劉東曉，滿廣龍，曹劍峰，韓海鷹，范宇峰

（北京空間飛行器設(shè)計(jì)總體部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

密封艙溫濕度控制是載人航天器環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容[1]。適宜的溫濕度能夠?yàn)槊芊馀搩?nèi)各種設(shè)備、載荷、部件等提供良好的運(yùn)行環(huán)境，同時(shí)為航天員提供舒適的工作和生活 環(huán)境[2-3]。而當(dāng)艙內(nèi)溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)造成空氣結(jié)露，影響航天員生命安全和電子設(shè)備正常工作；艙內(nèi)溫度過(guò)高，則會(huì)造成航天員嚴(yán)重不適感，影響電子設(shè)備散熱。另一方面，艙內(nèi)濕度過(guò)高會(huì)造成艙內(nèi)金屬部件腐蝕和微生物大量滋生，影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)壽命，危害航天員健康；而艙內(nèi)濕度過(guò)低，則容易導(dǎo)致靜電放電，影響電子設(shè)備安全，引起航天員身體不適。因此，通過(guò)溫濕度控制為密封艙提供一個(gè)良好的溫濕度環(huán)境，對(duì)于保證平臺(tái)設(shè)備正常工作、航天員安全和載人航天任務(wù)的順利開(kāi)展具有重要作用。

目前國(guó)內(nèi)外載人航天器密封艙均采用“主動(dòng)控溫、被動(dòng)除濕”的溫濕度一體化控制方法，使用一個(gè)冷凝換熱器組件同時(shí)保證空氣溫度和濕度指 標(biāo)[4-6]，溫濕度之間存在較強(qiáng)耦合，可能出現(xiàn)空氣濕度控制不合理、局部結(jié)露等現(xiàn)象，影響航天員舒適度和設(shè)備工作可靠度[7-9]。

鑒于目前載人航天器密封艙溫濕度控制方案存在的不足及未來(lái)載人航天器密封艙空氣溫濕度精細(xì)化控制的需求，本文擬開(kāi)展密封艙溫濕度獨(dú)立控制方法研究，旨在通過(guò)空氣溫度和濕度獨(dú)立控制手段設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)密封艙空氣溫濕度解耦控制，從而克服溫濕度一體化控制難以同時(shí)滿足空氣溫度和濕度雙重目標(biāo)控制要求的不足。

1 溫濕度控制系統(tǒng)特性分析

載人航天密封艙通常具有相對(duì)隔離的功能空間分布，主要包括人活動(dòng)區(qū)、儀器設(shè)備區(qū)、角隔等，如圖1所示。其中，人活動(dòng)區(qū)是航天員進(jìn)行空間活動(dòng)的主要區(qū)域，也是濕度產(chǎn)生的主要區(qū)域；儀器設(shè)備區(qū)主要用于安裝平臺(tái)及載荷設(shè)備，是熱量產(chǎn)生的主要區(qū)域；角隔區(qū)主要用于通風(fēng)管路、流體管路、電纜及其他輔助部件的布設(shè)安裝。

圖1 載人航天器密封艙功能區(qū)域示意圖Fig.1 Sectional view of manned spacecraft sealed cabin

載人航天器密封艙相對(duì)隔離的功能空間分布為熱濕交換控制提供了較為便利的條件。然而，目前載人航天器密封艙溫濕度控制通常采用基于冷凝干燥器組件（冷干組件）除濕、控溫的一體化溫濕度控制策略，典型的系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 載人航天器溫濕度控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical scheme of temperature-humidity control system for manned spacecraft sealed cabin

冷干組件和通風(fēng)溫控閥是上述溫濕度控制系統(tǒng)的核心功能部件，冷卻回路使冷干組件具備除濕能力，通過(guò)調(diào)節(jié)通風(fēng)溫控閥可實(shí)現(xiàn)空氣溫濕度的控制，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1）來(lái)自儀器設(shè)備區(qū)的熱空氣與來(lái)自人活動(dòng)區(qū)的空氣進(jìn)行一次混合；

2）一次混合空氣在冷干組件前端分為兩路，一路進(jìn)入冷干組件進(jìn)行降溫除濕，一路進(jìn)入通風(fēng)旁路；

3）來(lái)自冷干組件的低溫干燥空氣與通風(fēng)旁路空氣進(jìn)行二次混合，該混合過(guò)程在通風(fēng)溫控閥的調(diào)節(jié)下完成，從而使溫濕度可控；

4）二次混合后的空氣溫濕度水平為適宜航天員生活及儀器設(shè)備散熱的狀態(tài)，分兩路分別進(jìn)入人活動(dòng)區(qū)和儀器設(shè)備區(qū)。

