載人航天器密封艙溫濕度獨(dú)立控制方法及實(shí)驗(yàn)研究

劉東曉，滿廣龍，曹劍峰，韓海鷹，范宇峰

（北京空間飛行器設(shè)計(jì)總體部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

密封艙溫濕度控制是載人航天器環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容[1]。適宜的溫濕度能夠?yàn)槊芊馀搩?nèi)各種設(shè)備、載荷、部件等提供良好的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)為航天員提供舒適的工作和生活 環(huán)境[2-3]。而當(dāng)艙內(nèi)溫度過低時(shí)，會造成空氣結(jié)露，影響航天員生命安全和電子設(shè)備正常工作；艙內(nèi)溫度過高，則會造成航天員嚴(yán)重不適感，影響電子設(shè)備散熱。另一方面，艙內(nèi)濕度過高會造成艙內(nèi)金屬部件腐蝕和微生物大量滋生，影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)壽命，危害航天員健康；而艙內(nèi)濕度過低，則容易導(dǎo)致靜電放電，影響電子設(shè)備安全，引起航天員身體不適。因此，通過溫濕度控制為密封艙提供一個(gè)良好的溫濕度環(huán)境，對于保證平臺設(shè)備正常工作、航天員安全和載人航天任務(wù)的順利開展具有重要作用。

目前國內(nèi)外載人航天器密封艙均采用“主動(dòng)控溫、被動(dòng)除濕”的溫濕度一體化控制方法，使用一個(gè)冷凝換熱器組件同時(shí)保證空氣溫度和濕度指 標(biāo)[4-6]，溫濕度之間存在較強(qiáng)耦合，可能出現(xiàn)空氣濕度控制不合理、局部結(jié)露等現(xiàn)象，影響航天員舒適度和設(shè)備工作可靠度[7-9]。

鑒于目前載人航天器密封艙溫濕度控制方案存在的不足及未來載人航天器密封艙空氣溫濕度精細(xì)化控制的需求，本文擬開展密封艙溫濕度獨(dú)立控制方法研究，旨在通過空氣溫度和濕度獨(dú)立控制手段設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)密封艙空氣溫濕度解耦控制，從而克服溫濕度一體化控制難以同時(shí)滿足空氣溫度和濕度雙重目標(biāo)控制要求的不足。

1 溫濕度控制系統(tǒng)特性分析

載人航天密封艙通常具有相對隔離的功能空間分布，主要包括人活動(dòng)區(qū)、儀器設(shè)備區(qū)、角隔等，如圖1所示。其中，人活動(dòng)區(qū)是航天員進(jìn)行空間活動(dòng)的主要區(qū)域，也是濕度產(chǎn)生的主要區(qū)域；儀器設(shè)備區(qū)主要用于安裝平臺及載荷設(shè)備，是熱量產(chǎn)生的主要區(qū)域；角隔區(qū)主要用于通風(fēng)管路、流體管路、電纜及其他輔助部件的布設(shè)安裝。

圖1 載人航天器密封艙功能區(qū)域示意圖Fig.1 Sectional view of manned spacecraft sealed cabin

載人航天器密封艙相對隔離的功能空間分布為熱濕交換控制提供了較為便利的條件。然而，目前載人航天器密封艙溫濕度控制通常采用基于冷凝干燥器組件（冷干組件）除濕、控溫的一體化溫濕度控制策略，典型的系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 載人航天器溫濕度控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical scheme of temperature-humidity control system for manned spacecraft sealed cabin

冷干組件和通風(fēng)溫控閥是上述溫濕度控制系統(tǒng)的核心功能部件，冷卻回路使冷干組件具備除濕能力，通過調(diào)節(jié)通風(fēng)溫控閥可實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度的控制，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）來自儀器設(shè)備區(qū)的熱空氣與來自人活動(dòng)區(qū)的空氣進(jìn)行一次混合；

2）一次混合空氣在冷干組件前端分為兩路，一路進(jìn)入冷干組件進(jìn)行降溫除濕，一路進(jìn)入通風(fēng)旁路；

3）來自冷干組件的低溫干燥空氣與通風(fēng)旁路空氣進(jìn)行二次混合，該混合過程在通風(fēng)溫控閥的調(diào)節(jié)下完成，從而使溫濕度可控；

4）二次混合后的空氣溫濕度水平為適宜航天員生活及儀器設(shè)備散熱的狀態(tài)，分兩路分別進(jìn)入人活動(dòng)區(qū)和儀器設(shè)備區(qū)。

