人體代謝耗氧模擬裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

賀繼艷，馬基賢，王 帥，張 鵬，石亞慧，王秀鋒

（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津 300456）

0 引言

環(huán)控生保系統(tǒng)[1]是空間飛行任務(wù)中為航天員提供生命活動必需物質(zhì)條件的保障系統(tǒng)。為確保航天員的生存、安全、健康和高效工作，以及飛行過程中系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，載人飛行前必須對環(huán)控生保系統(tǒng)進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證。人體代謝耗氧模擬裝置作為環(huán)控生保系統(tǒng)無人試驗(yàn)中人體呼吸代謝模擬的主要設(shè)備，其性能和運(yùn)行效率對環(huán)控生保系統(tǒng)驗(yàn)證分析至關(guān)重要。

2013年，中國航天員科研訓(xùn)練中心研制并應(yīng)用了我國第1套分子篩耗氧模擬裝置[2]。該裝置經(jīng)環(huán)控生保系統(tǒng)集成性能試驗(yàn)的使用考核，出口氧濃度（體積分?jǐn)?shù)）可達(dá)93%以上，基本不消耗密封艙內(nèi)的其他氣體成分[3]，但裝置的氣密性不良、耗氧過程對艙壓影響較大，需要進(jìn)行改進(jìn)。

本文在分析艙壓下降及波動原因的基礎(chǔ)上，針對空壓機(jī)泄漏、管路密封不良問題，著眼于提高艙壓穩(wěn)定性和系統(tǒng)運(yùn)行效率，從設(shè)備選型、工作流程、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 問題分析

基于氣體分子學(xué)直徑的微小差別，氮分子在分子篩的微孔中有較快的擴(kuò)散速度，氧分子擴(kuò)散速度較慢，因此分子篩在平衡狀態(tài)下優(yōu)先吸附氮?dú)?。載人密封艙內(nèi)空氣成分以氮?dú)夂脱鯕鉃橹?，利用沸石分子篩對氮?dú)獾奈饺萘吭诩訅簳r增加、減壓時減少的特性，形成加壓吸附、減壓解吸的循環(huán)過程，可實(shí)現(xiàn)空氣中21%的氧氣、78%的氮?dú)饧?%的其他氣體分離[4]。人體代謝耗氧模擬裝置利用分子篩氣體分離的過程，把氧氣從空氣中分離出來并排出艙外，使艙內(nèi)空氣中的氧氣按照人體消耗速率定量減少，并將氧分離后的其余氣體仍返回艙內(nèi)，以確保不影響艙內(nèi)其他氣體組分。

第1套分子篩耗氧模擬裝置在使用過程中出現(xiàn)如下問題：在使用前需開機(jī)30 min以上才能達(dá)到以93%以上的純度穩(wěn)定耗氧，效率較低；使用過程中艙內(nèi)壓力會持續(xù)下降；在耗氧機(jī)抽氣回氣過程中艙壓波動較大。其中耗氧效率較低的原因較明確，主要在于選用的分子篩制氧機(jī)產(chǎn)氧量偏高。本文著重對其余2個問題進(jìn)行分析研究。

1.1 艙壓下降問題分析

耗氧模擬裝置采用的工業(yè)用分子篩制氧機(jī)原設(shè)計(jì)用途為以空氣為原料生產(chǎn)氧氣，過程中氣體的泄漏量對成本和產(chǎn)氧量無特殊影響，因此氣體分離行業(yè)對制氧機(jī)部組件的氣密性沒有相關(guān)規(guī)范要求。裝置氣密性不良是造成艙壓下降的主要原因。制氧機(jī)組成部件較多，包括空壓機(jī)、緩沖罐、分離塔、過濾器、出氣緩沖罐以及大量手動和自動閥門等；各部組件的連接接頭眾多，各類接頭約300多個。因此，一方面，器件的選型及連接方式對系統(tǒng)整體的漏率有很大影響；另一方面，第1套分子篩耗氧模擬裝置所采用的無油空壓機(jī)由于設(shè)計(jì)本身存在泄壓孔，軸封處無法完全密封，隨著軸封材料的磨損，空壓機(jī)存在氣體向空氣中泄漏和空氣向艙內(nèi)泄漏的情況，且泄漏量無法估計(jì)[5]。

經(jīng)調(diào)研分析，耗氧機(jī)各部組件中除空壓機(jī)外，手動閥、電動閥、連接件等均可通過選型實(shí)現(xiàn)漏率小于 1×10-5Pa·m3/s。

