載人航天器座艙環(huán)境控制系統建模與性能分析

劉煒 陳立平 丁建完 謝剛（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）

載人航天器座艙環(huán)境控制系統建模與性能分析

劉煒 陳立平 丁建完 謝剛
（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074）

文章以航天器座艙大氣環(huán)境控制系統為研究對象引出了該系統主要部件的數學控制方程，基于建模語言Modelica建立了重用性高、易于擴展和使用高效的環(huán)境控制系統模型庫，并闡述了基本的建模方法。利用模型庫構建了典型的航天器座艙大氣環(huán)境控制系統，對溫濕度控制、供氣調壓和二氧化碳凈化的性能及其控制方法進行仿真分析，提出了主動溫濕度綜合控制方法。仿真分析結果表明：供氣調壓、大氣凈化和溫濕度控制之間存在緊密耦合、互相影響的關系；主動溫度控制方法雖然適合溫濕度控制，但主動溫濕度綜合控制方法的性能優(yōu)于前者；航天員活動狀態(tài)對各分系統有顯著影響，設計和運行管理過程中要重點考慮其動態(tài)變化。文中所建模型庫和分析結論為載人航天器座艙大氣環(huán)境控制系統設計改進和運行管理提供了有效的工具及方法。

座艙環(huán)境控制；Modelica語言；面向對象建模；溫濕度控制；載人航天器

1 引言

座艙大氣環(huán)境控制系統是航天器環(huán)境控制與生命保障系統的關鍵分系統之一，主要實現航天器座艙內大氣壓力、氣體成分和溫濕度的控制，為航天員的生活和工作提供必要的大氣環(huán)境條件［1］。環(huán)境控制系統包括眾多子系統，結構復雜、互相耦合、穩(wěn)定性和可靠性要求極高，給控制策略設計和性能分析帶來了較大困難。采用數值模擬方法對環(huán)境控制系統進行仿真分析是輔助系統設計優(yōu)化、試驗驗證和運行管理的一種非常有效的技術途徑，可以大幅度提高系統性能，縮短開發(fā)周期。

通常采用計算流體動力學（CFD）軟件對座艙內的流場、溫度場和濃度場進行仿真分析［2－5］，此類方法側重于單一結構下的流動分析而不是系統性能分析，在系統級仿真分析方面，難以對流場外的關鍵系統性能參數及各個參數間的相互影響進行分析［6］；目前系統仿真向集成方向發(fā)展，體現在多學科耦合、跨系統交互上［7］，CFD軟件對多領域建模也支持不足。Modelica［8－9］是一種功能強大的建模語言，支持面向對象、多領域統一、非因果陳述式和連續(xù)—離散混合的建模方法，與Matlab、AMESim等軟件相比，具有以下優(yōu)勢：建模過程靈活方便，模型具有統一描述，重用性和擴展性高，利于工程知識積累，適合系統物理建模，軟件平臺開放。本文探索系統分解的粒度水平、接口設計、介質模型解耦和充分利用面向對象方法的機制，以提高模型的重用性、擴展性和靈活性。分析環(huán)境控制系統主要組成部件的物理原理，在完全支持Modelica的多領域建模仿真平臺MWorks上建立了易于管理、模塊化、參數化和圖形化的基礎組件模型庫。利用開發(fā)的模型庫構建典型環(huán)境控制系統模型進行仿真，定性分析艙壓控制子系統、溫濕度控制子系統和二氧化碳凈化子系統的性能及互相之間的影響。對主動溫度控制法和主動濕度控制法的性能做了對比分析，結合這兩種方法提出了性能更優(yōu)的主動溫濕度綜合控制法。

2 主要模型的控制方程

影響座艙大氣環(huán)境控制系統的因素眾多，本文主要從環(huán)境控制系統主要組成部件的物理原理和環(huán)境控制系統仿真分析的內容出發(fā)，根據質量、能量和動量守恒推導得到部件數學形式的控制方程，用于創(chuàng)建部件模型。控制方程能以自然的數學方程形式描述在Modelica模型中，形成知識積累。

