專利名稱：用于載人航天器地面綜合試驗的人員代謝模擬系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于載人航天器地面試驗領域，具體涉及一種用于載人航天器地面熱控系統和環控系統綜合試驗的人員代謝模擬系統。
背景技術：
航天器對接機構一般作為航天器移動、停放或者熱試驗用地面支撐機械設備的重要組成部分，用于和航天器的直接對接與固定。大型載人航天器地面試驗需要考核熱控系統和環控系統長期維持載人環境的能力，特別是兩個系統長期協調工作的性能。熱控系統和環控系統都受到人員代謝作用的影響。代謝活動對熱控系統的影響主要在于代謝產生的熱量和水蒸汽會影響空氣溫度和濕度；代謝活動對環控系統的影響在于代謝過程會改變空氣成分，消耗掉氧氣，產生二氧化碳和水蒸汽。
現有的載人航天器試驗分別考核熱控系統和環控系統的性能。熱控系統試驗中采用了人體產熱模擬器和人體產濕模擬器，分別模擬人員代謝產生的熱量和水蒸汽量。人體產熱模擬器由貼有加熱片的鋁板制成，利用程控電源控制加熱功率，模擬不同狀態下通風環境中的人體產熱。人體產濕模擬器利用加熱內置水箱產生水蒸汽，按照設定的產濕速率對空氣進行加濕，可以模擬6名人員的產濕。現有的人體產熱模擬器和人體產濕模擬器都包含有控制器，能夠實現供電、控制和檢測功能，并具有和計算機通訊及發送數據的功能。現有的環控系統試驗不采用模擬系統，而是進行長時間的有人參與試驗，利用真實的代謝過程改變空氣組分。
現有的試驗系統和方法存在如下問題:載人航天器的環控系統與熱控系統之間存在著緊密的相互聯系。環控系統的某些設備工作時會釋放熱量或者需要加熱再生，這些熱量會改變循環空氣溫度；熱控系統的控制溫度會影響除濕能力，同時風速會影響熱控系統的換熱效率和環控系統的氣體凈化效果。目前分別考核兩個系統的試驗方式無法充分驗證系統間長期協調工作的性能。人體產熱模擬裝置和人體產濕模擬裝置只能模擬人體的熱濕效應，無法模擬代謝活動對氣體組分的改變。采用人員參與長期試驗的方式在生理和心理方面存在很大的不安全因素，試驗準備周期長，代價高。此外，如采用多個設備分別模擬產熱、產濕、氧氣消耗、二氧化碳增加等效應，不僅需要占據艙內大量空間，設備本身會影響流場分布。因此，為了實現熱控系統和環控系統長期綜合試驗，必須設計新的人員代謝模擬設備，同時模擬各種代謝效應，降低艙內空間需求，提高試驗的靈活性和安全性。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種結構緊湊、功能全面、精確控制的人員代謝模擬系統，不僅能夠同時模擬多種人體代謝效應，而且能夠有效提高載人航天器長期測試的安全性和靈活性。本發明能夠填補國內對載人航天器熱控系統、環控系統進行綜合試驗所需代謝模擬系統的空白，為大型載人航天器進行地面綜合試驗提供了技術保障。
