载人航天器压力应急状况下舱压变化的仿真研究
作者：梁志伟 尹永利 朱艳芳
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：计算机仿真；航天器压力应急；安全救生；座舱减压
航天医学与医学工程000211摘要： 目的 研究载人航天器压力应急状况下尤其是舱壁穿孔时的舱压变化。 方法 通过对飞船座舱穿孔边界条件和影响因素的分析，建立应急情况下舱压变化对象数学模型，采用计算机程序对舱压氧分压变化进行仿真研究。 结果 通过仿真结果和试验结果的比较证明了仿真结果的可信性。 结论 建立的对象模型是可信的，可以作为工程设计参考依据。
中图分类号：V444.3；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0128-04
A Simulation Study of Cabin Pressure Changes under Accidental Leakage.
, http://www.100md.com
LIANG Zhi-wei,YIN Yong-li,ZHU Yan-fang.
Abstract： Objective To study the changes of cabin pressure during accidental leakage. Method Baseing on the analysis of the actual conditions of accidental leakage, the overall boundary conditions and the influencing factors, a mathematical model was established, and a computer program is developed for the calculation of the changes of cabin pressure. Result By comparing the results of calculation with the test data, the mathematical model is verified, and the results of the calculation are highly credible. Conclusion Using the simulation program, calculation of the changes in the cabin atmosphere pressure is carried out under different conditions, the results are important for the design of the safety rescue system.
, 百拇医药
Key words:computer simulation;pressure of spacecraft;safety rescue;cabin decompression
在载人航天中，航天器飞行的外层空间属高真空环境，航天员必须处于一个密闭的座舱环境，并在环控生保系统支持下控制座舱一定的总压、氧分压等条件。太空中存在许多陨石粒和空间垃圾可能击穿舱壁，虽然至今尚未发生航天器座舱被这些空间杂质击穿的事件，但这一潜在的危险所造成的危害一直是专家关注的问题[1～3]。舱壁穿孔将造成座舱内气体的大量流失，使舱压不能维持于规定的安全限值之上，直接破坏了航天员的基本生存环境，危及到航天员的生命安全。在这样的压力应急状况下，需要采取紧急措施来保障航天员的生命安全。本文针对设定的航天器座舱条件，当舱壁发生击穿，出现穿孔泄压时舱压、氧分压变化的情况进行了计算机仿真研究，并用模拟试验数据进行了比较，图1所示为总体研究思路。
研究对象的分析及仿真程序的建立
, 百拇医药
研究对象和总体模型 图2为设定的航天器座舱，图中表示了8项和舱压变化有关的因素，分别是正常状况下的航天员耗氧，座舱正常泄漏，向舱内的正常供氧、供氮，以及应急状况下的穿孔泄漏、应急供氧、应急补气(氧氮混合气体)，以及当舱压低于54kPa时为防止座舱氧浓度升高而实施的应急泄压。将舱内气体作为研究对象，它是一个开放系统。以氧、氮气体分别为研究对象并按理想气体考虑，则得如下关于氧分压、氮分压的微分方程：
图1 总体研究思路及方案流程图
Fig.1 Flow chart of the project
其中下标o代表氧气，下标n代表氮气；dMoi、dMni分别代表单一因素下进出座舱的气体的质量变化量。对该微分方程进行数值积分计算即可得到每一时刻下的氧、氮分压。本研究的目的在于进行分析计算，不涉及到实时时间问题，在算法的选择上，主要考虑的是精度，这里选用了欧拉法。欧拉法是最简单的数值积分算法，其单步截断误差为：
, 百拇医药
其中：h表示仿真步长，fi表示第i步的变化率，减小步长可以提高精度，本研究在不考虑计算速度的前提下通过选用足够小的步长来达到提高精度的目的。
图2 座舱压力变化影响因素
Fig.2 Influencing factors on cabin pressure