2.1 航天員

主要考慮航天員與環(huán)境之間的能量物質交換和身體熱平衡。人體新陳代謝產熱qm是基本代謝率qm，bas與額外代謝率qm，add之和［10］。人體熱平衡采用兩節(jié)點模型［11］，將身體分為內核和皮膚兩部分。內核和皮膚的能量貯存率Sco和Ssk由能量方程平衡方程得到，內核和皮膚的溫度變化率通過其能量貯存率、身體的比熱容cb和身體質量m集中在皮膚的比例α計算：

式中 qco，sk為從內核傳遞給皮膚的熱流；Eres和Esk分別為呼吸和皮膚的蒸發(fā)熱流；qc和qr分別為皮膚與環(huán)境之間的對流和輻射熱流；W為所做的機械功。

根據質量守恒，得到吸入質量流win、呼出質量流wout和第j種組分對應的質量分數xin，jxout，j及其消耗質量流wj之間的關系，氧氣的消耗量和CO2的產生量可以通過經驗公式計算，假設呼出氣體是正好飽和的濕空氣，可求出產濕量［10－11］：

式中 RQ為呼吸商；MCO2和MO2分別為二氧化碳和氧氣的摩爾質量；r為氣化潛熱。

2.2 座艙

座艙是航天員生活和工作的場所，本文將設備區(qū)和人員活動區(qū)分開考慮，設備區(qū)的影響通過熱流傳遞給人員活動區(qū)。座艙分解為大氣區(qū)、艙壁和艙壁上的冷凝水膜三部分。大氣區(qū)的第j種組分的質量守恒方程為

式中 win和wout是流入和流出座艙的質量流；wlf，in和wlf，out是航天員呼出和吸入的質量流；xin，jxout，jxlf，in，jxlf，out，j分別是第j種組分對應的質量分數；wair，film，j為大氣區(qū)與艙壁物質交換的質量流。

根據大氣區(qū)的能量守恒，能量Uair的變化率為

式中 hin和hout為流入和流出座艙的大氣比焓；hlf，in和hlf，out為航天員呼出和吸入氣體的比焓；hair，film為空氣與艙壁交換物質的比焓；qair，wall為大氣傳遞給艙壁的熱流；qequip，air為電氣設備傳遞給大氣的熱流。

艙壁上冷凝水膜區(qū)的質量守恒和艙壁的能量守恒方程如下：

2.3 冷凝換熱器

冷凝換熱器同時控制溫度和濕度。溫度控制通過把熱量傳遞給冷卻回路來實現；將大氣溫度降低到露點以下，使水蒸氣冷凝，從大氣流中分離出來，實現濕度控制。大氣側和冷卻側的質量守恒方程如下，吸水端口液體水的質量流wdrain，liq通過吸水區(qū)入口液體水的質量分數xslurp，liq和吸水效率εslurp得到：

式中 wcold，in和wcold，out為冷卻側入口和出口的質量流；whot，in、whot，out、wdrain分別是大氣側入口、出口及吸水端口的質量流；xhot，in，jxhot，out，jxdrain，j分別是第j種組分對應的質量分數。

冷凝換熱器的總換熱熱流qhex為

式中 Cmin為兩側熱容的較小值；hhot，in、hhot，out、hdrain、hcold，in、hcold，out分別為對應端口流體的比焓；Mwall，cold和Mwall，hot為冷卻側和大氣側固體壁的質量；cwall，cold和cwall，hot為對應的比熱容；Mfluid，cold和Mfluid，hot為冷卻側和大氣側流體的質量，cfluid，cold和cfluid，hot為對應的比熱容。

