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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题的来源

本题源“XXX”研所空站生环控与命障统(环控保统)性试平改任。解我有大规的长有照料空站用题,提环生系的制求[1]。环生系(ECLSS)是人天的键统一[2],功是载航器封内航员造个类于常面动空环,供天生活必的质件和全障件[3]。此,空站控再生系性.试.平.的.设.为必要[4]。在人统式行,生保统要地经无次实检和证,人代定模系即再生系的面证系之。

在控制系统设计方面,上位机采用LabVIEW,可以发挥其强大的测试测量功能和友好的人机界面功能,便于实验员操作。下位机采用西门子公司的PLC,可以发挥其稳定、可靠的特点,符合整体设计的要求。系统分为全自动和半自动两种模式,全自动模式可以定量连续多周期性的模拟人体代谢的各个单元,半自动模式可以单独操作各个单元,同时还可以满足拉偏功能的需求。

我国的航天事业起步于20世纪五六十年代[5],从1965年我国第一颗人造卫星计划开始实施[6],到今年即将发射的神州10号载人飞船,我国的航天事业已经走过了四十八个年头。我国的航天事业在起步初期就取得了良好的进展,1971年,在“两弹一星”功勋专家的领导下,利用自主研发的长征一号运载火箭,将我国第一颗人造地球卫星东方红一号成功的送入预定轨道,由此揭开了我国航天事业发展的序幕,并且在以后较短的时间内连续性的取得了长足的发展,依次展开了东方红各型号的研制工作,具备了多种卫星的研制和发射能力,其中1975年返回式卫星的成功发射[7],标志着我国已经独立掌握了卫星回收技术,这也为日后我国载人航天技术的发展提供了必备的技术支持。

1992年1月,我国载人航天工程经我国政府的批准,正式开始实施,7年后的11月[8],神舟一号无人实验飞船在经历了21个小时的太空旅行后成功的在内蒙古中部的回收场着陆,为以后载人飞船的发射打下了坚实的基础,自此,神舟号系列飞船的发射工作陆续展开,2003年10月15日神舟五号载人飞船的成功发射与着陆,不仅是我国载人航天史上里程碑的一次胜利,更标志着我国从此迈入了载人航天大国的行列[9]。2011年9月,中国第一个目标飞行器和空间实验室——天宫一号成功发射,随后神舟八号和神舟九号的成功对接标志着中国已经拥有建立短期无人照料的的空间站的能力,同时也成功完成了中国航天“三步走”战略中的建立空间实验室的既定目标,根据战略规划,中国此后将建成较大规模的长期有人照料的载人空间实验室,由此提出了环控生保系统的研制需求[10]。

环控生保系统,即ECLSS(Environmental Control and Life Support System),其主要任务是为密闭舱内的航天员提供一个最基本的生活和工作条件:为航天员提供诸如供氧、供水、供食等生命支持活动;对座舱诸如大气总压、氧分压、气体成分、温湿度等大气环境实行人工调节控制;对航天员生理代谢的废物及舱内其他废弃物进行收集和处理;对舱内隐患的火情进行探测和抑制,并对出现后的火情实施灭火措施;意外情况下的压力应急转换等[11]。环控生保系统从应用上可以分为非再生式,再生式两种系统,其中再生式又分为部分再生式和完全再生式两种[12]。由于我国将来要建成大规模的长期有人照料的空间站,所以应用非再生式环控生保系统需要耗费大量的人力、物力,同时发射运送供给物品用的货运船也需要耗费大量的财力并且需要承担一定的风险,因此再生式环控生保系统是我国建立大规模有人照料的载人空间实验室的必备系统,同时也是实现空间站长期载人首先要突破的关键技术之一,其直接关系到航天员在长时间内能否身体健康和生命安全能否得到保障这一重大任务,同时也是空间站长期载人这一战略能否圆满完成的核心技术之一。在载人航天器正式执行载人任务之前,环控生保系统必须在不同的系统层次上进行十分严格的长时间的试验验证和检测。由于环控生保系统的闭路性问题,所以进行验证性试验时不能用人贸然的进行试验,同时排除安全性因素的话,用人进行验证性试验需耗费大量的人力、物力、财力,所以研制出一套配套性环控生保系统验证性系统既可以避免有人试验引发的诸多性问题,又可以达到考核环控生保系统供氧、代谢物处理等大气环境控制能力的目的。

人体代谢定量模拟系统的研制不仅为我国空间站的发展起到了积极的促进作用,而且填补了我国在模拟人体代谢活动这一方面的空白,新一代人体代谢定量模拟系统,除了可以作为空间站环控生保系统的配套性验证系统,而且可以作为飞机飞天及潜艇用的生命保障系统、地下采矿用自救系统、医用复苏器及发生火灾时的呼吸装置等系统的配套性验证系统。所以,在我国航天事业蒸蒸日上发展的今天,在我国将要建成大规模的长期有人照料的空间站之前,新一代人体代谢定量模拟系统的研制显得尤为必要和棘手。

1.2 国内外研究现状

由于我国航天领域的研究起步较晚,在载人航天工程及空间站建设方面相比于国外都要逊色不少,1993年,国际空间站的建设,使得以俄罗斯、美国、欧洲宇航局、日本为代表的几个国家在这个方面进行了更加深入的研究[13],尤其美国宇航局(NASA)在这方面的研究更为系统[14]。由于国内对于再生式环控生保系统的研究较为晚期,所以配套人体代谢模拟装置的研发也较晚。随着我国航天事业的大踏步发展,我国也逐渐建立并完善了自己的再生式环控生保系统,所以人体代谢模拟系统的研发也取得了不少的成果[15]。下面将逐步介绍国内外在这方面取得的成果。人体代谢模拟,即模拟人体呼吸及代谢,在此领域,国内外主要采用的方法大致可以概括为:化学反应法、物理化学法、物理反应法[16]。