1.2 艙壓波動問題分析

耗氧模擬裝置在制氧過程中采用變壓吸附原理：空壓機(jī)從艙內(nèi)不斷抽氣，當(dāng)空氣緩沖罐達(dá)到一定壓力之后，開始空氣分離過程；約2 min后氣體分離過程完成，排放一定量的氧氣之后，剩余的氣體回流到艙內(nèi)。整個過程使測試艙內(nèi)氣壓呈現(xiàn)吸氣時艙壓下降、回氣時艙壓上升的波動情況。

第1套模擬耗氧機(jī)選用產(chǎn)氧量1 m3/h的耗氧機(jī)，選型偏大，相應(yīng)的抽氣、回氣量較大，造成艙壓波動較大。分子篩耗氧機(jī)工作需滿足的空/氧比為12～14，抽氣速率 300 L/min，氣體分離周期為 2 min。按照表1[6]中數(shù)據(jù)計(jì)算，3人中度活動所需的最大耗氧量為 2.72 L/min。測試艙容積為 100 m3，以空/氧比為12計(jì)算，壓縮機(jī)間歇工作，總的抽氣量為12 000 L/h，總的工作時間為 40 min，回氣過程可近似為連續(xù)。每小時總的抽氣量減去排掉的耗氧量163.2 L（60×2.72 L/min），剩余約 11 837 L 氣體要在 60 min 中內(nèi)回到艙內(nèi)，排氣速率為 197 L/min。穩(wěn)定工作后，耗氧過程會在空壓機(jī)吸氣時造成艙內(nèi)壓力每分鐘下降3‰-1.97‰=1.03‰，回氣時艙內(nèi)壓力最大每分鐘上升1.97‰，艙壓波動較大。

表1 人體呼吸耗氧速率Table 1 Human respiratory oxygen consumption parameters

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

針對第1套耗氧模擬裝置存在的問題，對分子篩耗氧機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要包括：耗氧機(jī)空氣壓縮系統(tǒng)選用智驅(qū)壓縮機(jī)融合線性電機(jī)的無油全密閉壓縮機(jī)，解決了空壓機(jī)泄漏問題；系統(tǒng)管路中的電磁閥全部選用全封閉無內(nèi)外泄漏電磁閥，提高了內(nèi)部管路的密封性；為保證耗氧模擬系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和地面長時間試驗(yàn)的完成，設(shè)計(jì)3路獨(dú)立耗氧系統(tǒng)，互不干涉、互為冗余，每路均采用快速耗氧流程與緩沖罐+消聲器相結(jié)合的技術(shù)，旨在滿足6人地面試驗(yàn)所需耗氧量的同時提高耗氧效率，降低耗氧過程對艙壓的影響。具體改進(jìn)方案如下：

2.1 耗氧機(jī)整體方案

耗氧系統(tǒng)主要由箱體、溫度傳感器、過濾器、無油變頻壓縮機(jī)、恒溫水槽、變壓吸附塔、水汽回流系統(tǒng)、緩沖罐、穩(wěn)壓罐、流量控制器、氣體分析儀、PLC及PC機(jī)等組成（參見圖1）。該系統(tǒng)與測試艙采用法蘭盤連接，管路與法蘭連接采用氣路快插接頭，氣密性指標(biāo)為 1×10-9Pa·m3/s。系統(tǒng)管路及配件選型嚴(yán)格控制，保證耗氧過程不對艙內(nèi)空氣造成污染。

