CN108398300B - 采集载人航天器有害气体的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采集载人航天器有害气体的设备及方法，包括：泄复压容器；泵机组，所述泵机组与所述泄复压容器密封连接，用于将所述泄复压容器内的压强维持在10±5Pa至70KPa±5KPa之间；采样气瓶，所述采样气瓶与所述泄复压容器密封连接，用于容纳周期地从所述泄复压容器内采集的气体。采用本发明的载人航天器有害气体释出试验设备及方法，可以准确的得到低压条件下载人航天器内非金属材料有害气体的释出速率，从而能够据此得出有害气体净化指标、进行有害气体净化设计，确保航天员在轨的健康安全。

Description

采集载人航天器有害气体的设备及方法

技术领域

本发明涉及载人航天器环境研究试验技术领域，尤其涉及采集载人航天器有害气体的设备及利用该设备确定有害气体释放量的方法。

背景技术

载人航天器在轨飞行过程中，为保证航天员的健康安全，需要对载人航天器密封舱的环境指标进行测量监控，有害气体浓度是载人航天器载人环境的重要指标之一。目前对于载人航天器密封舱内有害气体的释出速率的研究还是主要针对常压环境进行的。由于载人飞船为载人飞行，且在轨飞行时间短，因此以往只需要考虑常压条件下有害气体的释放速率即可，得到的载人航天器密封舱内释放速率规律都是常压条件下的结果，没有对低压环境下载人航天器密封舱内各种非金属材料产生有害气体释出速率进行研究。而未来的大型载人航天器，例如空间实验室或者空间站部分舱段，在无人在轨飞行期间，密封舱由于舱体自然泄露而低于载人环境要求的正常舱压范围，或是在轨飞行期间被微流星体击穿导致舱压下降，这些情况都会导致载人航天器密封舱内的压强为低压环境，从而密封舱内使用的非金属材料也将会暴露在低压环境中。而低压环境会使金属材料有害气体的释出速率发生变化，影响舱内有害气体含量以及净化器的净化效果，从而威胁航天员的健康安全。因此，需要对毒牙环境下的有害气体释出速率进行试验研究，从而做出相应的应该对，保障航天员的健康安全。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供采集载人航天器有害气体的设备及利用该设备确定有害气体释放量的方法，用以确定对低压环境下航天器密封舱内非金属材料有害气体释出量，从而保证航天员的健康安全。

为实现上述发明目的，本发明提供采集载人航天器有害气体的设备，包括：

泄复压容器；

泵机组，所述泵机组与所述泄复压容器密封连接，用于将所述泄复压容器内的压强维持在10±5Pa至70KPa±5KPa之间；

采样气瓶，所述采样气瓶与所述泄复压容器密封连接，用于容纳周期地从所述泄复压容器内采集的气体。

根据本发明的一个方面，所述泄复压容器包括：

容器体，设有第一开口、与所述泵机组连接的第二开口和与所述采样气瓶连接的第三开口；

容器盖，所述容器盖与所述第一开口形状配合并可在开启和气密封闭所述第一开口的位置之间移动。

根据本发明的一个方面，所述泵机组与所述泄复压容器的第二开口之间设有控制阀；

所述采样气瓶通过管路与所述第三开口连接，在所述第三开口处设有控制阀。

根据本发明的一个方面，所述泵机组为真空泵。

为实现上述发明目的，根据本发明还提供采用上述设备确定有害气体释放量的方法，包括：

S1.通过所述泄复压容器的第一开口，将非金属试验材料置于所述容器体内，通过所述容器盖气密封闭所述泄复压容器；

S2.维持所述泄复压容器内部压强为一个标准大气压，利用采样气瓶周期地采集所述泄复压容器内的气体；

S3.通过所述泵机组降低所述泄复压容器内的压强，利用采样气瓶周期地采集所述泄复压容器内的气体；

S4.利用下列公式分别计算在S2和S3中所采集到的气体样本中有害气体释放量：

其中，m_n是第n次采样时有害气体释放累积量(mg)，P_r是第n次采样时容器内压强(kPa)，P₀是标准大气压强(按101.325kPa计)，V_r是容器容积(m3)，a_n是第n次采样时有害气体浓度(mg/m3)，V_c是采样气量(m3)，a_i是第i次(i＝1,…,n-1)采样时有害气体浓度(mg/m3)。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S2中：