舱壁穿孔分析 空间杂质对航天器撞击的影响取决于其尺寸、质量和速度。直径大于10mm的杂质对航天器的撞击将造成灾难性的破坏，必须设法避免和其相撞，但这样的杂质数量很少；更多的能对航天器造成危害的是直径在1～10mm的杂质，可能造成舱壁薄弱部位的穿孔。舱壁穿孔的形式是难以预料和不规则的，为了便于从量的概念上进行研究，这里把穿孔理想化为尖边缘孔的形式，把穿孔直径设定在10 mm以下。
, http://www.100md.com
对于尖边缘孔来说，当气体流经孔时，由于孔口的急剧收缩在出口截面上气体形成射流，其流速和压力的分布是不均匀的，边界上的流速大于中心处的流速，而边界上的压力则小于中心处的压力，这样当内外压力比达到临界值0.528时，只是射流边界上的流速达到了临界速度，而中心处的气流速度则低于临界速度。根据文献报道，当达到第二临界压力比0.037时，气流才真正完全达到音速，其流量也才达到了最大值。对载人航天器来说，其外界环境压力值一般为10-6～10-8kPa，其座舱外内压力比远远达到了第二临界状态。研究中取k=1.4，应用如下最大质量流量方程进行穿孔时的流量计算：
舱压控制模式 氧氮气体的供应主要是由舱压、氧分压来反馈控制的。根据座舱压力在不同的范围内采用不同的舱压控制供气模式，并在仿真程序中实现。
舱压正常段供气模式 设计了两种供气方式，其一为独立供气方式，通过氧分压和座舱总压分别控制向座舱内的正常供氧和正常供氮(图2)。其二为优先供氧方式，当氧分压下降至控制下限时实施正常供氧，当氧分压上升到控制上限时停止供氧；而当总压下降至控制下限时，先实施正常供氧至氧分压上升至控制上限，然后停止正常供氧并实施正常供氮至总压上升到控制上限。
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压力预警段供气模式 设计了3种供气方式，其一为大流量应急补气方式，向舱内实施大流量补气(供氧、供氮)以维持舱压和氧分压；其二为不供气方式，使舱压自然下降；第三种方式为继续实施正常舱压下的供气方式。
压力应急段供气模式 当舱压低于压力应急安全限时，实施向舱内的大流量应急供氧，另外为防止舱内氧浓度的上升，实施应急泄压。
各供气流量和舱压控制限可以在程序运行前进行设置。
航天员耗氧及座舱泄漏 航天员耗氧量随着航天员所处的状况不同而变化。耗氧量对正常情况下的舱压控制来讲是个重要因素，但其对应急状况下的舱压变化影响不大。研究中作了简化处理，将航天员耗氧量设为不变量，按正常状况和应急状况分别通过程序来设置。舱压的正常泄漏量按不变指标设计，可以通过程序进行设置。
座舱温度影响分析 座舱是一个密闭的系统，舱壁上的绝热层使舱内环境和太空环境隔开，在舱内有航天员以及大量的散热设备不断向舱内气体中散发热量，同时舱内有一整套的温控系统不断带走舱内气体中的热量，维持一个相对稳定的舱内环境温度。当舱壁穿孔失压时，随着舱内气体的大量流失必将带走部分的热量，从而产生影响对舱内气体温度。但经计算分析，对于直径10mm以下的穿孔来说除了在初始时产生微小的座舱温度下降外，在泄压的绝大部分过程中设备产热量大于气体流失损失的热量，仍然属于需要由温控系统带走热量的过程，所以研究中把泄压过程当作等温过程，温度值可以通过程序设定。
, 百拇医药
仿真程序的实现 在windows95环境下，利用visual C++进行了编程工作。对各影响因素进行了模块化处理，并形成了各相应子程序，通过事件触发或人工干预进行调用。程序具有良好的参数化功能，能自由设置实现对不同边界条件、不同初始状态下的压力应急状况的计算模拟；程序具有windows窗口风格，具有友好的人机交互界面，便于对参数修改及对整个仿真过程的控制；具有便于观察仿真结果的图形界面输出、数字结果输出以及数据文件输出等。图3是程序结构总图。
图3 仿真程序结构图
Fig.3 Chart of simulation program
结果分析
仿真计算结果和试验结果的比较 为验证仿真计算结果的可信性，在应急生保试验舱进行了不同孔径泄压时舱压变化的试验研究，图4是在起始状态和其他边界条件基本一致的条件下，直径5 mm漏孔下的试验数据和仿真计算数据的比较。从趋势图上可以看到，仿真线略低于试验数据线，可认为是实际试验中的阻力影响所致。总的看来试验数据和等温条件下的仿真计算结果十分接近，证明了仿真计算结果的可信性。
, 百拇医药
图4 直径5mm漏孔下舱压变化曲线比较
Fig.4 The cabin-pressure change caused by a 5mm leakage
应用计算分析 依据设定的航天器座舱条件，用仿真程序进行了漏孔直径分别为5 mm、9m m状况下舱压、氧分压变化的分析计算。图5、图6、图7所示为一组不同状况下舱压、氧分压的变化趋势(其中①为应急补气模式，②为正常供气模式，③为应急不补气模式)。当舱壁穿孔出现压力应急时，为保障航天员能作好应急返回前的准备，舱压从压力报警限下降到压力安全限所需时间是一个重要设计指标。对于直径为5 mm的漏孔来讲，从图5可以看出不同供气方式对舱压下降的影响是十分明显的，从图7来看，当采取应急供氧后氧分压的变化趋势显著变缓，不同供气模式对氧分压的变化有显著影响；而对于直径为9 mm的漏孔来讲，该座舱系统的不同供气方式对舱压下降的影响已经相当不明显。仿真计算的数值和曲线结果直接反映了不同状况下舱压、氧分压变化和应急时间的关系，并对比反映了各种供气模式下变化的不同。
