人體代謝耗氧模擬裝置的改進設計

賀繼艷，馬基賢，王 帥，張 鵬，石亞慧，王秀鋒

（天津航天機電設備研究所，天津 300456）

0 引言

環控生保系統[1]是空間飛行任務中為航天員提供生命活動必需物質條件的保障系統。為確保航天員的生存、安全、健康和高效工作，以及飛行過程中系統的可靠運行，載人飛行前必須對環控生保系統進行充分的地面試驗驗證。人體代謝耗氧模擬裝置作為環控生保系統無人試驗中人體呼吸代謝模擬的主要設備，其性能和運行效率對環控生保系統驗證分析至關重要。

2013年，中國航天員科研訓練中心研制并應用了我國第1套分子篩耗氧模擬裝置[2]。該裝置經環控生保系統集成性能試驗的使用考核，出口氧濃度（體積分數）可達93%以上，基本不消耗密封艙內的其他氣體成分[3]，但裝置的氣密性不良、耗氧過程對艙壓影響較大，需要進行改進。

本文在分析艙壓下降及波動原因的基礎上，針對空壓機泄漏、管路密封不良問題，著眼于提高艙壓穩定性和系統運行效率，從設備選型、工作流程、關鍵技術等方面進行設計改進。

1 問題分析

基于氣體分子學直徑的微小差別，氮分子在分子篩的微孔中有較快的擴散速度，氧分子擴散速度較慢，因此分子篩在平衡狀態下優先吸附氮氣。載人密封艙內空氣成分以氮氣和氧氣為主，利用沸石分子篩對氮氣的吸附容量在加壓時增加、減壓時減少的特性，形成加壓吸附、減壓解吸的循環過程，可實現空氣中21%的氧氣、78%的氮氣及1%的其他氣體分離[4]。人體代謝耗氧模擬裝置利用分子篩氣體分離的過程，把氧氣從空氣中分離出來并排出艙外，使艙內空氣中的氧氣按照人體消耗速率定量減少，并將氧分離后的其余氣體仍返回艙內，以確保不影響艙內其他氣體組分。

第1套分子篩耗氧模擬裝置在使用過程中出現如下問題：在使用前需開機30 min以上才能達到以93%以上的純度穩定耗氧，效率較低；使用過程中艙內壓力會持續下降；在耗氧機抽氣回氣過程中艙壓波動較大。其中耗氧效率較低的原因較明確，主要在于選用的分子篩制氧機產氧量偏高。本文著重對其余2個問題進行分析研究。

1.1 艙壓下降問題分析

耗氧模擬裝置采用的工業用分子篩制氧機原設計用途為以空氣為原料生產氧氣，過程中氣體的泄漏量對成本和產氧量無特殊影響，因此氣體分離行業對制氧機部組件的氣密性沒有相關規范要求。裝置氣密性不良是造成艙壓下降的主要原因。制氧機組成部件較多，包括空壓機、緩沖罐、分離塔、過濾器、出氣緩沖罐以及大量手動和自動閥門等；各部組件的連接接頭眾多，各類接頭約300多個。因此，一方面，器件的選型及連接方式對系統整體的漏率有很大影響；另一方面，第1套分子篩耗氧模擬裝置所采用的無油空壓機由于設計本身存在泄壓孔，軸封處無法完全密封，隨著軸封材料的磨損，空壓機存在氣體向空氣中泄漏和空氣向艙內泄漏的情況，且泄漏量無法估計[5]。

經調研分析，耗氧機各部組件中除空壓機外，手動閥、電動閥、連接件等均可通過選型實現漏率小于 1×10-5Pa·m3/s。

1.2 艙壓波動問題分析

耗氧模擬裝置在制氧過程中采用變壓吸附原理：空壓機從艙內不斷抽氣，當空氣緩沖罐達到一定壓力之后，開始空氣分離過程；約2 min后氣體分離過程完成，排放一定量的氧氣之后，剩余的氣體回流到艙內。整個過程使測試艙內氣壓呈現吸氣時艙壓下降、回氣時艙壓上升的波動情況。

第1套模擬耗氧機選用產氧量1 m3/h的耗氧機，選型偏大，相應的抽氣、回氣量較大，造成艙壓波動較大。分子篩耗氧機工作需滿足的空/氧比為12～14，抽氣速率 300 L/min，氣體分離周期為 2 min。按照表1[6]中數據計算，3人中度活動所需的最大耗氧量為 2.72 L/min。測試艙容積為 100 m3，以空/氧比為12計算，壓縮機間歇工作，總的抽氣量為12 000 L/h，總的工作時間為 40 min，回氣過程可近似為連續。每小時總的抽氣量減去排掉的耗氧量163.2 L（60×2.72 L/min），剩余約 11 837 L 氣體要在 60 min 中內回到艙內，排氣速率為 197 L/min。穩定工作后，耗氧過程會在空壓機吸氣時造成艙內壓力每分鐘下降3‰-1.97‰=1.03‰，回氣時艙內壓力最大每分鐘上升1.97‰，艙壓波動較大。