根據式（8）求出冷卻側出口和大氣側出口流體溫度Tcold，out和Thot，out的變化率，換熱效率η則根據換熱器的類型進行計算［12］。

換熱器對應端口的壓降ΔP可以通過參考壓降ΔPref計算，得到

式中 ρref和wref是參考密度和質量流；ρin和win是入口密度和質量流；n為壓降方程的指數。

2.4 氫氧化鋰裝置

采用無水LiOH作為CO2吸收劑安全可靠，吸收效率高。假設LiOH與CO2的反應速率只取決于單位面積內CO2的質量流，溫度和濕度對反應速率的影響通過效率體現，罐壁與大氣之間為理想傳熱。LiOH罐的質量守恒方程與式（3）類似。CO2吸收質量流wCO2和水產生質量流wH2O分別為

式中 xload為CO2負載；xload，max為最大CO2負載；εLiOH，CO2為LiOH與CO2的反應速率；mLiOH，0為初始時罐中LiOH的質量。

動量守恒方程與式（9）類似，能量守恒方程為

式中 Tout為出口處的流體溫度；qre為反應產熱流；Mbed和Mfluid分別為反應床和罐中大氣的質量；cbed、cfluid為反應床和罐中大氣的比熱容。

3 Modelica模型的構建方法

Modelica是一種面向對象和支持非因果建模的新語言，以模型庫構架管理模型，這些新特征需要一種較先進的建模流程和方法指導建模過程?；窘＿^程應用面向對象的物理建模法，首先明確研究系統對象；然后將系統分解成基本的組件，并定義組件之間的通信接口；最后利用Modelica靈活強大的功能構建組件模型和系統模型。

3.1 系統分解及接口設計

根據自然的物理邊界和模型做出的假設，按照自頂向下的方法對系統進行分解，決定系統的層次拓撲結構、內部的通信方式、模型重用性和擴展性。系統分解應包含兩個層面：一是面向組件的分解，將系統分解為物理上的部件；二是主體分解，在物理部件的基礎上進一步分解，得到通用物理現象或方法的集合。系統分解得到相對獨立對象的集合及其層次拓撲關系。每個對象即是一個組件模型，利用面向對象方法獨立構建，組件與外界之間的交互通信通過接口實現。

表1 接口類型及變量Tab.1 Interface types and variables in interfaces

接口應該使組件連接變得簡單自然，對于物理組件模型的接口，必須在物理上能夠連接組件。設計環(huán)境控制系統的兩類接口如表1所示。Modelica的接口有兩種基本變量類型——流變量和勢變量，其規(guī)律遵守廣義基爾霍夫定律，即連接在同一接口上的流變量之和為零，勢變量相等。為了滿足熱流體系統建模的需要，Modelica增加了一種新的接口變量，即附流變量，附流變量與其綁定的流變量之積可以看作流變量。接口之間可以連接，生成表示接口變量關系的連接方程。

3.2 介質模型

介質模型基于Modelica標準庫的標準介質接口［13］擴展和專門化而得到。設計獨立的介質模型，可以實現介質模型與設備模型控制方程的解耦，從而在構建設備模型時可以獨立于介質模型，以最自然的方式描述控制方程和構建設備模型。介質模型在設備模型中定義為可替換組件，設備模型通過重聲明可以任意選擇介質模型。一種介質模型是一個模型包，由四部分組成：1）常數，包括介質的名稱、摩爾質量等常數；2）屬性模型，主要包含介質的狀態(tài)方程和其他熱力學方程，描述介質主要變量的關系；3）功能函數，計算介質在不同狀態(tài)下屬性參數的函數，例如計算動力粘度；4）類型，聲明適用于熱力學變量的類型，例如限定變量的大小。

圖1 航天員模型示例Fig.1 Example of crew model

3.3 組件模型

組件模型是一種Modelica限制類，可包括參數、變量、嵌套類、方程和算法。組件模型的建立采用自低向上方法，通常從繼承基類模型開始，并聲明子組件模型和接口，補充變量和方程（參見第2節(jié)），按照組件的各層次嵌套子模型的組成及其拓撲關系，結合文本建模和拖放式建模逐層遞進構建組件模型。組件模型對應于系統中的基本物理部件，例如管道、閥門、風機、換熱器等，組件模型是功能完整的模型，可以直接實例化并應用。所有模型在模型庫中按照設計的架構分類管理。航天員模型如圖1所示。左圖是本文視圖下的部分代碼；右下側是在組件視圖下的模型圖標，它具有用于連接的接口。

