氣體復(fù)用技術(shù)是對載人航天器氣閘艙泄復(fù)壓技術(shù)的繼承和發(fā)展，它的出現(xiàn)改變了過去泄復(fù)壓操作對氣體資源的浪費(fèi)，意義重大。文章綜述了氣體復(fù)用技術(shù)，結(jié)合國際空間站該技術(shù)的應(yīng)用情況，介紹了氣體復(fù)用系統(tǒng)的基本構(gòu)成及設(shè)計(jì)，建立了氣體復(fù)用技術(shù)不同階段的數(shù)學(xué)模型。經(jīng)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，所建立的數(shù)學(xué)模型能正確描述氣體復(fù)用技術(shù)，可應(yīng)用于空間站氣閘艙及月球基地氣閘艙的氣體復(fù)用。為了全面驗(yàn)證氣體復(fù)用技術(shù)，應(yīng)搭建地面試驗(yàn)平臺，文章對氣體復(fù)用技術(shù)的地面試驗(yàn)方法做了簡要闡述，最后指出空間站氣體復(fù)用技術(shù)工程化過程中應(yīng)解決的若干問題。

　　載人航天器氣閘艙是航天員進(jìn)行出艙活動的門戶，而泄復(fù)壓是載人航天器氣閘艙的一大特征。泄復(fù)壓包括出艙前的泄壓及出艙活動結(jié)束后返回時的復(fù)壓兩部分，泄壓通過將氣閘艙氣體排放至艙外太空實(shí)現(xiàn)，復(fù)壓則依賴于攜帶的高壓氣瓶實(shí)現(xiàn)。但這樣的做法有一個明顯缺點(diǎn):每進(jìn)行一次出艙活動，就浪費(fèi)一定量的氣體，若將該部分氣體進(jìn)行回收利用，則可節(jié)約寶貴的氣體資源。氣體復(fù)用技術(shù)就是在這樣的背景下提出的。氣體復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用可減少貨運(yùn)船的上行量，降低發(fā)射成本，對空間站的長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要作用。過去的載人航天器由于出艙活動任務(wù)較少，攜帶的高壓氣瓶足以對艙內(nèi)氣體環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)，如美俄的早期載人航天器阿波羅登月飛船、航天飛機(jī)、天空實(shí)驗(yàn)室，東方號飛船、和平號空間站以及我國的神舟七號飛船氣閘艙等，但對于長期在軌大型空間站，以及未來的月球基地、載人深空探測等任務(wù)，出艙活動量大大增長，回收氣體意義重大。氣體復(fù)用技術(shù)已在國際空間站得到應(yīng)用，節(jié)約了寶貴的資源。

　　本文全面介紹氣體復(fù)用技術(shù)，闡述系統(tǒng)組成及其設(shè)計(jì)，建立了氣體復(fù)用過程各階段的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合在軌實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，并指出氣體復(fù)用技術(shù)的地面試驗(yàn)方法。同時，針對月球基地的應(yīng)用，探討了一種有前景的氣體復(fù)用技術(shù)方案。

1、系統(tǒng)基本組成及設(shè)計(jì)

　　氣體復(fù)用技術(shù)繼承了早期載人航天器泄復(fù)壓技術(shù)的可取部分，并有所突破，因此，有必要先了解早期載人航天器泄復(fù)壓技術(shù)。

　　1.1、早期載人航天器泄復(fù)壓技術(shù)回顧

　　為了配合航天服的加、減壓程序及氣密性檢查，泄壓一般分兩個階段，復(fù)壓則分三個階段。泄壓第一階段從正常艙壓到40kPa左右，提供航天服加壓、大流量沖洗條件及預(yù)吸氧操作，第二階段從40到2kPa，為完全泄壓階段，到達(dá)2kPa后即可開艙門出艙;復(fù)壓分三個階段，0到40、40到80kPa，80kPa到正常艙壓，分別配合艙外服的減壓、斷開艙外服的艙載支持、氣密性檢查等操作。