表1 人體呼吸耗氧速率Table 1 Human respiratory oxygen consumption parameters

2 改進設計方案

針對第1套耗氧模擬裝置存在的問題，對分子篩耗氧機進行改進設計，主要包括：耗氧機空氣壓縮系統選用智驅壓縮機融合線性電機的無油全密閉壓縮機，解決了空壓機泄漏問題；系統管路中的電磁閥全部選用全封閉無內外泄漏電磁閥，提高了內部管路的密封性；為保證耗氧模擬系統的穩定運行和地面長時間試驗的完成，設計3路獨立耗氧系統，互不干涉、互為冗余，每路均采用快速耗氧流程與緩沖罐+消聲器相結合的技術，旨在滿足6人地面試驗所需耗氧量的同時提高耗氧效率，降低耗氧過程對艙壓的影響。具體改進方案如下：

2.1 耗氧機整體方案

耗氧系統主要由箱體、溫度傳感器、過濾器、無油變頻壓縮機、恒溫水槽、變壓吸附塔、水汽回流系統、緩沖罐、穩壓罐、流量控制器、氣體分析儀、PLC及PC機等組成（參見圖1）。該系統與測試艙采用法蘭盤連接，管路與法蘭連接采用氣路快插接頭，氣密性指標為 1×10-9Pa·m3/s。系統管路及配件選型嚴格控制，保證耗氧過程不對艙內空氣造成污染。

圖1 耗氧系統組成Fig.1 Principle of the O2 consumption device

2.2 系統工作流程

以3路耗氧系統中的第1路（參見圖1）為例說明耗氧系統的工作流程[7]如下：艙內空氣經過無油變頻壓縮機壓縮后，進入恒溫除濕系統的相應氣路，降溫以保證進入吸附塔的氣體中不含蒸汽且溫度適合。電磁閥V4、V6是吸附塔1、2的進氣閥，V5、V7是吸附塔1、2的排氣閥。V4和V7構成一個回路，V5和V6構成一個回路，V8為吸附塔1、2之間的均壓電磁閥。當V4、V6、V8開通且V5、V6關斷時，空氣進入吸附塔1內進行吸附，去除氮氣后產生的氧氣一部分通過單向閥D4進入緩沖罐，另一部分通過V8進入吸附塔2內對分子篩進行解吸反吹，余氣回流。當 V5、V6、V8開通且 V4、V7關斷時，空氣進入吸附塔2內進行吸附并對吸附塔1內的分子篩進行解吸反吹，余氣回流。V8的作用是保證吸附和解吸反吹兩塔之間的均壓，回收一部分氧氣和機械能，保證氧氣濃度；V8的關斷與V5、V7的開通連鎖。排氧口通過穩壓閥和流量控制器實現定量排氧，并使用氣體分析儀對排出的氧氣濃度進行實時監測。耗氧過程由西門子PLC進行控制，研華工控機結合力控軟件實現過程監測和記錄。

耗氧機控制時序見圖2：進氣電磁閥V4、V6的通/斷狀態正好相反，且通/斷時間均為 6.86 s；排氣電磁閥V5、V7的開通時間比進氣電磁閥的要短，為5.09 s，即與相應的進氣閥相比，排氣閥晚開通、早關斷。均壓電磁閥V8的動作周期約等于吸附塔1的吸附時間（6.87 s），且與排氣閥V5、V7的通斷狀態相反。

圖2 耗氧機控制時序Fig.2 The control timing of the O2 consumption device

2.3 改進設計內容

本耗氧系統在對原有空氣壓縮、氣體分離耗氧和余氣回流進行改進設計的基礎上，新增了恒溫除濕系統。

1）空氣壓縮系統

為確保整體系統氣密性，空氣壓縮系統選用無油全密閉變頻壓縮機，但單臺全密閉壓縮機的功率無法滿足分子篩耗氧所需的空/氧比，因此由3臺空壓機（M1～M3）并聯工作。這種壓縮機采用智驅壓縮機融合線性電機與無油自潤滑相結合的技術，具有結構簡單、調節流量穩定、能效高、超靜音、啟動超快、可靠性高等特點。

