CN103224038A - 舱外航天服生保系统二轮能量回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，包括供氧回路、涡轮动力装置和通风循环回路；供氧回路除用于补充航天员代谢消耗的氧气，保持航天服内必须的绝对工作压力外，还采用高压氧气作为动力，推动涡轮动力装置做功，带动通风循环中的风机工作，同时涡轮因膨胀做功充当部分减压器的作用；通风循环回路借助于净化罐和被涡轮动力装置带动的风机实现航天服内的气体循环和再生，并去除航天员代谢活动产生的二氧化碳和其它有害气体，同时，通风循环回路吸收航天服内的部分产热。本系统可有效减少航天服的总电力消耗、减少航天服携带蓄电池重量、提高航天服内能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，该系统能降低航天服生保系统电力消耗量、减少出舱活动蓄电池的质量，适用于长时多次出舱活动。
背景技术
航天员进行出舱探测活动时，将面临极度恶劣的空间环境，航天服便成为航天员出舱的核心装备，为其出舱活动提供必要的环境防护和供氧、供水、通风、控温、通讯等功能。其中，供氧与压力控制、CO2和其他污染物控制、热控制、湿度控制等功能由航天服生保系统提供。完成以上功能需要航天员携带的蓄电池质量较大，在一定程度上限定了航天服质量的控制。
目前，航天服上多采用Ag-Zn电池、锂电池等蓄电池作为电源。蓄电池储能密度（30～120Wh/kg）较小，在满足供电量的情况下需携带的蓄电池质量较大，增加航天员出舱负担；另外，其充放电循环使用次数少，频繁更换电源增加了补给难度和成本。
舱外航天服生保系统主要包括供氧回路、通风回路、温度控制系统以及操纵机构及接头。供氧回路不间断地或按需求为航天员供氧，补充航天员代谢消耗的氧气，并保持航天服内必须的绝对工作压力，氧气存储多采用气态储存，工作压力较高（6.2MPa～42MPa），氧气需经减压器降压及稳压以保证航天服工作压力（24.9kPa～40.0kPa），在降压过程中损失了氧气的膨胀功；通风回路为航天服清除CO2气体、有害成分、湿气等生命活动产物，借助于电动风机和净化罐实现航天服内空间的气体循环和再生，并部分参与航天服内热工况的控制；温度控制系统由散热水循环回路和给水升华器供水回路组成，为航天服排除多余热负荷，控制排热系统保持航天服在规定时间段内的热平衡，其中，散热水循环回路靠离心泵来建立水在冷却系统中的循环。通风回路和散热水循环回路中的风机(1～4W)和离心泵(≤9W)需航天服生命保障系统提供电驱动装置来拖动，而电驱动装置效率往往较低（15%），从而在一定程度上限制了航天服内供电系统的质量。
另外，伴随着微型飞行器概念的提出，微型涡轮动力装置得到迅猛发展，它是一种基于微机电技术的只有纽扣大小的动力装置，质量小于1kg，具有尺寸小、重量轻、转速高、推重比大等优点；能够制造微小尺寸零件的微细加工技术，包括微细切削技术、微电子加工技术、微细电加工技术等，也日趋成熟。
发明内容
根据本发明的一个方面，通过对舱外航天服生保系统内能量的再利用，提高舱外航天服生保系统的能源利用率，减少航天服电力消耗，减小航天员携带蓄电池的质量。
根据本发明的一个方面，提供了一种舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，利用舱外航天服生保系统供氧回路中高压氧气降压过程中的膨胀功，带动涡轮动力装置输出轴功，为舱外航天服生保系统通风回路的风机提供动力，实现航天服内空间气体的循环和再生。
本发明的优点包括：
－在舱外航天服生保系统供氧回路中引入涡轮动力装置，能够利用航天服内高压氧气所具有的较高品质能量，与现有航天服生保系统供氧回路只利用减压器降压，损失一定的氧气膨胀功相比，有利于系统能源利用率的提高。
－利用涡轮动力装置将高压氧气内能转化为机械能，输出轴功带动航天服生保系统通风回路中风机工作，减少了航天服电力供应，从而减小了航天员舱外作业需携带蓄电池的质量。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统示意图。
图2是适用于图1所示实施例的涡轮动力装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步阐述。应理解，它们仅是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限定。
参见图1所示，根据本发明的一个实施例的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统包括供氧回路、涡轮动力装置和通风回路。供氧回路包括：氧瓶（101）、压力传感器（102）、氧气流量控制阀（103）、及减压器和压力调节器（104）；涡轮动力装置主要包括涡轮（201）、轴功控制阀（202）、转轴（203）和风机（302）；通风回路包括：通风管道节流阀（301）、风机（302）、净化罐（303）、水升华器（306）、水分离器和水收集器（304）和阀门（305）。
供氧回路中由氧瓶（101）释放的高压氧气，经氧气流量控制阀（103）调节流量后进入涡轮（201），在其中膨胀对其叶轮做功，降压降温后进入减压器和压力调节器（104），经减压器和压力调节器（104）进一步调节至航天服正常工作需要的稳定压力状态后，与通风回路气体在阀门（305）处汇合，进入航天服头盔腔内。
涡轮动力装置中的涡轮（201）的叶轮由氧瓶（101）所释放的高压氧气推动而旋转，经转轴（203）输出轴功，带动通风回路风机（302）工作；同时，轴功控制阀（202）用来调节对风机（302）输出的轴功的大小。