保持所述泄复压容器内部压强为一个标准大气压10天；

在第1、2、3、4、5、7、10天分别通过采样气瓶采集所述泄复压容器内的气体。

根据本发明的一个方面，在所述步骤S3中：

通过泵机组保持所述泄复压容器内压强10Pa±5Pa10分钟，然后保持所述泄复压容器内压强为70KPa±5KPa的低压环境并保持10天；

在保持泄复压容器内部低压环境10天内，分别在第1、2、3、4、5、7、10天通过采样气瓶采集所述泄复压容器内的气体。

根据本发明的一个方面，在步骤S1之前：

保持所述泄复压容器内压强为一个标准大气压1天，检测所述泄复压容器常压密封性能；

通过所述泵机组使所述泄复压容器内压强为10Pa±5Pa，然后至70KPa±5KPa保持3天，检测所述泄复压容器低压密封性能。

根据本发明的一个方面，所述非金属材料平铺在所述容器体中，所述非金属试验材料为：结构蜂窝板、聚四氟乙烯电缆、聚氨酯泡沫塑料、芳纶硅橡胶管、MS螺纹紧固胶和/或间位芳纶纤维材料。

采用本发明的载人航天器有害气体释出试验设备，将载人航天器密封舱内的非金属材料放入泄复压容器中，通过泵机组来改变泄复压容器内的压强大小，从而可以模拟载人航天器密封舱内非金属材料在常压环境和低压环境，进一步通过采样气瓶采样到的气体并最终计算得出有害气体在常压环境和低压环境下的释出速率，从而能够据此得出有害气体净化指标、进行有害气体净化设计，确保航天员在轨飞行的健康安全。

根据本发明的试验方法，在常压环境和低压环境下均使泄复压容器保压10天，并在第1、2、3、4、5、7、10天进行采用，使得能够获取较多的试验样本，从而能够保证最终试验结果的准确性。另外，采用上述公式进行计算，可以很好的避免因采样过程中有害气体浓度变化所导致的计算结果不准确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是示意性表示根据本发明的采集载人航天器有害气体的设备的结构组成图；

图2是示意性表示根据本发明常压环境下一氧化碳的释出速率图；

图3是示意性表示根据本发明常压环境下甲苯的释出速率图；

图4是示意性表示根据本发明常压环境下甲醛的释出速率图；

图5是示意性表示根据本发明常压环境下丙酮的释出速率图；

图6是示意性表示根据本发明常压环境下总挥发性有机物的释出速率图；

图7是示意性表示根据本发明低压环境下一氧化碳的释出速率图；

图8是示意性表示根据本发明低压环境下甲苯的释出速率图；

图9是示意性表示根据本发明低压环境下甲醛的释出速率图；

图10是示意性表示根据本发明低压环境下丙酮的释出速率图；

图11是示意性表示根据本发明低压环境下总挥发性有机物的释出速率图。

具体实施方式

此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。

此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。

图1是示意性表示根据本发明采集载人航天器有害气体的设备的结构组成图。如图1所示，本发明的采集载人航天器有害气体的设备包括泄复压容器1、泵机组2和采样气瓶3。泄复压容器1为可以开启和关闭的密封容器，包括容器体和容器盖。

在图1所示实施方式中，容器盖设在容器体的顶部，因此图1中未示出容器盖。根据本发明，容器盖也可以设置在容器体的其他面上，例如侧面。根据本实施方式，容器体上设有与容器盖对应的开口，用于与容器盖相互配合，形成用于向容器体内置放试件以及在试验完成将试件取出的机构。在本实施方式中，容器体上用于与容器盖相互配合的开口称之为第一开口。容器盖可以与第一开口边缘相互铰接连接，形成可以转动开启的容器盖。根据本发明的目的，在容器体和可以转动开启的容器盖之间，设有密封，以便在闭合容器盖之后，能够在容器体内形成密闭空间。在根据本发明的另一种实施方式中，容器盖可以与容器体相互分离，以便于试件的取放。在这种实施方式中，容器盖复位安装到容器体上之后，依然可以密封容器体，以便于在其中形成密闭空间。根据本发明的目的，在将试件放入容器体之后，对试件释放有毒气体或组份的检测过程中，需要容器体与外界隔绝。因此，无论容器体上开口形状如何，与之对应的容器盖的大小以及形状必须与之匹配，以便在相互安装后，能够形成气密空间。