本發明目的是通過如下技術方案實現的:用于載人航天器地面綜合試驗的人員代謝模擬系統，主要包括氧氣濃度模擬單元、二氧化碳模擬單元、氮氣模擬單元和濕度模擬單元，用于載人航天器地面綜合試驗的密封艙與氧氣濃度模擬單元的輸入端之間設置有輸入管路，輸入管路上依次串聯設置有溫度傳感器一、流量計、變頻風機與防止空氣回流至密封艙的止回閥，氧氣濃度模擬單元的輸出端依次通過壓力傳感器一、電加熱器與溫度傳感器二與所述密封艙的輸出管路連接，氧氣濃度模擬單元與壓力傳感器一之間分別設置有氮氣模擬單元和二氧化碳模擬單元，它們分別由相應氣體氣瓶和流量控制器三、流量控制器四構成以為管路提供氮氣和二氧化碳，壓力傳感器一與電加熱器之間設置有濕度模擬單元以為管路提供水蒸汽，其中，氧氣濃度模擬單元由并聯的主路管路和旁路管路構成，旁路管路上設置有閥門二，主路管路依次連接有流量控制器一、壓縮機和分子篩，壓縮機兩端還單獨并聯有閥門一，分子篩的另一管路還連接有氧濃度傳感器并通過流量控制器二排空；濕度模擬單元包括依次管路連接的儲水槽、水泵、蒸發器、壓力傳感器二和流量控制器五，上位機與PLC構成的控制系統根據輸入模擬人員數量及各人員代謝模式，結合基于代謝的經驗公式計算出產熱量、產濕量、氧氣消耗量、二氧化碳增量的控制目標，下發至下位控制器PLC，PLC采集系統中溫度、壓力、流量的各個數據，根據預定控制邏輯，對風機、閥門、壓縮機、分子篩、流量控制器、泵、加熱器進行控制，以達到控制目標。
其中，氧氣濃度模擬單元的旁路管路中的氣體不經過處理回到管路的空氣循環中，主路管路通過流量控制器一控制需要經過分子篩的氣體流量，氣體進入分子篩前需由壓縮機對空氣加壓，分子篩為轉輪式，能夠同時吸附和解吸，分子篩吸附氮氣和二氧化碳，而氧氣和少量氮氣會穿過分子篩，吸附的氣體通過解吸回到管路的空氣循環中，穿過的部分氣體被排空，根據氧濃度傳感器的數據反饋給控制系統，通過流量控制器二控制排空的氧氣流量，完成氧氣消耗量控制，同時確定與氧氣一起放空的少量氮氣量，并將數據反饋給控制系統。
其中，壓縮機并聯設直的啟動芳路在閥門一開啟時啟動壓縮機，啟動完成后閥門一關閉。
其中，氧氣濃度模擬單元的輸出端與壓力傳感器二之間還可設置有另外的壓力傳感器和溫度傳感器。
其中，模擬不同數量的人員時，通過氣體流量計的反饋調節風機轉速，進而調整進入系統的空氣流量。
其中，溫度傳感器一與溫度傳感器二的位置盡可能的靠近密封艙與管路的接口。
其中，流量控制器三控制氮氣瓶進入空氣循環的氮氣流量，用于彌補除氧過程中排空的氮氣量；流量控制器四控制二氧化氮氣瓶進入空氣循環的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。
其中，水泵用于將儲水槽中的水送入蒸發器并保持蒸發器液位為設定值。
其中，上述控制系統根據蒸發器出口的壓力傳感器二的反饋，調節蒸發器的加熱功率，使蒸發器出口壓力大于空氣循環中的管路壓力(即壓力傳感器一顯示的壓力)。
其中，通過流量控制器五控制進入管路中空氣循環的水蒸氣流量，完成產濕量控制。
本發明解決了大型載人航天器熱控系統、環控系統綜合試驗的關鍵技術難點，實現不需要人員參與試驗，同時考核熱控系統和環控系統的能力。利用本系統構建的試驗系統比有人試驗更安全，靈活性更高，連續運行時間更長，對產品考核更充分，不占用艙內體積。
圖1為本發明的人員代謝模擬系統的結構示意圖。
具體實施例方式
以下介紹的是作為本發明所述內容的具體實施方式
，下面通過具體實施方式
對本發明的所述內容作進一步的闡明。當然，描述下列具體實施方式
