CN103204251B - 用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统,主要包括氧气浓度模拟单元、二氧化碳模拟单元、氮气模拟单元和湿度模拟单元，该系统通过管路与密封舱连接，空气在人员代谢模拟系统和载人航天器密封舱之间循环，控制系统据输入模拟人员数量及各人员代谢模式，结合基于代谢的经验公式计算出产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量的控制目标，并通过采集系统中温度、压力、流量、氧浓度等数据，根据预定控制逻辑，对风机、阀门、压缩机、分子筛、流量控制器、泵、加热器进行控制，以达到控制目标。与现有技术相比，本发明不需要人员参与试验，同时考核热控系统和环控系统的能力。利用本系统构建的试验系统比有人试验更安全，灵活性更高，连续运行时间更长，对产品考核更充分，不占用舱内体积。

Description

用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统

技术领域

本发明属于载人航天器地面试验领域，具体涉及一种用于载人航天器地面热控系统和环控系统综合试验的人员代谢模拟系统。

背景技术

航天器对接机构一般作为航天器移动、停放或者热试验用地面支撑机械设备的重要组成部分，用于和航天器的直接对接与固定。大型载人航天器地面试验需要考核热控系统和环控系统长期维持载人环境的能力，特别是两个系统长期协调工作的性能。热控系统和环控系统都受到人员代谢作用的影响。代谢活动对热控系统的影响主要在于代谢产生的热量和水蒸汽会影响空气温度和湿度；代谢活动对环控系统的影响在于代谢过程会改变空气成分，消耗掉氧气，产生二氧化碳和水蒸汽。

现有的载人航天器试验分别考核热控系统和环控系统的性能。热控系统试验中采用了人体产热模拟器和人体产湿模拟器，分别模拟人员代谢产生的热量和水蒸汽量。人体产热模拟器由贴有加热片的铝板制成，利用程控电源控制加热功率，模拟不同状态下通风环境中的人体产热。人体产湿模拟器利用加热内置水箱产生水蒸汽，按照设定的产湿速率对空气进行加湿，可以模拟6名人员的产湿。现有的人体产热模拟器和人体产湿模拟器都包含有控制器，能够实现供电、控制和检测功能，并具有和计算机通讯及发送数据的功能。现有的环控系统试验不采用模拟系统，而是进行长时间的有人参与试验，利用真实的代谢过程改变空气组分。

现有的试验系统和方法存在如下问题：

载人航天器的环控系统与热控系统之间存在着紧密的相互联系。环控系统的某些设备工作时会释放热量或者需要加热再生，这些热量会改变循环空气温度；热控系统的控制温度会影响除湿能力，同时风速会影响热控系统的换热效率和环控系统的气体净化效果。目前分别考核两个系统的试验方式无法充分验证系统间长期协调工作的性能。人体产热模拟装置和人体产湿模拟装置只能模拟人体 的热湿效应，无法模拟代谢活动对气体组分的改变。采用人员参与长期试验的方式在生理和心理方面存在很大的不安全因素，试验准备周期长，代价高。此外，如采用多个设备分别模拟产热、产湿、氧气消耗、二氧化碳增加等效应，不仅需要占据舱内大量空间，设备本身会影响流场分布。因此，为了实现热控系统和环控系统长期综合试验，必须设计新的人员代谢模拟设备，同时模拟各种代谢效应，降低舱内空间需求，提高试验的灵活性和安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、功能全面、精确控制的人员代谢模拟系统，不仅能够同时模拟多种人体代谢效应，而且能够有效提高载人航天器长期测试的安全性和灵活性。本发明能够填补国内对载人航天器热控系统、环控系统进行综合试验所需代谢模拟系统的空白，为大型载人航天器进行地面综合试验提供了技术保障。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统,主要包括氧气浓度模拟单元、二氧化碳模拟单元、氮气模拟单元和湿度模拟单元，用于载人航天器地面综合试验的密封舱与氧气浓度模拟单元的输入端之间设置有输入管路，输入管路上依次串联设置有温度传感器一、流量计、变频风机与防止空气回流至密封舱的止回阀，氧气浓度模拟单元的输出端依次通过压力传感器一、电加热器与温度传感器二与所述密封舱的输出管路连接，氧气浓度模拟单元与压力传感器一之间分别设置有氮气模拟单元和二氧化碳模拟单元，它们分别由相应气体气瓶和流量控制器三、流量控制器四构成以为管路提供氮气和二氧化碳，压力传感器一与电加热器之间设置有湿度模拟单元以为管路提供水蒸汽，其中，氧气浓度模拟单元由并联的主路管路和旁路管路构成，旁路管路上设置有阀门二，主路管路依次连接有流量控制器一、压缩机和分子筛，压缩机两端还单独并联有阀门一，分子筛的另一管路还连接有氧浓度传感器并通过流量控制器二排空；湿度模拟单元包括依次管路连接的储水槽、水泵、蒸发器、压力传感器二和流量控制器五，上位机与PLC构成的控制系统根据输入模拟人员数量及各人员代谢模式，结合基于代谢的经验公式计算出产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量的控制目标，下发至下位控制器PLC，PLC采集系统中温度、压力、流量的各个数据，根据 预定控制逻辑，对风机、阀门、压缩机、分子筛、流量控制器、泵、加热器进行控制，以达到控制目标。