根据本实施方式，容器体上还设有第二开口。第二开口用于与泵机组2连接，以便通过泵机组2控制或改变泄复压容器1的容器体中的压强。泵机组2通过第二开口与泄复压容器1连通。在泵机组2与第二开口之间设有控制阀，控制阀用于切断或联连通泵机组2与泄复压容器1之间的通路。控制阀可以是针阀或其他类型的截止阀。泵机组2用于改变泄复压容器1内的压强。在本实施方式中，泵机组2为真空泵，可以抽取泄复压容器1中的气体，将泄复压容器内的压强维持在10±5Pa至70KPa±5KPa之间。

泄复压容器1的容器体上还设有第三开口4。采样气瓶3通过管路5与第三开口4连接，实现采样气瓶3与泄复压容器1的连通，从而可以对泄复压容器1中的气体进行采样。本发明的第三开口4处配有控制阀。在本实施方式中，第三开口4处的控制阀为针阀。

在本实施方式中，泄复压容器1在其内部环境压强低于一个标准大气压时，可以至少保持压强10天无泄漏。如此能够保证试验可以正常进行获得多组采样数据，有利于试验结果的准确性。本发明的泵机组2与泄复压容器1相互匹配，泵机组2可以使泄复压容器1内的最低压强降至10Pa±5Pa。根据在泵机组2对泄复压容器1内的压强进行泄压时，泄复压容器1内压强低于载人航天器密封舱压强的正常控制范围87KPa-95KPa，如此可模拟航天器密封舱内的低压环境。

采用本发明的采集载人航天器有害气体的设备，将一种或多种用于载人航天器密封舱内的非金属材料试样放入泄复压容器1中，然后关闭容器盖，将泄复压容器1的容器体气密封闭。通过泵机组2来改变泄复压容器1内的压强大小，从而可以模拟载人航天器密封舱内非金属材料所处常压环境和低压环境。通过在不同的时间点采集泄复压容器1中的气样，即可获得非金属材料在不同的压强环境中的释放的有害气体。根据采样气瓶3采集到的有害气体量，计算得出有害气体在常压环境和低压环境下的释出速率。根据有害气体释出速率，可以得出相应的有害气体净化指标、进行有害气体净化设计，确保航天员在轨飞行健康安全。

以下对采用本发明采集载人航天器有害气体的设备确定有害气体释放量的方法进行详细说明。

本发明的载人确定航天器中有害气体释放量的方法包括以下步骤：

S1.打开泄复压容器1的容器盖，通过泄复压容器1的第一开口将非金属试验材料放入容器体内，随后关闭容器盖气密封闭泄复压容器1；

S2维持泄复压容器1内部压强为一个标准大气压的常压环境，利用采样气瓶3周期地采集泄复压容器内1的气体；

S3.通过泵机组2降低泄复压容器1内的压强，利用采样气瓶3周期地采集泄复压容器1内的气体；

S4.分别计算在S2和S3中所采集到的气体样本中有害气体释放量。

具体来说，在步骤S1中，选取目标载人航天器密封舱内使用的非金属材料作为试验材料。例如在根据发明的一种实施方式中，选取六种非金属材料作为试样。这六种非金属材料分别为结构蜂窝板、聚四氟乙烯电缆、聚氨酯泡沫塑料、芳纶硅橡胶管、MS螺纹紧固胶合和美塔斯(间位芳纶纤维)材料。可选取六种试验材料中的一种或多种放入容器体中，具体可根据需要进行选择。也就是说，可以一次针对一种非金属材料进行检测，也可以同时或一次针对多种非金属材料进行检测。试验材料均需要使用工业生产三个月以上的材料，并且每种试验材料的重量需根据泄复压容器1的容积大小进行相应比例的缩放，即根据使用泄复压容器1的容器大小与目标航天器密封舱的容器大小的比值，相应的缩小目标密封舱中试验材料的大小放入泄复压容器1中，在本实施方式中，缩放比例为1:50。如此能够更好的模拟每一种材料在载人航天器密封舱内的形态，有利于试验结果的准确性。另外，为进一步贴合载人航天器密封舱的环境提高试验结果准确度，每种非金属试验材料均需按照平铺完全暴露的形态放置在泄复压容器1中。