, 百拇医药
图5 直径5mm漏孔时不同应急供气模式下舱压变化曲线
Fig.5 Change of cabin-pressure caused by a 5mm leakage under various gas-supply
图6 直径9mm漏孔时不同供气方式下舱压变化曲线
Fig.6 Change of cabin-pressure caused by a 9mm leakage under various gas-supply
图7 直径6mm漏孔时不同供气模式下氧分压变化曲线
, 百拇医药
Fig.7 Change of O2 partial pressure caused by a 5mm leakage under various gas-supply
结 论
本研究建立的仿真计算程序提供了用于航天器座舱压力应急状况下舱压、氧分压变化规律研究的有力工具，能进行不同条件下舱壁穿孔后的座舱压力变化的仿真计算，具有较好的通用性。通过仿真计算结果与试验结果的比较，证明了仿真计算结果具有较高的可信度，为压力应急状况下航天员安全救生系统的工程设计和评估提供了技术参考。
[参考文献]
[1] Sharon A Lafuse. Development and application of a generalization transient computer program for atmospheric pressure and composition control analysis[R]. SAE Paper,840960, 1984
, http://www.100md.com
[2] Hall John B, Pickett Shelby J. Manned space station environment control and life support system computer-aided technology assessments program[R]. SAE Paper, No.840957,1984
[3] ZHU Yilin.The latest condition of space articles[J].China Space,1997,Vol.1:22～26
朱毅麟.空间碎片环境的最新状况[J].中国航天，1997，(1)：22～26
收稿日期：1999-08-16, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：计算机仿真；航天器压力应急；安全救生；座舱减压
航天医学与医学工程000211摘要： 目的 研究载人航天器压力应急状况下尤其是舱壁穿孔时的舱压变化。 方法 通过对飞船座舱穿孔边界条件和影响因素的分析，建立应急情况下舱压变化对象数学模型，采用计算机程序对舱压氧分压变化进行仿真研究。 结果 通过仿真结果和试验结果的比较证明了仿真结果的可信性。 结论 建立的对象模型是可信的，可以作为工程设计参考依据。
中图分类号：V444.3；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0128-04
A Simulation Study of Cabin Pressure Changes under Accidental Leakage.
, http://www.100md.com
LIANG Zhi-wei,YIN Yong-li,ZHU Yan-fang.
Abstract： Objective To study the changes of cabin pressure during accidental leakage. Method Baseing on the analysis of the actual conditions of accidental leakage, the overall boundary conditions and the influencing factors, a mathematical model was established, and a computer program is developed for the calculation of the changes of cabin pressure. Result By comparing the results of calculation with the test data, the mathematical model is verified, and the results of the calculation are highly credible. Conclusion Using the simulation program, calculation of the changes in the cabin atmosphere pressure is carried out under different conditions, the results are important for the design of the safety rescue system.