其中，氧气浓度模拟单元的旁路管路中的气体不经过处理回到管路的空气循环中，主路管路通过流量控制器一控制需要经过分子筛的气体流量，气体进入分子筛前需由压缩机对空气加压，分子筛为转轮式，能够同时吸附和解吸，分子筛吸附氮气和二氧化碳，而氧气和少量氮气会穿过分子筛，吸附的气体通过解吸回到管路的空气循环中，穿过的部分气体被排空，根据氧浓度传感器的数据反馈给控制系统，通过流量控制器二控制排空的氧气流量，完成氧气消耗量控制，同时确定与氧气一起放空的少量氮气量，并将数据反馈给控制系统。

其中，压缩机并联设置的启动旁路在阀门一开启时启动压缩机，启动完成后阀门一关闭。

其中，氧气浓度模拟单元的输出端与压力传感器二之间还可设置有另外的压力传感器和温度传感器。

其中，模拟不同数量的人员时，通过气体流量计的反馈调节风机转速，进而调整进入系统的空气流量。

其中，温度传感器一与温度传感器二的位置尽可能的靠近密封舱与管路的接口。

其中，流量控制器三控制氮气瓶进入空气循环的氮气流量，用于弥补除氧过程中排空的氮气量；流量控制器四控制二氧化氮气瓶进入空气循环的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。

其中，水泵用于将储水槽中的水送入蒸发器并保持蒸发器液位为设定值。

其中，上述控制系统根据蒸发器出口的压力传感器二的反馈，调节蒸发器的加热功率，使蒸发器出口压力大于空气循环中的管路压力(即压力传感器一显示的压力)。

其中，通过流量控制器五控制进入管路中空气循环的水蒸气流量，完成产湿量控制。

本发明解决了大型载人航天器热控系统、环控系统综合试验的关键技术难点，实现不需要人员参与试验，同时考核热控系统和环控系统的能力。利 用本系统构建的试验系统比有人试验更安全，灵活性更高，连续运行时间更长，对产品考核更充分，不占用舱内体积。