只為示例本發明的不同方面的內容，而不應理解為限制本發明范圍。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明:圖1是人員代謝模擬系統的組成示意圖。其中，用于載人航天器地面綜合試驗的人員代謝模擬系統，主要包括氧氣濃度模擬單元、二氧化碳模擬單元、氮氣模擬單元和濕度模擬單元，用于載人航天器地面綜合試驗的密封艙與氧氣濃度模擬單元的輸入端之間設置有輸入管路，輸入管路上依次串聯設置有溫度傳感器一、流量計、變頻風機與防止空氣回流至密封艙的止回閥，氧氣濃度模擬單元的輸出端依次通過壓力傳感器一、電加熱器與溫度傳感器二與所述密封艙的輸出管路連接，氧氣濃度模擬單元與壓力傳感器一之間分別設置有氮氣模擬單元和二氧化碳模擬單元，它們分別由相應氣體氣瓶和流量控制器三、流量控制器四構成以為管路提供氮氣和二氧化碳，壓力傳感器一與電加熱器之間設置有濕度模擬單元以為管路提供水蒸汽，其中，氧氣濃度模擬單元由并聯的主路管路和旁路管路構成，旁路管路上設置有閥門二，主路管路依次連接有流量控制器一、壓縮機和分子篩，壓縮機兩端還單獨并聯有閥門一，以便在閥門一開啟時啟動壓縮機，啟動完成后閥門一關閉。分子篩的另一管路還連接有氧濃度傳感器并通過流量控制器二排空，氧氣濃度模擬單元的旁路管路中的氣體不經過處理回到管路的空氣循環中，主路管路通過流量控制器一控制需要經過分子篩的氣體流量，氣體進入分子篩前需由壓縮機對空氣加壓，分子篩為轉輪式，能夠同時吸附和解吸，分子篩吸附氮氣和二氧化碳，而氧氣和少量氮氣會穿過分子篩，吸附的氣體通過解吸回到管路的空氣循環中，穿過的部分氣體被排空，根據氧濃度傳感器的數據反饋給控制系統，通過流量控制器二控制排空的氧氣流量，完成氧氣消耗量控制，同時確定與氧氣一起放空的少量氮氣量，并將數據反饋給控制系統；濕度模擬單元包括依次管路連接的儲水槽、水泵、蒸發器、壓力傳感器二和流量控制器五，上位機與PLC構成的控制系統根據輸入模擬人員數量及各人員代謝模式，結合基于代謝的經驗公式計算出產熱量、產濕量、氧氣消耗量、二氧化碳增量的控制目標，下發至下位控制器PLC，PLC采集系統中溫度、壓力、流量的各個數據，根據預定控制邏輯，對風機、閥門、壓縮機、分子篩、流量控制器、泵、加熱器進行控制，以達到控制目標。模擬不同數量的人員時，通過氣體流量計的反饋調節風機轉速，進而調整進入系統的空氣流量。
在一實施方式中，氧氣濃度模擬單兀的輸出端與壓力傳感器二之間還可設置有另外的壓力傳感器和溫度傳感器。
在一實施方式中，溫度傳感器一與溫度傳感器二的位置盡可能的靠近密封艙與管路的接口。流量控制器三控制氮氣瓶進入空氣循環的氮氣流量，用于彌補除氧過程中排空的氮氣量；流量控制器四控制二氧化氮氣瓶進入空氣循環的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。通過流量控制器五控制進入管路中空氣循環的水蒸氣流量，完成產濕量控制。水泵用于將儲水槽中的水送入蒸發器并保持蒸發器液位為設定值。上述控制系統根據蒸發器出口的壓力傳感器二的反饋，調節蒸發器的加熱功率，使蒸發器出口壓力大于空氣循環中的管路壓力(即壓力傳感器一顯示的壓力)。
具體來說，人員代謝模擬系統最大能力可以模擬6名乘員進行劇烈體力勞動的代謝效應，包括產熱量、產濕量、氧氣消耗量、二氧化碳增量。系統通過管路與密封艙連接。從中抽取氣體，改變氣體組分并加熱，最后送回密封艙，以考核熱控系統和環控系統的性能。上位機根據輸入模擬人員數量及各人員代謝模式，結合基于代謝的經驗公式(參見《人體熱調節系統的數學模擬》，作者:袁修干，北京:北京航空航天大學出版社，2005.)計算出產熱量、產濕量、氧氣消耗量、二氧化碳增量的控制目標，下發至下位控制器(PLC)，PLC采集系統中溫度、壓力、流量數據，根據預定控制邏輯，對風機、閥門、壓縮機、分子篩、流量控制器、泵、加熱器進行控制，以達到控制目標。
