氣體復(fù)用技術(shù)是對(duì)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(duì)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(guó)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(tái)，文章對(duì)氣體復(fù)用技術(shù)的地面試驗(yàn)方法做了簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)結(jié)束后返回時(shí)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(gè)明顯缺點(diǎn):每進(jìn)行一次出艙活動(dòng)，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(duì)空間站的長(zhǎng)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(dòng)任務(wù)較少，攜帶的高壓氣瓶足以對(duì)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(hào)飛船、和平號(hào)空間站以及我國(guó)的神舟七號(hào)飛船氣閘艙等，但對(duì)于長(zhǎng)期在軌大型空間站，以及未來的月球基地、載人深空探測(cè)等任務(wù)，出艙活動(dòng)量大大增長(zhǎng)，回收氣體意義重大。氣體復(fù)用技術(shù)已在國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)，針對(duì)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(gè)階段，復(fù)壓則分三個(gè)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(gè)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(guó)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(guó)載人飛船采用氣動(dòng)閥門進(jìn)行泄復(fù)壓，航天飛機(jī)則采用電動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)操作等。該設(shè)計(jì)原則對(duì)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(dòng)閥簡(jiǎn)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)庠矗�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(shí)需對(duì)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(dòng)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(guó)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(guó)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(shí)間及復(fù)用系統(tǒng)的能耗將按指數(shù)形式增長(zhǎng)。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(tái)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(duì)泄壓泵采用主動(dòng)熱控系統(tǒng)的低溫回路進(jìn)行散熱、對(duì)泵的振動(dòng)及噪聲進(jìn)行控制等，整個(gè)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(dòng)操作的擴(kuò)展功能，電控及手動(dòng)操作均有位置指示功能，且閥門開度信號(hào)及工作狀態(tài)信號(hào)可反饋至控制器。出于冗余考慮，在節(jié)點(diǎn)一號(hào)艙、設(shè)備氣閘艙及乘員氣閘艙間的三個(gè)艙門內(nèi)外各有一臺(tái)泄復(fù)壓平衡閥，電控方式為首選操作方式，電控失效時(shí)允許航天員手動(dòng)操作。該類型的閥門應(yīng)用在國(guó)際空間站多個(gè)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(gè)密封的環(huán)境中執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù);還必須對(duì)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(dòng)任務(wù)時(shí)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(shí)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(guó)際空間站氣閘艙泄復(fù)壓分兩個(gè)工況進(jìn)行:¹常規(guī)泄復(fù)壓。當(dāng)出艙活動(dòng)任務(wù)為在軌維修、維護(hù)或輔助機(jī)械臂組建空間站時(shí)，需航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)，此時(shí)僅需對(duì)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(shí)，由于乘員氣閘艙的容積不能同時(shí)容納兩名航天員及大型在軌可更換單元，因此需對(duì)整個(gè)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(shí)間及電、氣、液的消耗較小，而整個(gè)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(shí)間將大大增加。表1為兩種泄復(fù)壓工況下的對(duì)比表。

　　緊急復(fù)壓時(shí)，僅對(duì)乘員艙進(jìn)行復(fù)壓，復(fù)壓時(shí)間從0到35kPa為20s，35至101kPa為80s，共100s，復(fù)壓速率為1.01kPa/s;對(duì)聯(lián)合氣閘艙復(fù)壓，復(fù)壓時(shí)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(duì)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(duì)于長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的空間站，意義重大，且在未來的長(zhǎng)期有人居住月球基地、載人深空探測(cè)等領(lǐng)域內(nèi)，有望在更短的時(shí)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(gè)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(shí)間等待，從而節(jié)約航天員對(duì)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(dòng)、噪聲、熱耗將增大，動(dòng)密封、動(dòng)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(gè)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(dòng)控制閥或電磁閥，電磁閥由于響應(yīng)迅速、控制簡(jiǎn)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(duì)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(gè)有效措施是增大閥門開度，這勢(shì)必帶來螺線管匝數(shù)成倍增長(zhǎng)，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(shí)的沖擊會(huì)對(duì)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(gè)不錯(cuò)的選擇。步進(jìn)電機(jī)的控制和啟動(dòng)特性使得其具有廣闊的空間應(yīng)用前景，今天，一個(gè)現(xiàn)代通信衛(wèi)星上有多達(dá)20多個(gè)步進(jìn)電機(jī)在執(zhí)行各種定位功能，在國(guó)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是將自動(dòng)控制及手動(dòng)控制方式集為一體，電控失效后可進(jìn)行手動(dòng)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(gè)需突破的課題。

　　(3)復(fù)用率、復(fù)用時(shí)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(duì)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(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，電能的消耗就會(huì)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(gè)很難準(zhǔn)確估計(jì)的量。再者，復(fù)用泵的效率是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，由多種不同的因素決定。如何對(duì)三者解耦、選擇最佳復(fù)用率也是一個(gè)值得深究的課題。

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

　　在軌實(shí)測(cè)泄復(fù)壓時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(guó)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(dòng)、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(shí)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(shí)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)。