　　系統(tǒng)主要由真空閥、過濾器、非推進(jìn)排氣口、壓力計(jì)、控制器及其它管路附件組成，見圖1。在不同國家的載人航天器上，泄復(fù)壓系統(tǒng)組件的類型、參數(shù)存在差異，但功能及控制原理相同。如我國載人飛船采用氣動閥門進(jìn)行泄復(fù)壓，航天飛機(jī)則采用電動閥作為執(zhí)行元件等，都是在壓力計(jì)的指示下，通過控制器或手動打開、關(guān)閉真空閥實(shí)現(xiàn)氣路的導(dǎo)通或截止而實(shí)現(xiàn)泄復(fù)壓。在工程實(shí)施中，長壽命、高可靠性要求泄復(fù)壓系統(tǒng)為冗余設(shè)計(jì)，如氣閘艙與太空間至少應(yīng)保證兩層壓力屏障、在軌電控失效后可地面遙控、所有電控失效后航天員可手動操作等。該設(shè)計(jì)原則對后述的氣體復(fù)用系統(tǒng)仍然適用。需說明的是，與電控閥相比，氣動閥簡單可靠，但需攜帶額外的氣源，增加了貨物上行量;電控閥不需要?dú)庠�，但消耗電能，電能可在空間獲得，氣源則必須依靠地面供給。因此，電控閥在大型空間站應(yīng)用較廣泛。在設(shè)計(jì)時需對泄復(fù)壓速率進(jìn)行控制，以滿足一定的航天醫(yī)學(xué)要求，泄復(fù)壓所產(chǎn)生的振動及噪聲不能影響其它設(shè)備及航天員正常工作，復(fù)壓后的空氣溫度也必須控制在一定范圍內(nèi)等。

圖1 早期載人航天器氣閘艙泄復(fù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.2、氣體復(fù)用系統(tǒng)及設(shè)計(jì)

　　2001年，國際空間站氣閘艙在人類載人航天史上首次實(shí)現(xiàn)了氣體的回收利用，能實(shí)現(xiàn)氣閘艙65%~70%的氣體回收，這通過將氣閘艙氣體轉(zhuǎn)移抽送至軌道艙實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)包括以下部分:泄壓泵組件、泄復(fù)壓平衡閥、泄復(fù)壓控制器、壓力表、擴(kuò)散器、過濾器、入口安全帽、非推力排氣口及復(fù)壓用的供N2/O2管閥及控制組件等，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 國際空間站氣閘艙氣體復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　氣體復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于泄壓第一階段，將氣體轉(zhuǎn)移抽送至大型軌道艙代替過去排放至軌道太空的做法。第二階段將剩余氣體排至艙外，這是由于艙內(nèi)氣體量變小，若繼續(xù)回收該部分氣體，則消耗的時間及復(fù)用系統(tǒng)的能耗將按指數(shù)形式增長。因此，實(shí)際操作中只復(fù)用70%左右的氣體，剩余氣體仍排放至艙外太空。

　　系統(tǒng)的核心部件為一臺泄壓泵，泵的最大功率為1380W，極限轉(zhuǎn)速可達(dá)140000r/min。因此，必須對泄壓泵采用主動熱控系統(tǒng)的低溫回路進(jìn)行散熱、對泵的振動及噪聲進(jìn)行控制等，整個泄壓泵組件安裝于設(shè)備氣閘艙的甲板機(jī)柜中。為了便于整體維護(hù)，泄壓泵組件的電、氣、液接口均布局在甲板機(jī)柜面板上，可快速拆裝。泄壓泵的機(jī)械壽命為1250h，支持4680次泄復(fù)壓循環(huán)。

　　泄復(fù)壓平衡閥為可變開度手自一體閥，常規(guī)控制方式為電控，支持手動操作的擴(kuò)展功能，電控及手動操作均有位置指示功能，且閥門開度信號及工作狀態(tài)信號可反饋至控制器。出于冗余考慮，在節(jié)點(diǎn)一號艙、設(shè)備氣閘艙及乘員氣閘艙間的三個艙門內(nèi)外各有一臺泄復(fù)壓平衡閥，電控方式為首選操作方式，電控失效時允許航天員手動操作。該類型的閥門應(yīng)用在國際空間站多個分系統(tǒng)中，如有效載荷真空支持系統(tǒng)，只是規(guī)格不同。