系統入口管路連接密封艙，從中抽取氣體，模擬不同數量的人員時，通過氣體流量計的反饋調節風機轉速，進而調整進入系統的空氣流量。止回閥用于防止進入人員代謝模擬系統的空氣回流至密封艙。止回閥后氣路分為兩路，旁路中的氣體不經過處理回到空氣循環中，另一路的通過流量控制器I控制需要經過分子篩的氣體流量。氣體進入分子篩前需由壓縮機對空氣加壓，壓縮機設置啟動旁路(啟動前旁路閥門I開啟，啟動完成后閥門I關閉)。分子篩為轉輪式設計，能夠同時吸附和解吸，分子篩吸附氮氣和二氧化碳，而氧氣和少量氮氣會穿過分子篩，吸附的氣體通過解吸回到空氣循環中，穿過的部分氣體被排空，根據氧濃度傳感器的數據反饋，通過流量控制器2控制排空的氧氣流量，完成氧氣消耗量控制，同時確定與氧氣一起放空的少量氮氣量。流量控制器3控制氮氣瓶進入空氣循環的氮氣流量，用于彌補除氧過程中排空的氮氣量。流量控制器4控制二氧化氮氣瓶進入空氣循環的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。水泵用于將儲水槽中的水送入蒸發器并保持蒸發器液位為設定值。根據蒸發器出口的壓力傳感器2的反饋，調節蒸發器的加熱功率，使蒸發器出口壓力大于空氣循環中的管路壓力(壓力傳感器I)。通過流量控制器5控制進入空氣循環的水蒸氣流量，完成產濕量控制。系統出口管路連接密封艙，將處理后的空氣送回密封艙，使氣體在人員代謝模擬系統和載人航天器密封艙之間循環。
盡管上文對本發明的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，本領域的技術人員可以依據本發明的精神對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生的功能作用在未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明保護范圍之內。
權利要求
1.用于載人航天器地面綜合試驗的人員代謝模擬系統，主要包括氧氣濃度模擬單元、二氧化碳模擬單元、氮氣模擬單元和濕度模擬單元，用于載人航天器地面綜合試驗的密封艙與氧氣濃度模擬單元的輸入端之間設置有輸入管路，輸入管路上依次串聯設置有溫度傳感器一、流量計、變頻風機與防止空氣回流至密封艙的止回閥，氧氣濃度模擬單元的輸出端依次通過壓力傳感器一、電加熱器與溫度傳感器二與所述密封艙的輸出管路連接，氧氣濃度模擬單元與壓力傳感器一之間分別設置有氮氣模擬單元和二氧化碳模擬單元，它們分別由相應氣體氣瓶和流量控制器三、流量控制器四構成以為管路提供氮氣和二氧化碳，壓力傳感器一與電加熱器之間設置有濕度模擬單元以為管路提供水蒸汽，其中，氧氣濃度模擬單元由并聯的主路管路和旁路管路構成，旁路管路上設置有閥門二，主路管路依次連接有流量控制器一、壓縮機和分子篩，壓縮機兩端還單獨并聯有閥門一，分子篩的另一管路還連接有氧濃度傳感器并通過流量控制器二排空；濕度模擬單元包括依次管路連接的儲水槽、水泵、蒸發器、壓力傳感器二和流量控制器五，上位機與PLC構成的控制系統根據輸入模擬人員數量及各人員代謝模式，結合基于代謝的經驗公式計算出產熱量、產濕量、氧氣消耗量、二氧化碳增量的控制目標，下發至下位控制器PLC，PLC采集系統中溫度、壓力、流量的各個數據，根據預定控制邏輯，對風機、閥門、壓縮機、分子篩、流量控制器、泵、加熱器進行控制，以達到控制目標。