經(jīng)過(guò)上述步驟的循環(huán)過(guò)程，系統(tǒng)溫濕度通?？梢赃_(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。然而，由于空氣溫濕度控制是通過(guò)一個(gè)通風(fēng)溫控閥實(shí)現(xiàn)的，從而導(dǎo)致空氣溫度和相對(duì)濕度指標(biāo)會(huì)在一個(gè)較寬范圍內(nèi)波動(dòng)（前者指標(biāo)范圍為17～25 ℃，后者指標(biāo)范圍為30%～70%）。如果這兩項(xiàng)指標(biāo)有一個(gè)超出允許范圍，就需要通過(guò)通風(fēng)溫控閥進(jìn)行調(diào)節(jié)；而空氣溫度和濕度存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，調(diào)整一個(gè)量勢(shì)必會(huì)引起另外一個(gè)量的變化。因此，該方法采用的是“范圍調(diào)整”策略，很難實(shí)現(xiàn)溫、濕度雙重目標(biāo)的精確控制，極端情況下還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)指標(biāo)還未調(diào)整到位，另外一個(gè)指標(biāo)已經(jīng)超出允許范圍的現(xiàn)象。

2 溫濕度獨(dú)立控制方法設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

本文提出一種載人航天器密封艙溫濕度解耦控制系統(tǒng)，其基本工作原理為“冷干組件控濕+氣液換熱器控溫”，典型系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3 載人航天器溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)配置Fig.3 Configuration of mssc-THICS

上述溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的通風(fēng)組織形式與傳統(tǒng)的溫濕度控制系統(tǒng)類似，僅增加了一個(gè)氣液換熱器設(shè)備，并且系統(tǒng)中的手動(dòng)風(fēng)閥僅用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)量分配調(diào)節(jié)，不參與實(shí)時(shí)控制。冷干組件和氣液換熱器是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)溫濕度控制功能的核心部件。此外還需要配置兩個(gè)流體回路，即低溫回路和中溫回路，且回路中分別設(shè)置溫控閥；在低溫溫控閥和中溫溫控閥的控制調(diào)節(jié)作用下，可分別實(shí)現(xiàn)冷干組件控濕和氣液換熱器控溫功能。該系統(tǒng)的具體工作過(guò)程如下：

1）一次混合熱空氣分成兩路，分別進(jìn)入冷干組件和通風(fēng)旁路；進(jìn)入冷干組件的空氣在低溫溫控閥的控制調(diào)節(jié)作用下，進(jìn)行可控深度除濕，使空氣 絕對(duì)含濕量達(dá)到目標(biāo)要求；

2）除濕后的冷干空氣與通風(fēng)旁路空氣進(jìn)行二次混合，混合過(guò)程也是對(duì)冷干空氣的預(yù)熱過(guò)程，混合后空氣為濕度合適、溫度在常規(guī)范圍的中間狀態(tài)；

3）二次混合空氣進(jìn)入氣液換熱器進(jìn)行溫度精調(diào)，在中溫溫控閥的控制調(diào)節(jié)作用下，空氣溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，此時(shí)空氣為濕度合適、溫度亦合適的最終狀態(tài)；

4）其他環(huán)節(jié)工作過(guò)程與傳統(tǒng)溫濕度控制系統(tǒng)工作過(guò)程類似。

通過(guò)上述循環(huán)工作過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)密封艙溫度和濕度雙重指標(biāo)的精確控制。該溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)基于冷干組件控濕和氣液換熱器控溫原理，通過(guò)低溫、中溫雙回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在控制手段上保持了溫濕度控制的獨(dú)立性，從硬件層面解決了系統(tǒng)溫濕度控制的強(qiáng)耦合問(wèn)題。

2.2 控制策略

合理的溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)溫濕度解耦控制提供了硬件基礎(chǔ)，然而要實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立控制還需要選擇合適的控制策略。考慮溫濕度控制的相對(duì)獨(dú)立性，采用基于絕對(duì)含濕量控濕的溫濕度雙閉環(huán)控制策略，其控制原理如圖4所示。

圖4 基于絕對(duì)含濕量控濕的溫濕度雙閉環(huán)控制策略Fig.4 Temperature-humidity dual closed-loop control strategy based on absolute humidity control

溫度閉環(huán)控制是以目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度To作為反饋量，以目標(biāo)給定值Tor作為參考量，溫度控制器作為控制算法運(yùn)算單元，根據(jù)溫度偏差eT，生成新的閥位信號(hào)uT，作用于中溫溫控閥，實(shí)現(xiàn)氣液換熱器換熱量調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)溫度控制。

濕度閉環(huán)控制是以目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)時(shí)絕對(duì)含濕量do作為反饋量，以目標(biāo)給定絕對(duì)含濕量dor作為參考量。上述兩個(gè)絕對(duì)含濕量參數(shù)無(wú)法直接設(shè)定，需要根據(jù)相對(duì)含濕量與絕對(duì)含濕量轉(zhuǎn)換關(guān)系運(yùn)算獲取，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