經(jīng)過上述步驟的循環(huán)過程，系統(tǒng)溫濕度通?？梢赃_(dá)到一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。然而，由于空氣溫濕度控制是通過一個(gè)通風(fēng)溫控閥實(shí)現(xiàn)的，從而導(dǎo)致空氣溫度和相對濕度指標(biāo)會在一個(gè)較寬范圍內(nèi)波動(dòng)（前者指標(biāo)范圍為17～25 ℃，后者指標(biāo)范圍為30%～70%）。如果這兩項(xiàng)指標(biāo)有一個(gè)超出允許范圍，就需要通過通風(fēng)溫控閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；而空氣溫度和濕度存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，調(diào)整一個(gè)量勢必會引起另外一個(gè)量的變化。因此，該方法采用的是“范圍調(diào)整”策略，很難實(shí)現(xiàn)溫、濕度雙重目標(biāo)的精確控制，極端情況下還會出現(xiàn)一個(gè)指標(biāo)還未調(diào)整到位，另外一個(gè)指標(biāo)已經(jīng)超出允許范圍的現(xiàn)象。

2 溫濕度獨(dú)立控制方法設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

本文提出一種載人航天器密封艙溫濕度解耦控制系統(tǒng)，其基本工作原理為“冷干組件控濕+氣液換熱器控溫”，典型系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3 載人航天器溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)配置Fig.3 Configuration of mssc-THICS

上述溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的通風(fēng)組織形式與傳統(tǒng)的溫濕度控制系統(tǒng)類似，僅增加了一個(gè)氣液換熱器設(shè)備，并且系統(tǒng)中的手動(dòng)風(fēng)閥僅用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)量分配調(diào)節(jié)，不參與實(shí)時(shí)控制。冷干組件和氣液換熱器是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)溫濕度控制功能的核心部件。此外還需要配置兩個(gè)流體回路，即低溫回路和中溫回路，且回路中分別設(shè)置溫控閥；在低溫溫控閥和中溫溫控閥的控制調(diào)節(jié)作用下，可分別實(shí)現(xiàn)冷干組件控濕和氣液換熱器控溫功能。該系統(tǒng)的具體工作過程如下：

1）一次混合熱空氣分成兩路，分別進(jìn)入冷干組件和通風(fēng)旁路；進(jìn)入冷干組件的空氣在低溫溫控閥的控制調(diào)節(jié)作用下，進(jìn)行可控深度除濕，使空氣 絕對含濕量達(dá)到目標(biāo)要求；

2）除濕后的冷干空氣與通風(fēng)旁路空氣進(jìn)行二次混合，混合過程也是對冷干空氣的預(yù)熱過程，混合后空氣為濕度合適、溫度在常規(guī)范圍的中間狀態(tài)；

3）二次混合空氣進(jìn)入氣液換熱器進(jìn)行溫度精調(diào)，在中溫溫控閥的控制調(diào)節(jié)作用下，空氣溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，此時(shí)空氣為濕度合適、溫度亦合適的最終狀態(tài)；

4）其他環(huán)節(jié)工作過程與傳統(tǒng)溫濕度控制系統(tǒng)工作過程類似。

通過上述循環(huán)工作過程，可實(shí)現(xiàn)密封艙溫度和濕度雙重指標(biāo)的精確控制。該溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)基于冷干組件控濕和氣液換熱器控溫原理，通過低溫、中溫雙回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在控制手段上保持了溫濕度控制的獨(dú)立性，從硬件層面解決了系統(tǒng)溫濕度控制的強(qiáng)耦合問題。

2.2 控制策略

合理的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)溫濕度解耦控制提供了硬件基礎(chǔ)，然而要實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立控制還需要選擇合適的控制策略?？紤]溫濕度控制的相對獨(dú)立性，采用基于絕對含濕量控濕的溫濕度雙閉環(huán)控制策略，其控制原理如圖4所示。

圖4 基于絕對含濕量控濕的溫濕度雙閉環(huán)控制策略Fig.4 Temperature-humidity dual closed-loop control strategy based on absolute humidity control

溫度閉環(huán)控制是以目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度To作為反饋量，以目標(biāo)給定值Tor作為參考量，溫度控制器作為控制算法運(yùn)算單元，根據(jù)溫度偏差eT，生成新的閥位信號uT，作用于中溫溫控閥，實(shí)現(xiàn)氣液換熱器換熱量調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)溫度控制。

濕度閉環(huán)控制是以目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)絕對含濕量do作為反饋量，以目標(biāo)給定絕對含濕量dor作為參考量。上述兩個(gè)絕對含濕量參數(shù)無法直接設(shè)定，需要根據(jù)相對含濕量與絕對含濕量轉(zhuǎn)換關(guān)系運(yùn)算獲取，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