附图说明

图1为本发明的人员代谢模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是人员代谢模拟系统的组成示意图。其中，用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统,主要包括氧气浓度模拟单元、二氧化碳模拟单元、氮气模拟单元和湿度模拟单元，用于载人航天器地面综合试验的密封舱与氧气浓度模拟单元的输入端之间设置有输入管路，输入管路上依次串联设置有温度传感器一、流量计、变频风机与防止空气回流至密封舱的止回阀，氧气浓度模拟单元的输出端依次通过压力传感器一、电加热器与温度传感器二与所述密封舱的输出管路连接，氧气浓度模拟单元与压力传感器一之间分别设置有氮气模拟单元和二氧化碳模拟单元，它们分别由相应气体气瓶和流量控制器三、流量控制器四构成以为管路提供氮气和二氧化碳，压力传感器一与电加热器之间设置有湿度模拟单元以为管路提供水蒸汽，其中，氧气浓度模拟单元由并联的主路管路和旁路管路构成，旁路管路上设置有阀门二，主路管路依次连接有流量控制器一、压缩机和分子筛，压缩机两端还单独并联有阀门一，以便在阀门一开启时启动压缩机，启动完成后阀门一关闭。分子筛的另一管路还连接有氧浓度传感器并通过流量控制器二排空，氧气浓度模拟单元的旁路管路中的气体不经过处理回到管路的空气循环中，主路管路通过流量控制器一控制需要经过分子筛的气体流量，气体进入分子筛前需由压缩机对空气加压，分子筛为转轮式，能够同时吸附和解吸，分子筛吸附氮气和二氧化碳，而氧气和少量氮气会穿过分子筛，吸附的气体通过解吸回到管路的空气循环中，穿过的部分气体被排空，根据氧浓度传感器的数据反馈给控制系统，通过流量控制器二控制排空的氧气流量，完成氧气消耗量控制，同时确定与氧气一起放空的少量氮气量，并将数据反馈给控制系统；湿度模拟单元 包括依次管路连接的储水槽、水泵、蒸发器、压力传感器二和流量控制器五，上位机与PLC构成的控制系统根据输入模拟人员数量及各人员代谢模式，结合基于代谢的经验公式计算出产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量的控制目标，下发至下位控制器PLC，PLC采集系统中温度、压力、流量的各个数据，根据预定控制逻辑，对风机、阀门、压缩机、分子筛、流量控制器、泵、加热器进行控制，以达到控制目标。模拟不同数量的人员时，通过气体流量计的反馈调节风机转速，进而调整进入系统的空气流量。

在一实施方式中，氧气浓度模拟单元的输出端与压力传感器二之间还可设置有另外的压力传感器和温度传感器。

在一实施方式中，温度传感器一与温度传感器二的位置尽可能的靠近密封舱与管路的接口。流量控制器三控制氮气瓶进入空气循环的氮气流量，用于弥补除氧过程中排空的氮气量；流量控制器四控制二氧化氮气瓶进入空气循环的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。通过流量控制器五控制进入管路中空气循环的水蒸气流量，完成产湿量控制。水泵用于将储水槽中的水送入蒸发器并保持蒸发器液位为设定值。上述控制系统根据蒸发器出口的压力传感器二的反馈，调节蒸发器的加热功率，使蒸发器出口压力大于空气循环中的管路压力(即压力传感器一显示的压力)。

具体来说，人员代谢模拟系统最大能力可以模拟6名乘员进行剧烈体力劳动的代谢效应，包括产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量。系统通过管路与密封舱连接。从中抽取气体，改变气体组分并加热，最后送回密封舱，以考核热控系统和环控系统的性能。上位机根据输入模拟人员数量及各人员代谢模式，结合基于代谢的经验公式(参见《人体热调节系统的数学模拟》，作者：袁修干，北京:北京航空航天大学出版社,2005.)计算出产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量的控制目标，下发至下位控制器(PLC)，PLC采集系统中温度、压力、流量数据，根据预定控制逻辑，对风机、阀门、压缩机、分子筛、流量控制器、泵、加热器进行控制，以达到控制目标。