式中：d為絕對(duì)含濕量；H為相對(duì)含濕量；T為溫度；下標(biāo)x為“o”或“or”時(shí)分別表示反饋量和參考量。式(1)可由式(2)和式(3)聯(lián)立獲取，

式中：p為空氣壓力；pqb,x為飽和蒸汽壓力。濕度控制器作為控制算法運(yùn)算單元，根據(jù)絕對(duì)含濕量偏差ed，生成新的閥位信號(hào)ud，作用于低溫溫控閥，控制冷干組件除濕量，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)空氣濕度控制。

在控制算法選擇方面，溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的過(guò)程控制系統(tǒng)，采用目前工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的PID 控制算法。盡管溫度閉環(huán)控制和濕度閉環(huán)控制中的控制對(duì)象不同，但控制器結(jié)構(gòu)相同，僅在控制參數(shù)選取上有所區(qū)分。低溫溫控閥和中溫溫控閥均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此，采用增量式PID 控制算法，即

式中：Δu(k)為控制輸出，在系統(tǒng)中代表uT和ud；kp、ki、kd分別為比例、積分、微分系數(shù)；e(k)、Δe(k)、Δ2e(k)分別代表輸入偏差，以及輸入偏差的一次偏差和二次偏差。

3 地面驗(yàn)證系統(tǒng)配置

為了驗(yàn)證密封艙溫濕度獨(dú)立控制方法的可行 性，搭建了地面驗(yàn)證系統(tǒng)，主要包括通風(fēng)、低溫回路、中溫回路、低溫冷源、中溫冷源、測(cè)控和供電等7個(gè)子系統(tǒng)。其實(shí)物和原理分別如圖5和圖6所示。

通風(fēng)系統(tǒng)用于模擬載人航天器的密封艙環(huán)境，其中密封艙模擬人活動(dòng)區(qū)，儀器設(shè)備箱模擬儀器設(shè)備區(qū)，密封艙內(nèi)設(shè)置航天員產(chǎn)熱、產(chǎn)濕模擬裝置，儀器設(shè)備箱內(nèi)設(shè)置設(shè)備產(chǎn)熱模擬裝置，通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)冷干組件和氣液換熱器分別與低溫回路和中溫回路耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)空氣的溫濕度控制；低溫回路和中溫回路中的低溫溫控閥和中溫溫控閥在系統(tǒng)控制器的控制驅(qū)動(dòng)作用下，實(shí)現(xiàn)冷干組件控濕和氣液換熱器控溫功能；低溫冷源和中溫冷源等效于宇宙空間環(huán)境中的輻射器，通過(guò)低溫中間換熱器和中溫中間換熱器分別實(shí)現(xiàn)低溫回路和中溫回路的熱量交換和排散；測(cè)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)是兩個(gè)輔助子系統(tǒng)，分別用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和供電分配。

圖5 溫濕度獨(dú)立控制地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Photograph of ground experimental system for THICS

圖6 溫濕度獨(dú)立控制地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of ground experimental system for THICS

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 變控溫水平

為了驗(yàn)證溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的溫度控制能力，進(jìn)行了變溫度控制水平工況測(cè)試。在低溫溫控閥和中溫溫控閥的控制作用下，系統(tǒng)初始狀態(tài)為控溫22 ℃、控濕60%RH 的平衡狀態(tài)；約8 min 后，設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)控溫參考值為23 ℃，控濕參考值不變，系統(tǒng)響應(yīng)如圖7所示。

圖7(a)為溫度參考值階躍變化時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度響應(yīng)情況，從圖中可以看出，盡管調(diào)節(jié)過(guò)程中目標(biāo)點(diǎn)溫度存在短時(shí)超調(diào)，但很快收斂至參考溫度附近，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程持續(xù)約5 min，且穩(wěn)態(tài)誤差在±0.5 ℃以內(nèi)。此良好溫度控制效果的取得依賴于中溫溫控閥的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)過(guò)程如圖7(c)所示。由于溫度參考值提高，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度控制，中溫溫控閥整體呈開(kāi)度減小趨勢(shì)，以減少系統(tǒng)換熱量，使目標(biāo)溫度升高；受溫度參考值階躍變化影響，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溫控閥開(kāi)度的大范圍關(guān)?。浑S著目標(biāo)溫度向參考值靠近，中溫溫控閥調(diào)節(jié)過(guò)程趨于平緩，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。圖7(b)為溫度參考值階躍變化時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)濕度響應(yīng)情況，從圖中可以看出，由于濕度參考值保持不變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相對(duì)濕度呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，僅在溫度參考值發(fā)生階躍變化時(shí)有短時(shí)波動(dòng)，該波動(dòng)主要是因?yàn)榻^對(duì)含濕量是濕度控制環(huán)的直接控制量，受溫度影響，絕對(duì)含濕量控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)相對(duì)濕度變化，待溫度穩(wěn)定后，絕對(duì)含濕量控制也進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度也呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。該調(diào)節(jié)過(guò)程由低溫溫控閥調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，如圖7(c)所示。溫度參考值提高后，隨著目標(biāo)點(diǎn)溫度升高，相對(duì)濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度穩(wěn)定，需減小冷干組件除濕量，因此低溫溫控閥存在短時(shí)突然關(guān)小過(guò)程。