圖1 耗氧系統(tǒng)組成Fig.1 Principle of the O2 consumption device

2.2 系統(tǒng)工作流程

以3路耗氧系統(tǒng)中的第1路（參見圖1）為例說明耗氧系統(tǒng)的工作流程[7]如下：艙內(nèi)空氣經(jīng)過無油變頻壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入恒溫除濕系統(tǒng)的相應(yīng)氣路，降溫以保證進(jìn)入吸附塔的氣體中不含蒸汽且溫度適合。電磁閥V4、V6是吸附塔1、2的進(jìn)氣閥，V5、V7是吸附塔1、2的排氣閥。V4和V7構(gòu)成一個回路，V5和V6構(gòu)成一個回路，V8為吸附塔1、2之間的均壓電磁閥。當(dāng)V4、V6、V8開通且V5、V6關(guān)斷時，空氣進(jìn)入吸附塔1內(nèi)進(jìn)行吸附，去除氮?dú)夂螽a(chǎn)生的氧氣一部分通過單向閥D4進(jìn)入緩沖罐，另一部分通過V8進(jìn)入吸附塔2內(nèi)對分子篩進(jìn)行解吸反吹，余氣回流。當(dāng) V5、V6、V8開通且 V4、V7關(guān)斷時，空氣進(jìn)入吸附塔2內(nèi)進(jìn)行吸附并對吸附塔1內(nèi)的分子篩進(jìn)行解吸反吹，余氣回流。V8的作用是保證吸附和解吸反吹兩塔之間的均壓，回收一部分氧氣和機(jī)械能，保證氧氣濃度；V8的關(guān)斷與V5、V7的開通連鎖。排氧口通過穩(wěn)壓閥和流量控制器實(shí)現(xiàn)定量排氧，并使用氣體分析儀對排出的氧氣濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。耗氧過程由西門子PLC進(jìn)行控制，研華工控機(jī)結(jié)合力控軟件實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)測和記錄。

耗氧機(jī)控制時序見圖2：進(jìn)氣電磁閥V4、V6的通/斷狀態(tài)正好相反，且通/斷時間均為 6.86 s；排氣電磁閥V5、V7的開通時間比進(jìn)氣電磁閥的要短，為5.09 s，即與相應(yīng)的進(jìn)氣閥相比，排氣閥晚開通、早關(guān)斷。均壓電磁閥V8的動作周期約等于吸附塔1的吸附時間（6.87 s），且與排氣閥V5、V7的通斷狀態(tài)相反。

圖2 耗氧機(jī)控制時序Fig.2 The control timing of the O2 consumption device

2.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)內(nèi)容

本耗氧系統(tǒng)在對原有空氣壓縮、氣體分離耗氧和余氣回流進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，新增了恒溫除濕系統(tǒng)。

1）空氣壓縮系統(tǒng)

為確保整體系統(tǒng)氣密性，空氣壓縮系統(tǒng)選用無油全密閉變頻壓縮機(jī)，但單臺全密閉壓縮機(jī)的功率無法滿足分子篩耗氧所需的空/氧比，因此由3臺空壓機(jī)（M1～M3）并聯(lián)工作。這種壓縮機(jī)采用智驅(qū)壓縮機(jī)融合線性電機(jī)與無油自潤滑相結(jié)合的技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定、能效高、超靜音、啟動超快、可靠性高等特點(diǎn)。

無油全密閉變頻壓縮機(jī)主要應(yīng)用于制冷行業(yè)，其密封性能所要求的允許泄漏率是1.6×106Pa壓力下氟利昂的年泄漏量為1 g，滿足耗氧模擬裝置的漏率指標(biāo)要求；其運(yùn)行方式為無油干式運(yùn)行，滿足分子篩耗氧模擬裝置對壓縮機(jī)的要求；采用直線伺服電機(jī)驅(qū)動，能夠精確控制壓縮機(jī)活塞的運(yùn)動頻率和行程，從而精確調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量，為耗氧模擬裝置精確控制氣體壓縮量和穩(wěn)定艙內(nèi)壓力提供了必要技術(shù)保證。

2）恒溫除濕系統(tǒng)

經(jīng)過壓縮機(jī)后，引氣溫度升高，會使吸附等溫線斜率減小，降低吸附劑的飽和吸附量，最終影響產(chǎn)生氧氣的濃度。為確保分子篩發(fā)揮更好的耗氧效果，設(shè)計(jì)了恒溫除濕系統(tǒng)（參見圖3），降低進(jìn)入吸附塔的引氣溫度并去除蒸汽。

圖3 恒溫除濕系統(tǒng)Fig.3 The constant temperature dehumidification system

3）氣體分離耗氧系統(tǒng)

耗氧系統(tǒng)含3路獨(dú)立管路，每一路均為3臺無油變頻壓縮機(jī)同時工作，采用變頻調(diào)節(jié)與緩沖罐+消聲器相組合，保證耗氧后的氣體壓力滿足返回測試艙內(nèi)氣體的壓力要求。

由圖1可見，3路吸附塔氣路中：V4、V5、V6、V7為一組閥組，V9、V10、V11、V12為一組閥組，V14、V15、V16、V17為一組閥組。系統(tǒng)通過各電磁閥的通斷配合，進(jìn)行吸附塔之間的吸附/解吸，完成氮氧分離。穩(wěn)壓閥1～3用來穩(wěn)定3路耗氧管路間壓力均衡。穩(wěn)壓閥4和穩(wěn)壓罐1相組合，穩(wěn)定管路系統(tǒng)壓力，保證流量控制器的精確調(diào)節(jié)和流量測量。