4 環(huán)境控制系統仿真分析

4.1 環(huán)境控制系統模型

圖2 航天器座艙環(huán)境控制系統模型Fig.2 Model of environmental control system

航天器座艙環(huán)境控制系統由溫濕度控制子系統、CO2凈化子系統和供氣調壓子系統組成。系統模型的構建采用自底向上集成的方法，按照系統物理結構，采用第3.3節(jié)所開發(fā)的座艙、航天員、供氣調壓組件、冷凝換熱器、LiOH吸收罐、氣液分離器、風機、管道、邊界條件和控制器等組件模型構建一種典型系統的模型。在MWork平臺的支持下，利用模型庫中的組件模型可以直接進行可視化拖放建模；每個組件是獨立的對象，封裝了數據和方程，通過接口連接實現組件之間的交互，接口間的連接會自動生成連接方程；組件模型組合可以封裝成子系統模型，實現層次化。環(huán)境控制系統的Modelica模型組件視圖如圖2所示，模型結構與實際物理系統的拓撲結構相對應。

4.2 大氣環(huán)境指標與模型參數

表2 大氣環(huán)境指標Tab.2 Requirement of atmosphere environment

表3 不同活動狀態(tài)下人的能耗Tab.3 Energy consume of crew in different activity level

環(huán)境控制系統的主要性能指標和技術參數［1，14］是仿真模型的重要數據。載人航天器座艙環(huán)境控制系統需要將大氣環(huán)境控制在適合航天員生活工作的合理范圍內，大氣環(huán)境指標如表2所示。

航天員的代謝熱量和排出的濕氣是座艙內的主要熱濕載荷。航天員在不同活動等級下的代謝熱量如表3所示。

進入冷凝換熱器冷側的冷卻回路液體溫度保持恒溫，通常為（9±2）℃。供氣調壓系統供氧的最大質量流為0.005kg／s，供氮的最大質量流為0.02kg／s。溫濕度控制系統風機從座艙抽取空氣的質量流為0.08kg／s左右CO2凈化系統風機從座艙抽取空氣的質量流為0.01kg／s左右。

4.3 大氣環(huán)境控制性能分析

設定座艙內有三名航天員，作息時間相同，每天處于安靜狀態(tài)8h，輕松工作狀態(tài)14h，高強度工作狀態(tài)2h。溫濕度控制策略采用主動溫度控制，被動濕度控制，即控制過程中只存在對被控溫度的反饋作用，形成閉環(huán)，調節(jié)流入冷凝換熱器的流量，設置最佳溫度為22℃。一天內座艙大氣溫度和相對濕度的變化分別如圖3所示。仿真結果顯示溫度基本維持最佳溫度，在航天員代謝狀態(tài)變化時，溫度有小幅度的波動；相對濕度隨產生量的變化而變化，變化幅度較大，能控制在大氣環(huán)境指標要求的范圍內。

下面分析溫濕度控制策略采用被動溫度控制、主動濕度控制，即控制過程中只存在對被控濕度的反饋作用，調節(jié)流入冷凝換熱器的流量，設置最佳相對濕度為50%。一天內座艙大氣溫度和相對濕度的變化分別如圖4所示。從仿真結果可以看到，相對濕度能夠控制在要求的范圍內；但溫度變化劇烈，超出了規(guī)定范圍。相對濕度不僅與含濕量有關，而且受溫度影響。主動濕度控制過程中存在溫度和濕度矛盾的情況，試圖提高濕度控制能力時削弱了溫度控制能力，反而導致濕度情況惡化。