1.2.1 国外研究现状

在外面,以国首国先采了同方,成及制度面行几的造[17]。

国起通采化学应来拟体代。学应模的理是:通燃和化含C和O元的合的反方,到拟体代相关产物。由于燃烧和氧化的过程很难控制反应速率,所以严重影响了人体代谢模拟的精度,同时化学反应工程实施复杂,造价大,装置的维护强大较大,同时化学反应时还存在着一定的危险性,故难度较大[18]。

为了克服传统化学方法的精度低的难题,之后出现了物理化学方法,即通过机械控制系统调节和控制所模拟的呼吸的频率[19],在模拟一个一个的呼吸周期的基础上工作的,用抽吸和置换回路中气体来模拟耗氧,并向回路中加入CO2来模拟产CO2,该方法能够模拟人体从休息到各类活动范围内的耗氧率、产湿产热率、产CO2率,同时该方法还可以控制温度和湿度[20]。

第三代呼吸和代谢装置同第二代类似,但是它工作时是连续的,即不是工作在一个一个的呼吸周期的基础上[21],其所有的控制均由一台电子计算机控制。第三代装置机械结构简单,能够实现大范围的模拟代谢参数变化的能力[22]。

1.2.2 国内研究现状

国方在鉴外二人代模装的验出利物方并合面境拟体谢[23],人代各标行元块的拟:产CO2单、湿元产单及氧元4项理谢标产CO2单主是过部有CO2的瓶,向闭内入量CO2;湿的拟主是过定泵舱精的入化需的馏,后过声雾化将雾[24];产模单主是在个闭域组的集布热器,过控加器的压者流控热;耗单的拟传的抽补”,抽一量空,向中入分N2的式拟氧[25]。

1.3 论文的主要研究内容

本课题以“XXX”研究所实际工程项目为背景,主要任务是为空间站再生式环控生保系统设计验证性测试系统,验证再生式环控生保系统的可靠性、稳定性、安全性,为我国建成大规模的、长期有人照料的空间站提供必备的技术支持。为此本课题分为如下研究内容:

(1) 根据设计要求和环境约束,提出人体代谢模拟系统的整体设计方案,包括:产CO2功能单元、产湿功能单元、产热功能单元、耗氧功能单元的详细设计方案,并且根据功能需求和精度需求,选择合适的执行器、并通过理论论证,论证方案设计和器件采购的合理性。根据设计方案,结合用户的需求,完成控制系统的方案设计,包括上、下位机的选择,开发环境等。本次设计采用具有LabVIEW开发环境的工控机为上位机,搭配西门子S7-300系列PLC的下位机为整体控制方案,达到设计指标要求的稳定性、可靠性等特点;

(2) 根据整体设计方案,完成人体代谢定量模拟装置的硬件设计,包括下位机PLC的硬件选择,即电源模块、CPU模块、数字量和模拟量I/O模块,通讯模块的选择。根据执行器和传感器的布置要求,完成人体代谢定量模拟装置的电路设计方案;

(3) 完成人体代谢模拟定量模拟装置的软件设计,即下位机程序的A/D、D/A转换设计、逻辑控制设计、通讯配置等;上位机的登陆界面设计、全自动和半自动方案的逻辑控制设计、运算系统设计、通讯方案设计等;

(4) 对实验产生的数据进行记录,并且分析其精度是否达到指标要求。

结  论

本课题以“XXX”研究所实际工程项目为背景,设计了全新的人体代谢模拟系统,为空间站环控再生生保系统设计验证性测试系统,验证再生式环控生保系统的可靠性、稳定性、安全性,为我国建成大规模的、长期有人照料的空间站提供必备的技术支持。

(1) 根据设计要求和环境约束,在国内外研究现状的基础上,提出全新的人体代谢模拟系统的整体设计方案,包括各个子单元:产CO2功能单元、产热功能单元、产湿功能单元、耗氧功能单元的详细设计方案,并且根据功能需求和精度需求,选择合适的流量控制器等执行器和高精度电子称等传感器,同时还论证了方案设计和器件采购的合理性。根据设计方案,结合用户的需求,完成控制系统的方案设计,包括上、下位机的选择,开发环境等。根据精度指标和稳定性要求,提出了人体代谢定量模拟装置的控制系统设计方案,包括各个子单元控制系统的方案设计。

(2) 根据整体设计方案,完成了人体代谢定量模拟装置的硬件设计,包括下位机PLC的硬件组态的选择,即电源模块、CPU模块、数字量和模拟量I/O模块,通讯模块的选择。

(3) 设计了人体代谢模拟定量模拟装置的软件部分,包括上下位机的逻辑设计,控制方案设计,运算系统设计,实验数据记录设计,通讯设计等。

本次设计与国内外的现研究现状相比提出了全新的耗氧单元,即利用制氧机将舱内空气抽取出来,将O2排出舱外,其余大部分气体返回舱内,最大限度的模拟了实际人体代谢。另外还将传统的产热产湿单元合二唯一,结构更加简单,操作更为方便。

由于受到神舟十号发射任务和毕业时间的影响,本次设计只进行了自身测试,未真正联合再生式环控生保系统进行详细的可靠性论证,但是从自测试的角度论证了总体设计方案的精度和稳定性满足了设计指标要求。