在确定航天器中非金属材料在常压下有害气体释放的过程中，首先将泄复压容器1内部压强控制为一个标准大气压的常压环境，打开第三开口4处的控制阀，通过采样气瓶3对泄复压容器1内的气体进行首次采样，然后关闭控制阀，取下采样气瓶对采样气体进行测量并记录，作为后续步骤的基础数据。之后保持泄复压容器1内部维持一个标准大气压的常压环境10天，然后通过第三接口4上的控制阀在常压环境第1、2、3、4、5、7、10天利用采样气瓶3对泄复压容器1内的气体进行采样。如此完成常压下采集非金属材料所释放的有害气体试样。

与常压下确定有害气体释放量类似，在确定航天器中非金属材料在低压下有害气体释放的过程中，首先保持泄复压容器1中处于常压环境，维持10天。然后，通过泵机组2对泄复压容器1泄压至10Pa±5Pa。10分钟后，再对泄复压容器1增压至70KPa±5KPa形成低压环境。打开第三开口4处的控制阀，通过采样气瓶3对泄复压容器1内的气体进行首次采样，然后关闭控制阀，取下采样气瓶对采样气体进行测量并记录。之后保持泄复压容器1内部压强为70KPa±5KPa的低压环境10天，然后通过第三开口4上的控制阀在低压环境第1、2、3、4、5、7、10天利用采样气瓶3对泄复压容器1内的气体进行采样。然后分别计算在S2和S3中所采集到的气体样本中有害气体释放量。

需要指出的是，由于每次通过采样气瓶3进行采气，使得泄复压容器1内的压强下降，并且采气后并不向泄复压容器1内补加气体，常压试验过程中泄复压容器1内压强会有所下降。泄复压容器1内压强下降会导致有害气体的浓度降低，使得利用样本分析的有害气体浓度直接计算得到的有害气体产生速率较实际情况偏低。因此将采样结果均折算为一个标准大气压下有害气体释放的累积量进行计算，计算方式如下：

其中，m_n是第n次采样时有害气体释放累积量(mg)，P_r是第n次采样时容器内压强(kPa)，P₀是标准大气压强(按101.325kPa计)，V_r是容器容积(m3)，a_n是第n次采样时有害气体浓度(mg/m3)，V_c是采样气量(m3)，a_i是第i次(i＝1,…,n-1)采样时有害气体浓度(mg/m3)。同样地，对于低压环境下的试验结果采用相同的计算方法进行处理，即，在步骤S3和步骤S5中均采用上述公式进行计算，最终计算出单位时间内有害器体的释放量，即计算得出有害气体的释出速率。在本实施方式中，有害气体是指一氧化碳、甲苯、甲醛、丙酮和总挥发性有机物。

此外，在进行步骤S1之前还需要对泄复压容器1的保压能力进行测试，即测试泄复压容器1能够保持压强恒定的时间，包括在常压环境下保压能力测试和在低压环境下保压能力测试。在本实施方式中，首先需将泄复压容器1内部压强控制为一个标准大气压的常压环境，然后保持一天，如果泄复压容器1的内部压强发生变化，则需要更换泄复压容器1重新进行测试。如果泄复压容器1的内部压强没有发生变化或者变化在误差允许范围内，则进一步通过泵机组2将泄复压容器1抽真空至10Pa±5Pa，然后复压至70KPa±5KPa的低压环境，保持3天。如果泄复压容器1在低压环境下保持压强的能力不满足使用要求，则更换泄复压容器1重新进行测试(包括常压下保压能力测试)，若泄复压容器1在低压环境下保压能力满足使用要求，即可进行步骤S1。

根据本发明的试验方法，在常压环境和低压环境下均使泄复压容器1保压10天，并在第1、2、3、4、5、7、10天进行采用，使得能够获取较多的试验样本，从而能够保证最终试验结果的准确性。另外，采用上述公式进行计算，可以很好的避免因采样过程中有害气体浓度变化导致的计算结果不准确的问题。

图2-图6分别是示意性表示常压环境下一氧化碳、甲苯、甲醛、丙酮和总挥发性有机物的释出速率图。图7-图11分别是示意性表示低压环境下一氧化碳、甲苯、甲醛、丙酮和总挥发性有机物的释出速率图。