圖3 主動溫度控制的大氣溫濕度Fig.3 T＆H under active temperature control

圖4 主動濕度控制的大氣溫濕度Fig.4 T＆H under active humidity control

結合以上兩種控制方法的特點，本文提出了一種主動溫濕度控制策略，控制過程中同時存在對被控溫度和被控濕度的反饋，形成閉環(huán)。溫度閉環(huán)控制信號直接調節(jié)大氣加熱器，將溫度閉環(huán)控制信號和濕度閉環(huán)控制信號分別乘以一定的權重系數，利用兩者之和控制進入冷凝換熱器的流量。設置最佳大氣溫度為22℃，最佳相對濕度為50%，一天內座艙大氣溫度和相對濕度的變化分別如圖5所示。仿真結果顯示，大氣溫度維持在控制設定溫度，熱負載巨變時有小幅度波動。當產濕量適中時，相對濕度能夠維持在控制設定值。當產濕量較大或較小時，相對濕度偏離了設定值，但與前兩種控制方法相比，其變化范圍縮小了，濕度控制的整體效果得到提高。系統結構和控制策略比前兩種系統復雜，加熱器會消耗額外的能量。

CO2分壓和氧氣分壓的控制比較簡單。CO2凈化系統風機從座艙抽取空氣的流量設置為合理的大小，當CO2分壓高于最大值時，認為LiOH罐吸收能力不足，將切換新的LiOH罐開始工作。當氧氣分壓低于最小界限時，供氣調壓系統開始補充氧氣，速率根據總壓的大小決定，直到氧氣分壓大于最大界限時，停止供氧。一周內座艙大氣CO2分壓和氧氣分壓分別如圖6所示，都在技術指標要求的變化范圍內。

圖5 溫濕度綜合控制的大氣溫濕度Fig.5 T＆H under active temperature and humidity control

圖6 座艙大氣的CO2和氧氣分壓Fig.6 CO2and O2partial pressure in cabin

5 結束語

本文推導出載人航天器座艙大氣環(huán)境控制系統主要部件的數學控制方程，能夠較準確地模擬系統特性?；贛odelica語言建立了環(huán)境控制系統模型庫，憑借其建模優(yōu)勢，模型具有很高的重用性、擴展性、易用性及知識積累能力。搭建一種典型環(huán)境控制系統的模型，對環(huán)境控制性能進行仿真分析，提出主動溫濕度綜合控制方法。得到結論如下：

1）主動溫度控制方法能夠滿足溫濕度控制的需求，結構簡單，穩(wěn)定性高；單純的主動濕度控制方法削弱了溫度控制能力，也不利于濕度控制；主動溫濕度綜合控制方法考慮溫濕度的耦合作用，能夠同時有效地控制溫度和濕度。

2）總壓和氧分壓采用“先氧后氮”及設定上下界限的常用控制方法，CO2凈化采用通過調節(jié)進入LiOH裝置的流量和超出CO2分壓上界后更換LiOH裝置的方法，壓力和氣體成分都能夠有效地控制在要求的范圍內。

3）各子系統聯系緊密，互相影響，必須綜合分析，航天員活動狀態(tài)、補充氧氣氮氣的溫度、CO2凈化量及電氣設備產熱都會影響溫濕度變化；尤其航天員的活動狀態(tài)變化會明顯地影響幾乎所有子系統。

［1］ 林貴平，王普秀.載人航天生命保障技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006：1－2，38－46.

［2］ ZAPATA J L，SON C H.Analysis of air ventilation and crew comfort for the International Space Station Cupola［C］.32ndInternational Conference on Environmental Systems，San Antonio，Texas，2002.

［3］ SPEISER D，PINES D，SON C H.Computational fluid dynamic of air flow in Node 1of the International Space Station［C］.35ndInternational Conference on Environmental Systems，Rome，2005.

［4］ 程文龍，趙銳，黃家榮，等.載人航天器獨立飛行時密封艙內流動換熱及熱濕分析研究 ［J］.宇航學報，2009，30（6）：2410－2416.

CHENG WENLONG，ZHAO RUI，HUANG JIARONG，et al.Numerical simulation of flow heat transfer and humidity distribution in pressured cabins of an independent flight manned spacecraft［J］.Journal of Astronautics，2009，30（6）：2410－2416.