式中：d為絕對含濕量；H為相對含濕量；T為溫度；下標(biāo)x為“o”或“or”時(shí)分別表示反饋量和參考量。式(1)可由式(2)和式(3)聯(lián)立獲取，

式中：p為空氣壓力；pqb,x為飽和蒸汽壓力。濕度控制器作為控制算法運(yùn)算單元，根據(jù)絕對含濕量偏差ed，生成新的閥位信號ud，作用于低溫溫控閥，控制冷干組件除濕量，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)空氣濕度控制。

在控制算法選擇方面，溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的過程控制系統(tǒng)，采用目前工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的PID 控制算法。盡管溫度閉環(huán)控制和濕度閉環(huán)控制中的控制對象不同，但控制器結(jié)構(gòu)相同，僅在控制參數(shù)選取上有所區(qū)分。低溫溫控閥和中溫溫控閥均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此，采用增量式PID 控制算法，即

式中：Δu(k)為控制輸出，在系統(tǒng)中代表uT和ud；kp、ki、kd分別為比例、積分、微分系數(shù)；e(k)、Δe(k)、Δ2e(k)分別代表輸入偏差，以及輸入偏差的一次偏差和二次偏差。

3 地面驗(yàn)證系統(tǒng)配置

為了驗(yàn)證密封艙溫濕度獨(dú)立控制方法的可行 性，搭建了地面驗(yàn)證系統(tǒng)，主要包括通風(fēng)、低溫回路、中溫回路、低溫冷源、中溫冷源、測控和供電等7個(gè)子系統(tǒng)。其實(shí)物和原理分別如圖5和圖6所示。

通風(fēng)系統(tǒng)用于模擬載人航天器的密封艙環(huán)境，其中密封艙模擬人活動(dòng)區(qū)，儀器設(shè)備箱模擬儀器設(shè)備區(qū)，密封艙內(nèi)設(shè)置航天員產(chǎn)熱、產(chǎn)濕模擬裝置，儀器設(shè)備箱內(nèi)設(shè)置設(shè)備產(chǎn)熱模擬裝置，通風(fēng)系統(tǒng)通過冷干組件和氣液換熱器分別與低溫回路和中溫回路耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)空氣的溫濕度控制；低溫回路和中溫回路中的低溫溫控閥和中溫溫控閥在系統(tǒng)控制器的控制驅(qū)動(dòng)作用下，實(shí)現(xiàn)冷干組件控濕和氣液換熱器控溫功能；低溫冷源和中溫冷源等效于宇宙空間環(huán)境中的輻射器，通過低溫中間換熱器和中溫中間換熱器分別實(shí)現(xiàn)低溫回路和中溫回路的熱量交換和排散；測控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是兩個(gè)輔助子系統(tǒng)，分別用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和供電分配。

圖5 溫濕度獨(dú)立控制地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Photograph of ground experimental system for THICS

圖6 溫濕度獨(dú)立控制地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of ground experimental system for THICS

4 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

4.1 變控溫水平

為了驗(yàn)證溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的溫度控制能力，進(jìn)行了變溫度控制水平工況測試。在低溫溫控閥和中溫溫控閥的控制作用下，系統(tǒng)初始狀態(tài)為控溫22 ℃、控濕60%RH 的平衡狀態(tài)；約8 min 后，設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)控溫參考值為23 ℃，控濕參考值不變，系統(tǒng)響應(yīng)如圖7所示。

圖7(a)為溫度參考值階躍變化時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測溫度響應(yīng)情況，從圖中可以看出，盡管調(diào)節(jié)過程中目標(biāo)點(diǎn)溫度存在短時(shí)超調(diào)，但很快收斂至參考溫度附近，整個(gè)調(diào)節(jié)過程持續(xù)約5 min，且穩(wěn)態(tài)誤差在±0.5 ℃以內(nèi)。此良好溫度控制效果的取得依賴于中溫溫控閥的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)過程如圖7(c)所示。由于溫度參考值提高，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度控制，中溫溫控閥整體呈開度減小趨勢，以減少系統(tǒng)換熱量，使目標(biāo)溫度升高；受溫度參考值階躍變化影響，短時(shí)間內(nèi)會出現(xiàn)溫控閥開度的大范圍關(guān)小；隨著目標(biāo)溫度向參考值靠近，中溫溫控閥調(diào)節(jié)過程趨于平緩，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。圖7(b)為溫度參考值階躍變化時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)相對濕度響應(yīng)情況，從圖中可以看出，由于濕度參考值保持不變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中相對濕度呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，僅在溫度參考值發(fā)生階躍變化時(shí)有短時(shí)波動(dòng)，該波動(dòng)主要是因?yàn)榻^對含濕量是濕度控制環(huán)的直接控制量，受溫度影響，絕對含濕量控制過程中會出現(xiàn)相對濕度變化，待溫度穩(wěn)定后，絕對含濕量控制也進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，對應(yīng)的相對濕度也呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。該調(diào)節(jié)過程由低溫溫控閥調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，如圖7(c)所示。溫度參考值提高后，隨著目標(biāo)點(diǎn)溫度升高，相對濕度呈現(xiàn)下降趨勢，為實(shí)現(xiàn)相對濕度穩(wěn)定，需減小冷干組件除濕量，因此低溫溫控閥存在短時(shí)突然關(guān)小過程。