　　氣體復(fù)用是與多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合發(fā)揮作用的:在氣體復(fù)用過程中，航天員必須進(jìn)行吸氧排氮，以防止減壓病的發(fā)生;必須穿艙外航天服，以保證航天員在一個密封的環(huán)境中執(zhí)行出艙活動任務(wù);還必須對艙外服的艙載支持進(jìn)行電、氣、液的連接，以保證航天員執(zhí)行出艙活動任務(wù)時的資源供給。另外，航天服不得受外壓，氣閘艙的氣體復(fù)用操作程序務(wù)必與航天服的加、減壓相配合，保證氣閘艙的壓力在任何時段都不大于航天服壓力等。多項(xiàng)技術(shù)緊密配合，共同保證航天員安全過閘。

　　1.3、氣體復(fù)用工況設(shè)計(jì)

　　國際空間站氣閘艙泄復(fù)壓分兩個工況進(jìn)行:¹常規(guī)泄復(fù)壓。當(dāng)出艙活動任務(wù)為在軌維修、維護(hù)或輔助機(jī)械臂組建空間站時，需航天員進(jìn)行出艙活動，此時僅需對聯(lián)合氣閘艙較小的乘員艙進(jìn)行泄復(fù)壓，為常規(guī)泄復(fù)壓操作;º搬運(yùn)大型在軌可更換單元的泄復(fù)壓。當(dāng)需搬運(yùn)大型在軌可更換單元出入氣閘艙時，由于乘員氣閘艙的容積不能同時容納兩名航天員及大型在軌可更換單元，因此需對整個聯(lián)合氣閘艙(設(shè)備氣閘艙及成員氣閘艙)進(jìn)行泄復(fù)壓。乘員氣閘艙的容積為7m3，泄復(fù)壓時間及電、氣、液的消耗較小，而整個聯(lián)合氣閘艙的容積約為27m3，約4倍乘員氣閘艙容積，在該工況下，資源消耗及泄復(fù)壓時間將大大增加。表1為兩種泄復(fù)壓工況下的對比表。

　　緊急復(fù)壓時，僅對乘員艙進(jìn)行復(fù)壓，復(fù)壓時間從0到35kPa為20s，35至101kPa為80s，共100s，復(fù)壓速率為1.01kPa/s;對聯(lián)合氣閘艙復(fù)壓，復(fù)壓時間分別為60，150，210s，復(fù)壓速率為0.48kPa/s，滿足最大復(fù)壓速率6.89kPa/s的要求。

表1 不同泄復(fù)壓工況對比(復(fù)壓為常規(guī)復(fù)壓)

5、結(jié)束語

　　氣體復(fù)用技術(shù)可節(jié)省載人航天器寶貴的氣體資源，有效減小貨運(yùn)船的上行量，對于長期在軌運(yùn)行的空間站，意義重大，且在未來的長期有人居住月球基地、載人深空探測等領(lǐng)域內(nèi)，有望在更短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的復(fù)用率。今后，該課題需深入研究及探討的內(nèi)容仍有多個方面，總結(jié)如下:

　　(1)高轉(zhuǎn)速氣體復(fù)用泵的研發(fā)

　　提高轉(zhuǎn)速可直接改善抽速，大大減小航天員泄壓時間等待，從而節(jié)約航天員對出艙服資源的過早消耗。但提高轉(zhuǎn)速本身就需消耗更多的電能，而且將帶來一系列的工程技術(shù)問題，如電機(jī)的振動、噪聲、熱耗將增大，動密封、動平衡問題更加突出，加工、裝配工藝的精度要求更為苛刻等。在經(jīng)濟(jì)可行的前提下開展復(fù)用泵的研制工作，綜合各種因素解決氣體復(fù)用問題，是首先擺在研制團(tuán)隊(duì)面前的一個難題。

