document for the ISS Russian segment[S].Rev.B, 2009:6-192

[2]馬大猷.現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社, 2004:15-30

[3]周新祥.噪聲控制及應(yīng)用實(shí)例[M].北京:海洋出版社, 1999:1-434

[4]Lane S, Kenedy S, Richard R.Noise transmission studies of an advanced grid-stiffened composite fairing[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2007, 44(5):1131-1139

[5]Hill R E.Space shuttle crew module prior noise reduction efforts[R].The Acoustical Noise Working Group, Houston, USA, 1992

[6]Jennifer B N, Gregory L, Carlos S.Human engineer applied to International Space Station design, SAE972400[R]