該實(shí)驗(yàn)工況通過中溫溫控閥和低溫溫控閥的獨(dú)立控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫度-濕度雙目標(biāo)的良好控制，且控溫偏差優(yōu)于±0.5 ℃，控濕偏差優(yōu)于±2%RH。

圖7 變控溫水平響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of variable temperature level

4.2 變控濕水平

為了驗(yàn)證溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的濕度控制能力，進(jìn)行了變濕度控制水平工況測試。在低溫溫控閥和中溫溫控閥的控制作用下，系統(tǒng)初始狀態(tài)為控濕60%RH、控溫23 ℃的平衡狀態(tài)，約8 min 后，設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)控濕參考值為55%RH，控溫參考值不變，系統(tǒng)響應(yīng)如圖8所示。

圖8(a)為相對濕度參考值階躍變化時(shí)目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測相對濕度的響應(yīng)情況，從圖中可以看出，盡管調(diào)節(jié)過程中目標(biāo)點(diǎn)相對濕度存在短時(shí)超調(diào)，但很快收斂至參考值附近，整個(gè)調(diào)節(jié)過程持續(xù)約8 min，且穩(wěn)態(tài)誤差在±2%RH 以內(nèi)。此良好濕度控制效果的取得依賴于低溫溫控閥的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)過程如圖8(c)所示，由于濕度參考值降低，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)濕度控制，低溫溫控閥整體呈現(xiàn)開度增大趨勢，以增大系統(tǒng)除濕量，使目標(biāo)濕度降低；受濕度參考值階躍變化影響，短時(shí)間內(nèi)會出現(xiàn)溫控閥開度的大范圍開大；隨著目標(biāo)濕度向參考值靠近，低溫溫控閥調(diào)節(jié)過程趨于平緩，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。圖8(b)為相對濕度參考值階躍變化時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)溫度響應(yīng)情況，可以看出：由于溫度參考值保持不變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中溫度呈現(xiàn)基本平穩(wěn)狀態(tài)：期間，低溫溫控閥動(dòng)作對溫度控制存在一定擾動(dòng)，但在中溫溫控閥的調(diào)節(jié)作用下，溫度僅呈現(xiàn)出短時(shí)微小波動(dòng)。中溫溫控閥調(diào)節(jié)過程如圖8(c)所示，可以看出：濕度參考值降低后，隨著目標(biāo)點(diǎn)濕度的下降，冷干組件換熱量增大；為實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定，需中溫溫控閥開度調(diào)小以減小氣液換熱器換熱量；雖然中溫溫控閥調(diào)整過程中存在開度波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)開度關(guān)小趨勢。

該實(shí)驗(yàn)工況通過低溫溫控閥和中溫溫控閥的獨(dú)立控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫度-濕度雙目標(biāo)的穩(wěn)定控制，且控溫偏差優(yōu)于±0.5 ℃、控濕偏差優(yōu)于±2%RH。

圖8 變控濕水平響應(yīng)曲線Fig.8 Response curves of variable humidity level

5 結(jié)束語

本文針對未來載人航天器密封艙溫濕度控制的精細(xì)控制需求，提出一種基于絕對含濕量控濕的溫濕度獨(dú)立控制方法，選用低溫回路和中溫回路的雙控溫回路設(shè)計(jì)和溫濕度雙閉環(huán)控制策略，從硬件、軟件兩個(gè)層面保證了溫濕度控制的獨(dú)立性。為驗(yàn)證該控制方法，設(shè)計(jì)了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，除采用冷源車進(jìn)行最終熱量排散與空間環(huán)境下載人航天器的輻射器散熱方式不同外，其他設(shè)計(jì)均采用 等效原理。利用地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開展了變控溫水平、變控濕水平等工況下的溫濕度控制性能測試，結(jié)果表明：采用本文所提出的溫濕度獨(dú)立控制方法，可以實(shí)現(xiàn)密封艙內(nèi)溫濕度的獨(dú)立控制，且具有較高的控制精度，溫濕度控制精度分別優(yōu)于±0.5 ℃、±2%RH，解耦控制效果良好。

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