該實(shí)驗(yàn)工況通過(guò)中溫溫控閥和低溫溫控閥的獨(dú)立控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫度-濕度雙目標(biāo)的良好控制，且控溫偏差優(yōu)于±0.5 ℃，控濕偏差優(yōu)于±2%RH。

圖7 變控溫水平響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves of variable temperature level

4.2 變控濕水平

為了驗(yàn)證溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)的濕度控制能力，進(jìn)行了變濕度控制水平工況測(cè)試。在低溫溫控閥和中溫溫控閥的控制作用下，系統(tǒng)初始狀態(tài)為控濕60%RH、控溫23 ℃的平衡狀態(tài)，約8 min 后，設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)控濕參考值為55%RH，控溫參考值不變，系統(tǒng)響應(yīng)如圖8所示。

圖8(a)為相對(duì)濕度參考值階躍變化時(shí)目標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)相對(duì)濕度的響應(yīng)情況，從圖中可以看出，盡管調(diào)節(jié)過(guò)程中目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)濕度存在短時(shí)超調(diào)，但很快收斂至參考值附近，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程持續(xù)約8 min，且穩(wěn)態(tài)誤差在±2%RH 以內(nèi)。此良好濕度控制效果的取得依賴于低溫溫控閥的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)過(guò)程如圖8(c)所示，由于濕度參考值降低，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)濕度控制，低溫溫控閥整體呈現(xiàn)開(kāi)度增大趨勢(shì)，以增大系統(tǒng)除濕量，使目標(biāo)濕度降低；受濕度參考值階躍變化影響，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溫控閥開(kāi)度的大范圍開(kāi)大；隨著目標(biāo)濕度向參考值靠近，低溫溫控閥調(diào)節(jié)過(guò)程趨于平緩，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。圖8(b)為相對(duì)濕度參考值階躍變化時(shí)的目標(biāo)點(diǎn)溫度響應(yīng)情況，可以看出：由于溫度參考值保持不變，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度呈現(xiàn)基本平穩(wěn)狀態(tài)：期間，低溫溫控閥動(dòng)作對(duì)溫度控制存在一定擾動(dòng)，但在中溫溫控閥的調(diào)節(jié)作用下，溫度僅呈現(xiàn)出短時(shí)微小波動(dòng)。中溫溫控閥調(diào)節(jié)過(guò)程如圖8(c)所示，可以看出：濕度參考值降低后，隨著目標(biāo)點(diǎn)濕度的下降，冷干組件換熱量增大；為實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定，需中溫溫控閥開(kāi)度調(diào)小以減小氣液換熱器換熱量；雖然中溫溫控閥調(diào)整過(guò)程中存在開(kāi)度波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)開(kāi)度關(guān)小趨勢(shì)。

該實(shí)驗(yàn)工況通過(guò)低溫溫控閥和中溫溫控閥的獨(dú)立控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫度-濕度雙目標(biāo)的穩(wěn)定控制，且控溫偏差優(yōu)于±0.5 ℃、控濕偏差優(yōu)于±2%RH。

圖8 變控濕水平響應(yīng)曲線Fig.8 Response curves of variable humidity level

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)未來(lái)載人航天器密封艙溫濕度控制的精細(xì)控制需求，提出一種基于絕對(duì)含濕量控濕的溫濕度獨(dú)立控制方法，選用低溫回路和中溫回路的雙控溫回路設(shè)計(jì)和溫濕度雙閉環(huán)控制策略，從硬件、軟件兩個(gè)層面保證了溫濕度控制的獨(dú)立性。為驗(yàn)證該控制方法，設(shè)計(jì)了地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，除采用冷源車進(jìn)行最終熱量排散與空間環(huán)境下載人航天器的輻射器散熱方式不同外，其他設(shè)計(jì)均采用 等效原理。利用地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)開(kāi)展了變控溫水平、變控濕水平等工況下的溫濕度控制性能測(cè)試，結(jié)果表明：采用本文所提出的溫濕度獨(dú)立控制方法，可以實(shí)現(xiàn)密封艙內(nèi)溫濕度的獨(dú)立控制，且具有較高的控制精度，溫濕度控制精度分別優(yōu)于±0.5 ℃、±2%RH，解耦控制效果良好。

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