通风回路中的风机（302）与涡轮（201）共用一根转轴（203），以涡轮（201）提供的轴功为动力，带动航天服内空间气体的循环；航天服中含有水蒸气、CO2和其他有害成分的混合气体，由通风管道（307）经过节流阀（301）进入通风回路；净化罐（303）用于吸收航天服内循环气体混合物中的有害物质；水升华器用于冷却航天服通风系统中的循环气体及液冷服的水；水分离器和水收集器（304）用于排除循环气体中的湿气，并收集这些经水升华器冷凝后的气体；除湿后的气体与经减压器和压力调节器（104）减压调节后的氧气在阀门（305）处汇合后，被泄入航天服头盔腔内。
在根据本发明的一个实施例中，氧瓶（101）为高压储氧，经涡轮（202）及减压器和压力调节器（104）进行压力调节后，最终能达到航天服正常工作压力24.9kPa～25.3kPa。
在根据本发明的一个实施例中，氧瓶（101）释放出的高压氧气(如42MPa)，其内能转化为涡轮动力装置的输出轴功，能够满足风机（302）动力功率(如1-4W)要求。
上述实施例中的涡轮动力装置如图2所示，包括外壳401、涡轮404、轴承405、转轴406、和风机407。由氧瓶释放出的高压氧气流经涡轮进气口402进入涡轮动力装置，膨胀并推动涡轮404做功后，由涡轮出气口403离开涡轮动力装置进入供氧回路；被高压氧气推动旋转的涡轮404经转轴406带动风机407工作；在风机407的带动下，航天服内含有水蒸气、CO2和其他有害成分的混合气体经风机进气口408进入风机，并从风机出气口409离开风机407，继续完成通风回路中航天服内气体的循环再生。
在根据本发明的一个实施例中，选用的氧瓶储氧压力为42MPa，供氧流量为3L/min，航天服正常工作压力25kPa。
在根据本发明的一个实施例中，选用的通风回路风机功率1.2W。
在根据本发明的一个实施例的舱外航天服生保系统中，采用涡轮动力装置将供氧回路高压氧气内能转化为机械能，带动风机302完成航天服内通风，具有减少航天服总电力需求、提高航天服内能源利用率、减少航天员携带蓄电池重量等优点。
根据本发明的的一个实施例的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统包括供氧回路、涡轮动力装置和通风回路。供氧回路包括氧瓶、压力传感器、氧气流量控制阀及减压器和压力调节器；涡轮动力装置包括涡轮、轴功输出控制阀和转轴；通风回路主要包括：通风管道节流阀、风机、净化罐、水升华器、水分离器和水收集器和阀门。供氧回路中氧瓶，为航天服提供所需氧气，同时高压氧气可驱动涡轮动力装置，使其对外输出轴功，为通风回路中的风机提供动力，完成航天服内气体的循环和再生。该系统能够提高航天服能源利用率，减少航天服电力需求、减小航天员携带蓄电池的质量等优点。
应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形和/或修正。
Claims (5)
1.舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，其特征在于包括：
供氧回路、涡轮动力装置和通风回路。
2.根据权利要求1的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，其特征在于
供氧回路包括氧瓶（101）、压力传感器（102）、氧气流量控制阀（103）、及减压器和压力调节器（104），
其中，
由氧瓶（101）释放的高压氧气，经氧气流量控制阀（103）调节流量后进入涡轮（201），在涡轮（201）中膨胀对涡轮（201）的叶轮做功，降压降温后进入减压器和压力调节器（104），经减压器和压力调节器（104）进一步调节至航天服正常工作需要的稳定压力状态后，与通风回路气体在阀门（305）处汇合，进入航天服头盔腔内。
3.根据权利要求2的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，其特征在于
涡轮动力装置包括涡轮（201）、轴功控制阀（202）、转轴（203）和风机（302），
其中，
涡轮（201）经转轴（203）输出轴功，带动通风回路风机（302）工作；
控制阀（202）用来调节对风机（302）输出的轴功的大小。
4.根据权利要求3的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，其特征在于
通风回路包括：通风管道节流阀（301）、风机（302）、净化罐（303）、水升华器（306）、水分离器和水收集器（304）和阀门（305），
其中，
风机（302）用于带动航天服内空间气体的循环，使航天服中含有水蒸气、CO2和/或其他有害成分的混合气体由通风管道（307）经过节流阀（301）进入通风回路；
净化罐（303）用于吸收航天服内循环气体混合物中的有害物质；
水升华器用于冷却航天服通风系统中的循环气体及液冷服的水；
水分离器和水收集器（304）用于排除循环气体中的湿气，并收集这些经水升华器冷凝后的气体；
除湿后的气体与经减压器和压力调节器（104）减压调节后的氧气在阀门（305）处汇合后，被泄入航天服头盔腔内。
5.根据权利要求4的舱外航天服生保系统二轮能量回收系统，其特征在于
氧瓶（101）为高压储氧，经涡轮（202）及减压器和压力调节器（104）进行压力调节后，最终能达到航天服正常工作压力；
氧瓶（101）释放出的高压氧气，其内能转化为涡轮动力装置的输出轴功，能够满足风机（302）动力功率要求。
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