2.如權利要求1所述的系統，其中，氧氣濃度模擬單元的旁路管路中的氣體不經過處理回到管路的空氣循環中，主路管路通過流量控制器一控制需要經過分子篩的氣體流量，氣體進入分子篩前需由壓縮機對空氣加壓，分子篩為轉輪式，能夠同時吸附和解吸，分子篩吸附氮氣和二氧化碳，而氧氣和少量氮氣會穿過分子篩，吸附的氣體通過解吸回到管路的空氣循環中，穿過的部分氣體被排空，根據氧濃度傳感器的數據反饋給控制系統，通過流量控制器二控制排空的氧氣流量，完成氧氣消耗量控制，同時確定與氧氣一起放空的少量氮氣量，并將數據反饋給控制系統。
3.如權利要求2所述的系統，其中，壓縮機并聯設置的啟動旁路在閥門一開啟時啟動壓縮機，啟動完成后閥丨 一關閉。
4.如權利要求2所述的系統，其中，氧氣濃度模擬單元的輸出端與壓力傳感器二之間還可設置有另外的壓力傳感器和溫度傳感器。
5.如權利要求1-4任一項所述的系統，其中，模擬不同數量的人員時，通過氣體流量計的反饋調節風機轉速，進而調整進入系統的空氣流量。
6.如權利要求1-4任一項所述的系統，其中，溫度傳感器一與溫度傳感器二的位置盡可能的靠近密封艙與管路的接口。
7.如權利要求1-4任一項所述的系統，其中，流量控制器三控制氮氣瓶進入空氣循環的氮氣流量，用于彌補除氧過程中排空的氮氣量；流量控制器四控制二氧化氮氣瓶進入空氣循環的二氧化氮流量，完成二氧化碳增量控制。
8.如權利要求1-4任一項所述的系統，其中，水泵用于將儲水槽中的水送入蒸發器并保持蒸發器液位為設定值。
9.如權利要求1-4任一項所述的系統，其中，上述控制系統根據蒸發器出口的壓力傳感器二的反饋，調節蒸發器的加熱功率，使蒸發器出口壓力大于空氣循環中的管路壓力。
10.如權利要求1-4任一項所述的系統，其中，通過流量控制器五控制進入管路中空氣循環的水蒸氣流量，完成產濕量控制。`
全文摘要
本發明公開了用于載人航天器地面綜合試驗的人員代謝模擬系統,主要包括氧氣濃度模擬單元、二氧化碳模擬單元、氮氣模擬單元和濕度模擬單元，該系統通過管路與密封艙連接，空氣在人員代謝模擬系統和載人航天器密封艙之間循環，控制系統據輸入模擬人員數量及各人員代謝模式，結合基于代謝的經驗公式計算出產熱量、產濕量、氧氣消耗量、二氧化碳增量的控制目標，并通過采集系統中溫度、壓力、流量、氧濃度等數據，根據預定控制邏輯，對風機、閥門、壓縮機、分子篩、流量控制器、泵、加熱器進行控制，以達到控制目標。與現有技術相比，本發明不需要人員參與試驗，同時考核熱控系統和環控系統的能力。利用本系統構建的試驗系統比有人試驗更安全，靈活性更高，連續運行時間更長，對產品考核更充分，不占用艙內體積。
文檔編號B64G7/00GK103204251SQ201310074690
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月8日 優先權日2012年11月28日
發明者王晶, 劉暢, 徐照武, 裴一飛, 李西園, 蘇新明, 郄殿福, 孫繼鵬 申請人:北京衛星環境工程研究所