［5］ 付仕明，徐小平，李勁東，等.空間站乘員睡眠區(qū)二氧化碳聚集現象 ［J］.北京航空航天大學學報，2007，33（5）：523－526.

FU SHIMING，XU XIAOPING，LI JINDONG，et al.Carbon dioxide accumulation of space station crew quarters［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2007，33（5）：523－526.

［6］ 靳健，侯永青，楊雷.載人航天器大氣環(huán)境控制系統性能集成分析［J］.航天器環(huán)境工程，2013，30（4）：380－387.

JIN JIAN，HOU YONGQING，YANG LEI.Integrated analysis of characteristics of the air environment control system of manned spacecraft［J］.Spacecraft Environment Engineering，2013，30（4）：380－387.

［7］ 付仕明，魏傳鋒，李勁東.空間站熱分析綜述［J］.航天器環(huán)境工程，2013，30（5）：467－472.

FU SHIMING，WEI CHUANFENG，LI JINDONG.Thermal analysis for a space station［J］.Spacecraft Environment Engineering，2013，30（5）：467－472.

［8］ 趙建軍，丁建完，周凡利，等.Modelica語言及其多領域統一建模與仿真機理［J］.系統仿真學報，2006，18（2）：570－573.

ZHAO JIANJUN，DING JIANWAN，ZHOU FANLI，et al.Modelica and its mechanism of multi－domain unified modeling and simulation［J］.Journal of System Simulation，2006，18（2）：570－573.

［9］ FRITZSON P.Principles of object－oriented modeling and simulation with Modelica 2.1［M］.New York：John Wiley ＆Sons，2010.

［10］ FIALA D，LOMAS K J，STOHRER M.Dynamic simulation of human heat transfer and thermal comfort［J］.Environmental Ergonomics XII，Biomed，Ljubljana，2007：513－515.

［11］ GAGGE A P.An effective temperature scale based on a simple model of human physiological regulatory response［J］.Ashrae Transactions，1971，77：247－262.

［12］ INCROPERA F P.Fundamentals of heat and mass transfer［M］.New York：John Wiley ＆Sons，2011：670－705.

［13］ ELMQVIST H，TUMMESCHEIT H，OTTER M.Object－oriented modeling of thermo－fluid systems［C］.3rd International Modelica Conference，Linkoping，2003：269－286.

［14］ 戚發(fā)軔，朱仁璋，李頤黎.載人航天器技術［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2003：136－146.

劉 煒 1992年生，2013年畢業(yè)于華中科技大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，現為華中科技大學機械設計及理論專業(yè)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。

陳立平 1964年生，1995年獲華中科大學械設計及理論專業(yè)工學博士學位，教授，博士生導師。主要研究幾何約束求解、多體系統動力學和多領域建模仿真數字化設計支撐技術。

Modeling and Analysis of Cabin Atmospheric Environmental Control System in a Manned Spacecraft

LIU Wei CHEN Liping DING Jianwan XIE Gang
（School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074）

The governing equations of components for cabin atmospheric environmental control system in manned spacecraft were built.The general method of establishing model library using multi－domain unified modeling method based on Modelica was presented.A powerful library with high reusability，extensibility and feasibility was built for the environmental control system.A kind of environmental control system including an atmosphere control and supply subsystem（ACSS），atmosphere revitalization subsystem（ARS）and a temperature and humidity control subsystem（THCS）was modeled to carry out the performance analysis and the control strategy study.The investigation shows that three subsystems are coupled deeply and have influence on each other.The active temperature control method is appropriate for THCS.And a better control strategy of active temperature and humidity control was put forward to achieve more effective control capability.The crew activity level should be considered as a variation，which has heavy effects on other subsystems.The established model library and analysis results provide an efficient way to improve the design and running management of the cabin environmental control system in the manned spacecraft.

Atmospheric environmental control；Modelica；Object－oriented modeling；Temperature and humidity control；Manned spacecraft

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.007

（編輯：王曉宇）

國家863計劃（2013AA041301）資助項目

2014－10－17。收修改稿日期：2015－01－21