[发明专利]用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统

说明书

技术领域

[0001]本发明属于载人航天器地面试验领域，具体涉及一种用于载人航天器地面热控系统和环控系统综合试验的人员代谢模拟系统。

背景技术

[0002]航天器对接机构一般作为航天器移动、停放或者热试验用地面支撑机械设备的重要组成部分，用于和航天器的直接对接与固定。大型载人航天器地面试验需要考核热控系统和环控系统长期维持载人环境的能力，特别是两个系统长期协调工作的性能。热控系统和环控系统都受到人员代谢作用的影响。代谢活动对热控系统的影响主要在于代谢产生的热量和水蒸汽会影响空气温度和湿度；代谢活动对环控系统的影响在于代谢过程会改变空气成分，消耗掉氧气，产生二氧化碳和水蒸汽。

[0003]现有的载人航天器试验分别考核热控系统和环控系统的性能。热控系统试验中采用了人体产热模拟器和人体产湿模拟器，分别模拟人员代谢产生的热量和水蒸汽量。人体产热模拟器由贴有加热片的铝板制成，利用程控电源控制加热功率，模拟不同状态下通风环境中的人体产热。人体产湿模拟器利用加热内置水箱产生水蒸汽，按照设定的产湿速率对空气进行加湿，可以模拟6名人员的产湿。现有的人体产热模拟器和人体产湿模拟器都包含有控制器，能够实现供电、控制和检测功能，并具有和计算机通讯及发送数据的功能。现有的环控系统试验不采用模拟系统，而是进行长时间的有人参与试验，利用真实的代谢过程改变空气组分。

[0004]现有的试验系统和方法存在如下问题：

载人航天器的环控系统与热控系统之间存在着紧密的相互联系。环控系统的某些设备工作时会释放热量或者需要加热再生，这些热量会改变循环空气温度；热控系统的控制温度会影响除湿能力，同时风速会影响热控系统的换热效率和环控系统的气体净化效果。目前分别考核两个系统的试验方式无法充分验证系统间长期协调工作的性能。人体产热模拟装置和人体产湿模拟装置只能模拟人体的热湿效应，无法模拟代谢活动对气体组分的改变。采用人员参与长期试验的方式在生理和心理方面存在很大的不安全因素，试验准备周期长，代价高。此外，如采用多个设备分别模拟产热、产湿、氧气消耗、二氧化碳增加等效应，不仅需要占据舱内大量空间，设备本身会影响流场分布。因此，为了实现热控系统和环控系统长期综合试验，必须设计新的人员代谢模拟设备，同时模拟各种代谢效应，降低舱内空间需求，提高试验的灵活性和安全性。

发明内容

[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、功能全面、精确控制的人员代谢模拟系统，不仅能够同时模拟多种人体代谢效应，而且能够有效提高载人航天器长期测试的安全性和灵活性。本发明能够填补国内对载人航天器热控系统、环控系统进行综合试验所需代谢模拟系统的空白，为大型载人航天器进行地面综合试验提供了技术保障。

[0006]本发明目的是通过如下技术方案实现的：

用于载人航天器地面综合试验的人员代谢模拟系统,主要包括氧气浓度模拟单元、二氧化碳模拟单元、氮气模拟单元和湿度模拟单元，用于载人航天器地面综合试验的密封舱与氧气浓度模拟单元的输入端之间设置有输入管路，输入管路上依次串联设置有温度传感器一、流量计、变频风机与防止空气回流至密封舱的止回阀，氧气浓度模拟单元的输出端依次通过压力传感器一、电加热器与温度传感器二与所述密封舱的输出管路连接，氧气浓度模拟单元与压力传感器一之间分别设置有氮气模拟单元和二氧化碳模拟单元，它们分别由相应气体气瓶和流量控制器三、流量控制器四构成以为管路提供氮气和二氧化碳，压力传感器一与电加热器之间设置有湿度模拟单元以为管路提供水蒸汽，其中，氧气浓度模拟单元由并联的主路管路和旁路管路构成，旁路管路上设置有阀门二，主路管路依次连接有流量控制器一、压缩机和分子筛，压缩机两端还单独并联有阀门一，分子筛的另一管路还连接有氧浓度传感器并通过流量控制器二排空；湿度模拟单元包括依次管路连接的储水槽、水泵、蒸发器、压力传感器二和流量控制器五，上位机与PLC构成的控制系统根据输入模拟人员数量及各人员代谢模式，结合基于代谢的经验公式计算出产热量、产湿量、氧气消耗量、二氧化碳增量的控制目标，下发至下位控制器PLC，PLC采集系统中温度、压力、流量的各个数据，根据预定控制逻辑，对风机、阀门、压缩机、分子筛、流量控制器、泵、加热器进行控制，以达到控制目标。