, 百拇医药
Key words:computer simulation;pressure of spacecraft;safety rescue;cabin decompression
在载人航天中，航天器飞行的外层空间属高真空环境，航天员必须处于一个密闭的座舱环境，并在环控生保系统支持下控制座舱一定的总压、氧分压等条件。太空中存在许多陨石粒和空间垃圾可能击穿舱壁，虽然至今尚未发生航天器座舱被这些空间杂质击穿的事件，但这一潜在的危险所造成的危害一直是专家关注的问题[1～3]。舱壁穿孔将造成座舱内气体的大量流失，使舱压不能维持于规定的安全限值之上，直接破坏了航天员的基本生存环境，危及到航天员的生命安全。在这样的压力应急状况下，需要采取紧急措施来保障航天员的生命安全。本文针对设定的航天器座舱条件，当舱壁发生击穿，出现穿孔泄压时舱压、氧分压变化的情况进行了计算机仿真研究，并用模拟试验数据进行了比较，图1所示为总体研究思路。
研究对象的分析及仿真程序的建立
, 百拇医药
研究对象和总体模型 图2为设定的航天器座舱，图中表示了8项和舱压变化有关的因素，分别是正常状况下的航天员耗氧，座舱正常泄漏，向舱内的正常供氧、供氮，以及应急状况下的穿孔泄漏、应急供氧、应急补气(氧氮混合气体)，以及当舱压低于54kPa时为防止座舱氧浓度升高而实施的应急泄压。将舱内气体作为研究对象，它是一个开放系统。以氧、氮气体分别为研究对象并按理想气体考虑，则得如下关于氧分压、氮分压的微分方程：
图1 总体研究思路及方案流程图
Fig.1 Flow chart of the project
其中下标o代表氧气，下标n代表氮气；dMoi、dMni分别代表单一因素下进出座舱的气体的质量变化量。对该微分方程进行数值积分计算即可得到每一时刻下的氧、氮分压。本研究的目的在于进行分析计算，不涉及到实时时间问题，在算法的选择上，主要考虑的是精度，这里选用了欧拉法。欧拉法是最简单的数值积分算法，其单步截断误差为：
, 百拇医药
其中：h表示仿真步长，fi表示第i步的变化率，减小步长可以提高精度，本研究在不考虑计算速度的前提下通过选用足够小的步长来达到提高精度的目的。
图2 座舱压力变化影响因素
Fig.2 Influencing factors on cabin pressure
舱壁穿孔分析 空间杂质对航天器撞击的影响取决于其尺寸、质量和速度。直径大于10mm的杂质对航天器的撞击将造成灾难性的破坏，必须设法避免和其相撞，但这样的杂质数量很少；更多的能对航天器造成危害的是直径在1～10mm的杂质，可能造成舱壁薄弱部位的穿孔。舱壁穿孔的形式是难以预料和不规则的，为了便于从量的概念上进行研究，这里把穿孔理想化为尖边缘孔的形式，把穿孔直径设定在10 mm以下。
, http://www.100md.com
对于尖边缘孔来说，当气体流经孔时，由于孔口的急剧收缩在出口截面上气体形成射流，其流速和压力的分布是不均匀的，边界上的流速大于中心处的流速，而边界上的压力则小于中心处的压力，这样当内外压力比达到临界值0.528时，只是射流边界上的流速达到了临界速度，而中心处的气流速度则低于临界速度。根据文献报道，当达到第二临界压力比0.037时，气流才真正完全达到音速，其流量也才达到了最大值。对载人航天器来说，其外界环境压力值一般为10-6～10-8kPa，其座舱外内压力比远远达到了第二临界状态。研究中取k=1.4，应用如下最大质量流量方程进行穿孔时的流量计算：
舱压控制模式 氧氮气体的供应主要是由舱压、氧分压来反馈控制的。根据座舱压力在不同的范围内采用不同的舱压控制供气模式，并在仿真程序中实现。
舱压正常段供气模式 设计了两种供气方式，其一为独立供气方式，通过氧分压和座舱总压分别控制向座舱内的正常供氧和正常供氮(图2)。其二为优先供氧方式，当氧分压下降至控制下限时实施正常供氧，当氧分压上升到控制上限时停止供氧；而当总压下降至控制下限时，先实施正常供氧至氧分压上升至控制上限，然后停止正常供氧并实施正常供氮至总压上升到控制上限。
, http://www.100md.com
压力预警段供气模式 设计了3种供气方式，其一为大流量应急补气方式，向舱内实施大流量补气(供氧、供氮)以维持舱压和氧分压；其二为不供气方式，使舱压自然下降；第三种方式为继续实施正常舱压下的供气方式。
压力应急段供气模式 当舱压低于压力应急安全限时，实施向舱内的大流量应急供氧，另外为防止舱内氧浓度的上升，实施应急泄压。
各供气流量和舱压控制限可以在程序运行前进行设置。
航天员耗氧及座舱泄漏 航天员耗氧量随着航天员所处的状况不同而变化。耗氧量对正常情况下的舱压控制来讲是个重要因素，但其对应急状况下的舱压变化影响不大。研究中作了简化处理，将航天员耗氧量设为不变量，按正常状况和应急状况分别通过程序来设置。舱压的正常泄漏量按不变指标设计，可以通过程序进行设置。