　　(2)新型緊湊、節(jié)能的柔性響應(yīng)手自一體泄復(fù)壓閥的研制

　　目前載人飛船、衛(wèi)星等航天器所采用的氣路閥門多為手動控制閥或電磁閥，電磁閥由于響應(yīng)迅速、控制簡單曾起到重要作用。但作為真空閥門的應(yīng)用非常有限，尤其對于大口徑真空管路。密封的高可靠性決定電磁閥多為端面密封，該形式密封的流阻較大，改善流阻的一個有效措施是增大閥門開度，這勢必帶來螺線管匝數(shù)成倍增長，閥門的重量及功耗大大增加，且大規(guī)格閥門的開啟、關(guān)閉時的沖擊會對空間站微重力環(huán)境造成破壞，影響微重力實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。因此，采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，研制新型柔性響應(yīng)手自一體電控閥是一個不錯的選擇。步進(jìn)電機(jī)的控制和啟動特性使得其具有廣闊的空間應(yīng)用前景，今天，一個現(xiàn)代通信衛(wèi)星上有多達(dá)20多個步進(jìn)電機(jī)在執(zhí)行各種定位功能，在國際間站，也大量采用這種閥門進(jìn)行控制。該閥門的另外一個優(yōu)點(diǎn)是將自動控制及手動控制方式集為一體，電控失效后可進(jìn)行手動操作。研制新型緊湊、節(jié)能的柔性響應(yīng)手自一體泄復(fù)壓閥是另外一個需突破的課題。

　　(3)復(fù)用率、復(fù)用時間、復(fù)用泵效率三者之間相互耦合最佳值的確定

　　復(fù)用率越高，回收的氣體量越大，對減少貨運(yùn)船的上行量越有利，但另一方面，隨著復(fù)用率的升高，復(fù)用時間會加長，電能的消耗就會增加，散熱量也隨之增大，復(fù)用泵的效率將越來越低。復(fù)用率與單位重量氣體的發(fā)射成本直接相關(guān)，而后者是一個很難準(zhǔn)確估計(jì)的量。再者，復(fù)用泵的效率是一個復(fù)雜的函數(shù)，由多種不同的因素決定。如何對三者解耦、選擇最佳復(fù)用率也是一個值得深究的課題。

　　(4)地面試驗(yàn)結(jié)果與在軌飛行實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差分析

　　在軌實(shí)測泄復(fù)壓時間與地面試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，直接影響到達(dá)開艙門壓力點(diǎn)的時間。有限的地面試驗(yàn)條件無法與航天器在軌條件嚴(yán)格一致，除目前采用定性分析的方法外，應(yīng)深入研究實(shí)際氣閘艙對泄復(fù)壓有影響的各種因素，如熱控膜及涂層的出氣、艙內(nèi)吸濕材料及低溫材料的放氣及設(shè)備的出氣、毗鄰艙的滲透、艙壁對氣體的擴(kuò)散及材料內(nèi)部氣體的脫附等，建立合理的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行定量分析。

　　(5)從原理上探索新型氣體復(fù)用技術(shù)

　　國際空間站采用了轉(zhuǎn)移抽送的機(jī)械式復(fù)用泵，利用壓縮原理進(jìn)行抽氣。機(jī)械真空泵存在振動、噪聲、能耗等問題，并非最理想方案，可尋求更節(jié)能環(huán)保的氣體復(fù)用方式，如采用低溫吸附泵等。該類型的真空泵利用各種吸氣作用將氣體吸附在泵體內(nèi)以達(dá)到降低氣壓的目的，氣體并不排除泵外，被暫時的貯存在泵內(nèi)。復(fù)壓通過改變低溫泵的邊界條件，將氣體重新釋放艙內(nèi)而實(shí)現(xiàn)。該方案可同時解決泄復(fù)壓過程及氣體的貯存，是一種頗具吸引力的氣體復(fù)用技術(shù)。