由图示可知，在常压条件下，一氧化碳和总挥发性有机物的释出速率先增大再减小，并趋于稳定，甲苯的释放速率为单调上升并趋于稳定，甲醛和丙酮的释放速率则呈减小的趋势。在低压环境条件下，一氧化碳、甲苯、甲醛和丙酮的释放速率均呈现上升趋势，只有总挥发性有机物的释放速率为下降趋势。另外，低压环境条件下有害气体的释放速率均较常压环境条件下有一个量级的增大。

对比图2-6和图7-11可以得到以下结论：一氧化碳和甲苯在低压环境下的释放速率高于在常压环境下的释放速率；甲醛低压环境下的产生速率小于常压环境下产生的速率；低压环境条件下五种有害气体的释放速率均大于常压环境条件下一个量级。根据本发明的试验方法，得到了准确的低压条件下有害气体的释放速率，可以看出低压条件下，有害气体情况较常压条件要更加恶劣，因此据此结果在制定有害气体净化指标时要高于一期载人飞船的净化指标要求，以满足航天员进入前舱内气体净化要求，保证航天员在轨工作的健康安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用采集载人航天器有害气体的设备确定有害气体释放量的方法，其特征在于，所述采集载人航天器有害气体的设备包括：

泄复压容器(1)；

泵机组(2)，所述泵机组(2)与所述泄复压容器(1)密封连接，用于将所述泄复压容器(1)内的压强维持在10±5Pa至70KPa±5KPa之间；

采样气瓶(3)，所述采样气瓶(3)与所述泄复压容器(1)密封连接，用于容纳周期地从所述泄复压容器(1)内采集的气体；

所述泄复压容器(1)包括：容器体，设有第一开口、与所述泵机组(2)连接的第二开口和与所述采样气瓶(3)连接的第三接口；

容器盖，所述容器盖与所述第一开口形状配合并可在开启和气密封闭所述第一开口的位置之间移动；

所述泵机组(2)与所述泄复压容器(1)的第二开口之间设有控制阀；

所述采用气瓶(3)通过管路与所述第三开口连接，在所述第三开口处设有控制阀；

所述确定有害气体释放量的方法包括：

S1.通过所述泄复压容器(1)的第一开口，将非金属试验材料置于所述容器体内，通过所述容器盖气密封闭所述泄复压容器(1)；

S2.维持所述泄复压容器(1)内部压强为一个标准大气压，利用采样气瓶(3)周期地采集所述泄复压容器(1)内的气体；

S3.通过所述泵机组(2)降低所述泄复压容器(1)内的压强，利用采样气瓶(3)周期地采集所述泄复压容器(1)内的气体；

S4.利用下列公式分别计算在S2和S3中所采集到的气体样本中有害气体释放量：

其中，m_n是第n次采样时有害气体释放累积量(mg)，P_r是第n次采样时容器内压强(kPa)，P₀是标准大气压强(按101.325kPa计)，V_r是容器容积(m3)，a_n是第n次采样时有害气体浓度(mg/m3)，V_c是采样气量(m3)，a_i是第i次(i＝1,…,n-1)采样时有害气体浓度(mg/m3)。

在所述步骤S2中：

保持所述泄复压容器(1)内部压强为一个标准大气压10天；

在第1、2、3、4、5、7、10天分别通过采样气瓶(3)采集所述泄复压容器(1)内的气体。

在所述步骤S3中：

通过泵机组(2)保持所述泄复压容器(1)内压强10Pa±5Pa10分钟，然后保持所述泄复压容器(1)内压强为70KPa±5KPa的低压环境并保持10天；

在保持泄复压容器(1)内部低压环境10天内，分别在第1、2、3、4、5、7、10天通过采样气瓶(3)采集所述泄复压容器(1)内的气体。。

2.根据权利要求1所述的利用采集载人航天器有害气体的设备确定有害气体释放量的方法，其特征在于，所述泵机组(2)为真空泵。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前：

保持所述泄复压容器(1)内压强为一个标准大气压1天，检测所述泄复压容器(1)常压密封性能；

通过所述泵机组(2)使所述泄复压容器(1)内压强为10Pa±5Pa，然后至70KPa±5KPa保持3天，检测所述泄复压容器(1)低压密封性能。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非金属材料平铺在所述容器体中，所述非金属试验材料为：结构蜂窝板、聚四氟乙烯电缆、聚氨酯泡沫塑料、芳纶硅橡胶管、MS螺纹紧固胶和/或间位芳纶纤维材料。