座舱温度影响分析 座舱是一个密闭的系统，舱壁上的绝热层使舱内环境和太空环境隔开，在舱内有航天员以及大量的散热设备不断向舱内气体中散发热量，同时舱内有一整套的温控系统不断带走舱内气体中的热量，维持一个相对稳定的舱内环境温度。当舱壁穿孔失压时，随着舱内气体的大量流失必将带走部分的热量，从而产生影响对舱内气体温度。但经计算分析，对于直径10mm以下的穿孔来说除了在初始时产生微小的座舱温度下降外，在泄压的绝大部分过程中设备产热量大于气体流失损失的热量，仍然属于需要由温控系统带走热量的过程，所以研究中把泄压过程当作等温过程，温度值可以通过程序设定。
, 百拇医药
仿真程序的实现 在windows95环境下，利用visual C++进行了编程工作。对各影响因素进行了模块化处理，并形成了各相应子程序，通过事件触发或人工干预进行调用。程序具有良好的参数化功能，能自由设置实现对不同边界条件、不同初始状态下的压力应急状况的计算模拟；程序具有windows窗口风格，具有友好的人机交互界面，便于对参数修改及对整个仿真过程的控制；具有便于观察仿真结果的图形界面输出、数字结果输出以及数据文件输出等。图3是程序结构总图。
图3 仿真程序结构图
Fig.3 Chart of simulation program
结果分析
仿真计算结果和试验结果的比较 为验证仿真计算结果的可信性，在应急生保试验舱进行了不同孔径泄压时舱压变化的试验研究，图4是在起始状态和其他边界条件基本一致的条件下，直径5 mm漏孔下的试验数据和仿真计算数据的比较。从趋势图上可以看到，仿真线略低于试验数据线，可认为是实际试验中的阻力影响所致。总的看来试验数据和等温条件下的仿真计算结果十分接近，证明了仿真计算结果的可信性。
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图4 直径5mm漏孔下舱压变化曲线比较
Fig.4 The cabin-pressure change caused by a 5mm leakage
应用计算分析 依据设定的航天器座舱条件，用仿真程序进行了漏孔直径分别为5 mm、9m m状况下舱压、氧分压变化的分析计算。图5、图6、图7所示为一组不同状况下舱压、氧分压的变化趋势(其中①为应急补气模式，②为正常供气模式，③为应急不补气模式)。当舱壁穿孔出现压力应急时，为保障航天员能作好应急返回前的准备，舱压从压力报警限下降到压力安全限所需时间是一个重要设计指标。对于直径为5 mm的漏孔来讲，从图5可以看出不同供气方式对舱压下降的影响是十分明显的，从图7来看，当采取应急供氧后氧分压的变化趋势显著变缓，不同供气模式对氧分压的变化有显著影响；而对于直径为9 mm的漏孔来讲，该座舱系统的不同供气方式对舱压下降的影响已经相当不明显。仿真计算的数值和曲线结果直接反映了不同状况下舱压、氧分压变化和应急时间的关系，并对比反映了各种供气模式下变化的不同。
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图5 直径5mm漏孔时不同应急供气模式下舱压变化曲线
Fig.5 Change of cabin-pressure caused by a 5mm leakage under various gas-supply
图6 直径9mm漏孔时不同供气方式下舱压变化曲线
Fig.6 Change of cabin-pressure caused by a 9mm leakage under various gas-supply
图7 直径6mm漏孔时不同供气模式下氧分压变化曲线
, 百拇医药
Fig.7 Change of O2 partial pressure caused by a 5mm leakage under various gas-supply
结 论
本研究建立的仿真计算程序提供了用于航天器座舱压力应急状况下舱压、氧分压变化规律研究的有力工具，能进行不同条件下舱壁穿孔后的座舱压力变化的仿真计算，具有较好的通用性。通过仿真计算结果与试验结果的比较，证明了仿真计算结果具有较高的可信度，为压力应急状况下航天员安全救生系统的工程设计和评估提供了技术参考。
[参考文献]
[1] Sharon A Lafuse. Development and application of a generalization transient computer program for atmospheric pressure and composition control analysis[R]. SAE Paper,840960, 1984
, http://www.100md.com
[2] Hall John B, Pickett Shelby J. Manned space station environment control and life support system computer-aided technology assessments program[R]. SAE Paper, No.840957,1984
[3] ZHU Yilin.The latest condition of space articles[J].China Space,1997,Vol.1:22～26
朱毅麟.空间碎片环境的最新状况[J].中国航天，1997，(1)：22～26
收稿日期：1999-08-16, 百拇医药