系统入口管路连接密封舱，从中抽取气体，模拟不同数量的人员时，通过气体流量计的反馈调节风机转速，进而调整进入系统的空气流量。止回阀用于防止进入人员代谢模拟系统的空气回流至密封舱。止回阀后气路分为两路，旁 路中的气体不经过处理回到空气循环中，另一路的通过流量控制器1控制需要经过分子筛的气体流量。气体进入分子筛前需由压缩机对空气加压，压缩机设置启动旁路(启动前旁路阀门1开启，启动完成后阀门1关闭)。分子筛为转轮式设计，能够同时吸附和解吸，分子筛吸附氮气和二氧化碳，而氧气和少量氮气会穿过分子筛，吸附的气体通过解吸回到空气循环中，穿过的部分气体被排空，根据氧浓度传感器的数据反馈，通过流量控制器2控制排空的氧气流量，完成氧气消耗量控制，同时确定与氧气一起放空的少量氮气量。流量控制器3控制氮气瓶进入空气循环的氮气流量，用于弥补除氧过程中排空的氮气量。流量控制器4控制二氧化氮气瓶进入空气循环的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。水泵用于将储水槽中的水送入蒸发器并保持蒸发器液位为设定值。根据蒸发器出口的压力传感器2的反馈，调节蒸发器的加热功率，使蒸发器出口压力大于空气循环中的管路压力(压力传感器1)。通过流量控制器5控制进入空气循环的水蒸气流量，完成产湿量控制。系统出口管路连接密封舱，将处理后的空气送回密封舱，使气体在人员代谢模拟系统和载人航天器密封舱之间循环。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统,主要包括氧气浓度模拟单元、二氧化碳模拟单元、氮气模拟单元和湿度模拟单元，用于载人航天器地面综合试验的密封舱与氧气浓度模拟单元的输入端之间设置有输入管路，输入管路上依次串联设置有温度传感器一、流量计、变频风机与防止空气回流至密封舱的止回阀，氧气浓度模拟单元的输出端依次通过压力传感器一、电加热器与温度传感器二与所述密封舱的输出管路连接，氧气浓度模拟单元与压力传感器一之间分别设置有氮气模拟单元和二氧化碳模拟单元，它们分别由相应气体气瓶和流量控制器三、流量控制器四构成以为输入管路提供氮气和二氧化碳，压力传感器一与电加热器之间设置有湿度模拟单元以为输入管路提供水蒸汽，其中，氧气浓度模拟单元由并联的主路管路和旁路管路构成，旁路管路上设置有阀门二，主路管路依次连接有流量控制器一、压缩机和分子筛，压缩机两端还单独并联有阀门一，分子筛的主路管路连接有氧浓度传感器，并通过流量控制器二排空；湿度模拟单元包括依次管路连接的储水槽、水泵、蒸发器、压力传感器二和流量控制器五，上位机与下位控制器PLC构成的控制系统根据输入模拟人员数量及各人员代谢模式，结合基于代谢的经验公式计算出产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量的控制目标，下发至下位控制器PLC，下位控制器PLC采集系统中温度、压力、流量的各个数据，根据预定控制逻辑，对变频风机、阀门、压缩机、分子筛、流量控制器、水泵、加热器进行控制，以达到控制目标。

2.如权利要求1所述的人员代谢模拟系统，其中，氧气浓度模拟单元的旁路管路中的气体不经过处理回到主路管路的空气循环中，主路管路通过流量控制器一控制需要经过分子筛的气体流量，气体进入分子筛前需由压缩机对空气加压，分子筛为转轮式，能够同时吸附和解吸，分子筛吸附氮气和二氧化碳，而氧气和少量氮气会穿过分子筛，吸附的气体通过解吸回到主路管路的空气循环中，穿过的部分气体被排空，根据氧浓度传感器的数据反馈给控制系统，通过流量控制器二控制排空的氧气流量，完成氧气消耗量控制，同时确定与氧气一起放空的少量氮气量，并将数据反馈给控制系统。

3.如权利要求2所述的人员代谢模拟系统，其中，压缩机并联设置的启动旁路在阀门一开启时启动压缩机，启动完成后阀门一关闭。

4.如权利要求2所述的人员代谢模拟系统，其中，氧气浓度模拟单元的输出端与压力传感器二之间还可设置有另外的压力传感器和温度传感器。

5.如权利要求1-4任一项所述的人员代谢模拟系统，其中，模拟不同数量的人员时，通过气体流量计的反馈调节变频风机转速，进而调整进入系统的空气流量。

6.如权利要求1-4任一项所述的人员代谢模拟系统，其中，温度传感器一与温度传感器二的位置尽可能的靠近密封舱与输出管路的接口。

7.如权利要求1-4任一项所述的人员代谢模拟系统，其中，流量控制器三控制氮气瓶进入空气循环的氮气流量，用于弥补除氧过程中排空的氮气量；流量控制器四控制二氧化氮气瓶进入空气循环的二氧化氮流量，完成二氧化氮增量控制。

8.如权利要求1-4任一项所述的人员代谢模拟系统，其中，水泵用于将储水槽中的水送入蒸发器并保持蒸发器液位为设定值。