4）水汽回流系統(tǒng)

水汽回流系統(tǒng)為全封閉系統(tǒng)（參見圖4），利用恒溫除濕系統(tǒng)，保證回流管道氣體的溫度和壓力不影響測試艙內(nèi)的空氣工況；同時，通過超聲波霧化系統(tǒng)使?jié)駳忭樦鄽鈿饬鞣祷販y試艙內(nèi)。

圖4 水汽回流系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.4 Water vapor design

3 測試結(jié)果

設(shè)備研制完成后，對設(shè)備整體的氣密性進(jìn)行了保壓試驗(yàn)，同時，對耗氧濃度，排氧口CO2含量、微量氣體含量，抽氣口和回氣口溫濕度進(jìn)行了測試，對影響艙壓波動的抽氣量、回氣量進(jìn)行監(jiān)測。

采用保壓方式[8]，外接氣泵對系統(tǒng)充空氣至壓力為0.28 MPa，斷開氣泵并對抽氣口、排氧口和回氣口進(jìn)行封堵；待穩(wěn)定后系統(tǒng)內(nèi)部初始壓力268.56 kPa、溫度 15.31 ℃，系統(tǒng)有效容積約 25 L（最大容積約 45 L）；保壓 24 h后，系統(tǒng)內(nèi)部壓力 241.95 kPa、溫度 14.80 ℃；壓降 26.61 kPa、溫差-0.51 ℃，考慮氣體狀態(tài)方程的最終壓降為25.896 kPa，泄漏率計(jì)算結(jié)果為 1.5×10-2Pa·m3/s，滿足任務(wù)書對整機(jī)氣密性的要求。

在開機(jī)約5 min后，出口氧濃度趨于穩(wěn)定，且高于93%；在關(guān)艙門試驗(yàn)時，由于艙內(nèi)的氬氣濃度逐漸降低，氧濃度隨著試驗(yàn)時間的延長會逐步升高到96.8%左右。

排氧口CO2含量測試結(jié)果為0；醇、苯、氨、醛等微量氣體濃度無數(shù)量級變化。

抽氣口和回氣口溫濕度測試記錄表明，在12 h內(nèi)，溫度變化不超過1 ℃，濕度變化不超過6個百分點(diǎn)，這個影響程度對于環(huán)控生保系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)而言可以忽略。

該耗氧系統(tǒng)含3套獨(dú)立冗余管路，每路耗氧量0～3 L/min，經(jīng)實(shí)測空/氧比約為 14；該套設(shè)備空壓機(jī)連續(xù)工作，抽氣量為42 L/min；根據(jù)耗氧時序圖可知每組2臺分子篩交替進(jìn)行抽排氣，回氣過程可近似為連續(xù)。按照表1中3人中度活動所需的最大耗氧量計(jì)算，耗氧量為2.72 L/min。為保證耗氧量，開啟2套耗氧系統(tǒng)，抽氣量為84 L/min，回氣量為81.28 L/min。試驗(yàn)艙容積 100 m3，穩(wěn)定工作后抽氣、回氣均為連續(xù)工作，整個耗氧過程對艙壓波動的影響約為每分鐘 2.72 L/100 m3=0.027‰。

4 結(jié)束語

經(jīng)整艙模擬測試驗(yàn)證，改進(jìn)后的人體代謝模擬耗氧裝置的耗氧濃度建立時間由原來的30 min縮短到 5 min，系統(tǒng)整體漏率≤2×10-2Pa·m3/s，艙壓波動約為0.027‰，滿足任務(wù)要求。該改進(jìn)后裝置已成功應(yīng)用于環(huán)控生保系統(tǒng)地面試驗(yàn)中且運(yùn)行穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)M精度，為環(huán)控生保系統(tǒng)驗(yàn)證提供了可靠的保障。

值得一提的是，由于氧氣（0.346）和氬氣（0.34）的分子直徑相近，分子篩耗氧分離的過程中難以將二者完全分離，故在人體代謝耗氧模擬的過程中，會導(dǎo)致艙內(nèi)氬氣含量降低。進(jìn)一步研究中可針對氧氣和氬氣的分離進(jìn)行研究，以期提高耗氧純度。