王 帥 毛 婷

（西安易盛泰和科技有限公司，陜西 西安 710000）

1 概述

隨著人類太空活動的發(fā)展，尤其是載人航天工程的建設實施，在地面進行載人高空環(huán)境模擬試驗成為保證發(fā)射和保障宇航員生命安全的一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。

載人低壓艙是用來模擬高空飛行低氣壓環(huán)境的大型裝備，是航空生理研究、訓練、體格檢查以及機上氧氣裝備性能鑒定試驗的特殊試驗平臺[1]。

2 載人低壓艙快速泄壓裝置功能介紹

根據航空工業(yè)的發(fā)展及航空醫(yī)學研究需要，載人低壓艙需要實現單級迅速減和雙級迅速減壓兩種不同減壓環(huán)境。

2.1 單級迅速減壓

80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）[2]內壓差不超過60KPa 的任意壓力區(qū)間；減壓平衡時間：0.3s～0.5s 內可調。

2.2 雙級迅速減壓

初級減壓75KPa～35KPa（2500m～8150m）減壓時間0.5 ～1.2s，次級迅速減壓40KPa ～10KPa（7150m～16000m），減壓平衡時間：0.3s～0.5s 內可調。

3 總體設計說明

載人低壓艙快速泄壓裝置，主要由座艙、高空艙、第一喉道、第二喉道和抽空機組組成。座艙主要模擬飛機駕駛員的駕駛環(huán)境，高空艙模擬室外低氣壓環(huán)境，第一喉道+第二喉道不同組合模式，可實現單級減壓和迅速減壓兩種工況。采用抽空機組模擬不同海拔高度。

依據CCAR25.841 和FAR25.842 條款規(guī)定飛機座艙高度不超過4500m，如果超過4500m 會導致飛行員及乘客缺氧，進而昏迷，失去行動能力，導致飛行事故[3]。設計座艙高度不超過4500m，座艙尺寸為：1.2m×1.3m×1.8m。

首先在上位機上設置所控壓力的目標值，開啟真空泵組進行座艙和高空艙的相關抽空，待壓力傳感器檢測的值達到目標值時，關閉真空泵組。

3.1 單級迅速減壓模式

待座艙和高空艙分別到達壓力目標值，通過液壓裝置，快速打開第一喉道中的快開蝶閥（0.3s 開啟），此時調節(jié)蝶閥全部開啟，第二喉道閥門全部關閉，可實現單級快速減壓試驗。

3.2 單級迅速減壓時間調節(jié)模式

抽空前調節(jié)蝶閥開啟相應角度（參考表格2），快開蝶閥關閉。壓力達到目標值后，通過液壓裝置快速打開快開蝶閥（參考單級迅速減壓模式）。

3.3 雙級迅速減壓

一級減壓時，快速打開第一喉道閥門。壓力平衡后，快速打開第二喉道閥門，進行二級減壓。

3.4 雙級迅速減壓時間調節(jié)模式

試驗開始前，兩個調節(jié)蝶閥開啟相應角度。壓力達到目標值后，先后開啟第二喉道和第一喉道快開蝶閥，實現雙級減壓時間調節(jié)試驗。（圖1）

圖1 系統結構圖

4 高空艙容積設計

在壓力平衡過程中，兩艙體的壓力、通過閥門的流量隨著時間的變化而變化，流動狀態(tài)為一維絕熱過程。

依據理想氣體的狀態(tài)方式，座艙內的起始氣體質量

5 單級迅速減壓設計

管道長度L≤20d 的管道稱為短管，在計算短管流導時，應考慮入孔的影響。通常用入口孔與管道本身串聯后的總流導表示短管的流導。

表1 不同壓差下管道流導計算

在聯通管道直徑為1200mm 狀態(tài)下，管道流導為224m3/s 滿足單級減壓快速減壓過程。

為實現單級減壓時間在0.3s～0.5s 內可調，在快開閥門（打開時間0.2s）前置真空調節(jié)蝶閥。通過調節(jié)閥控制管道的流通面積，可控制泄壓時間。

表2 不同減壓時間，調節(jié)蝶閥開度統計

6 雙級迅速減壓設計

為75KPa～35KPa 的初級減壓，設計第二喉道進行初級減壓。在降壓過程的某一時刻t，座艙容器壓力P。經過時間dt 后，高空艙壓力降低到dP，則容器中減少的氣體量為VdP，經過時間dt 從閥孔流量的進氣量Qdt 二者相等。

t——平衡時間（包含閥門開啟時間，此閥門開啟時間為0.3s，即減壓時間在0.2s～0.9s 內達到降壓要求）。

表3 平衡時間和管道直徑計算

第二喉道管道直徑?300mm，在快開蝶閥前設置?300 的電動真空調節(jié)蝶閥，調節(jié)蝶閥可在0°～90°之間任意調整，輸出4～20mA 信號，通過電動調節(jié)蝶閥的角度調整，可調整管道通徑，進一步可實現0.5～1.2s 內減壓試驗。

由于座艙開始做70KPa～35KPa 的初級減壓試驗，必然導致負高空艙壓力升高。在進行次級減壓時，快速打開第二喉道（打開時間為0.2s）快開閥門，此時第一喉道處于原始狀態(tài)。

第一喉道和第二喉道屬于并聯連接方式，可計算管道總流導為：

表4 0.3s 平衡閥門開啟角度

表5 0.5s 平衡閥門開啟角度

當調節(jié)閥控制角度在20°～45°，可實現0.3～0.5s時間內壓力40KPa 平衡到10KPa。

7 抽空設計

在粗真空、低真空下，真空設備本身內表面的出氣量與設備總的氣體負荷相比，可以忽略不計。因而在粗真空、低真空情況下計算抽氣時間一般不需要考慮出氣的影響。[7]

表6 不同真空范圍劃分

為實現80KPa～5.5KPa（1900m～20000m）的減壓需求，高空艙初始壓力位15Pa。由上表判斷位中真空范圍，不需要考慮出氣影響，計算抽空時間如下：

高空艙體積為144m3，第一喉道直徑?1200mm，第二喉道直徑?300，管道容積約6m3，管道長度約3m，因此總抽空容積按照150m3計算。綜合考慮真空泵性能，抽空時間，選擇旋片泵（三臺SV300）和羅茨泵（兩臺WAU2001）組合形式，進行抽空設計。（圖2）

圖2 抽空模型設計

表7 抽空時間計算

8 結論

8.1 通過理想氣體狀態(tài)方程和質量守恒原理，可確定高空艙容積。后續(xù)可依GB150《壓力容器設計》進行厚度計算。

8.2 依據不同減壓模式，文中詳細給出管道直徑、減壓時間、調節(jié)蝶閥起開角度等參考值，為后續(xù)試驗提供指導依據。

8.3 文中給出高空艙抽空機組選型，及抽空時間計算，為試驗準備過程提供指導依據。

8.4 此載人低壓艙快速泄壓裝置，可滿足目前我國不同減壓高度的航空裝備及航空醫(yī)學訓練試驗。