無油全密閉變頻壓縮機主要應用于制冷行業，其密封性能所要求的允許泄漏率是1.6×106Pa壓力下氟利昂的年泄漏量為1 g，滿足耗氧模擬裝置的漏率指標要求；其運行方式為無油干式運行，滿足分子篩耗氧模擬裝置對壓縮機的要求；采用直線伺服電機驅動，能夠精確控制壓縮機活塞的運動頻率和行程，從而精確調節系統的流量，為耗氧模擬裝置精確控制氣體壓縮量和穩定艙內壓力提供了必要技術保證。

2）恒溫除濕系統

經過壓縮機后，引氣溫度升高，會使吸附等溫線斜率減小，降低吸附劑的飽和吸附量，最終影響產生氧氣的濃度。為確保分子篩發揮更好的耗氧效果，設計了恒溫除濕系統（參見圖3），降低進入吸附塔的引氣溫度并去除蒸汽。

圖3 恒溫除濕系統Fig.3 The constant temperature dehumidification system

3）氣體分離耗氧系統

耗氧系統含3路獨立管路，每一路均為3臺無油變頻壓縮機同時工作，采用變頻調節與緩沖罐+消聲器相組合，保證耗氧后的氣體壓力滿足返回測試艙內氣體的壓力要求。

由圖1可見，3路吸附塔氣路中：V4、V5、V6、V7為一組閥組，V9、V10、V11、V12為一組閥組，V14、V15、V16、V17為一組閥組。系統通過各電磁閥的通斷配合，進行吸附塔之間的吸附/解吸，完成氮氧分離。穩壓閥1～3用來穩定3路耗氧管路間壓力均衡。穩壓閥4和穩壓罐1相組合，穩定管路系統壓力，保證流量控制器的精確調節和流量測量。

4）水汽回流系統

水汽回流系統為全封閉系統（參見圖4），利用恒溫除濕系統，保證回流管道氣體的溫度和壓力不影響測試艙內的空氣工況；同時，通過超聲波霧化系統使濕氣順著余氣氣流返回測試艙內。

圖4 水汽回流系統設計Fig.4 Water vapor design

3 測試結果

設備研制完成后，對設備整體的氣密性進行了保壓試驗，同時，對耗氧濃度，排氧口CO2含量、微量氣體含量，抽氣口和回氣口溫濕度進行了測試，對影響艙壓波動的抽氣量、回氣量進行監測。

采用保壓方式[8]，外接氣泵對系統充空氣至壓力為0.28 MPa，斷開氣泵并對抽氣口、排氧口和回氣口進行封堵；待穩定后系統內部初始壓力268.56 kPa、溫度 15.31 ℃，系統有效容積約 25 L（最大容積約 45 L）；保壓 24 h后，系統內部壓力 241.95 kPa、溫度 14.80 ℃；壓降 26.61 kPa、溫差-0.51 ℃，考慮氣體狀態方程的最終壓降為25.896 kPa，泄漏率計算結果為 1.5×10-2Pa·m3/s，滿足任務書對整機氣密性的要求。

在開機約5 min后，出口氧濃度趨于穩定，且高于93%；在關艙門試驗時，由于艙內的氬氣濃度逐漸降低，氧濃度隨著試驗時間的延長會逐步升高到96.8%左右。

排氧口CO2含量測試結果為0；醇、苯、氨、醛等微量氣體濃度無數量級變化。

抽氣口和回氣口溫濕度測試記錄表明，在12 h內，溫度變化不超過1 ℃，濕度變化不超過6個百分點，這個影響程度對于環控生保系統驗證試驗而言可以忽略。

該耗氧系統含3套獨立冗余管路，每路耗氧量0～3 L/min，經實測空/氧比約為 14；該套設備空壓機連續工作，抽氣量為42 L/min；根據耗氧時序圖可知每組2臺分子篩交替進行抽排氣，回氣過程可近似為連續。按照表1中3人中度活動所需的最大耗氧量計算，耗氧量為2.72 L/min。為保證耗氧量，開啟2套耗氧系統，抽氣量為84 L/min，回氣量為81.28 L/min。試驗艙容積 100 m3，穩定工作后抽氣、回氣均為連續工作，整個耗氧過程對艙壓波動的影響約為每分鐘 2.72 L/100 m3=0.027‰。

4 結束語

經整艙模擬測試驗證，改進后的人體代謝模擬耗氧裝置的耗氧濃度建立時間由原來的30 min縮短到 5 min，系統整體漏率≤2×10-2Pa·m3/s，艙壓波動約為0.027‰，滿足任務要求。該改進后裝置已成功應用于環控生保系統地面試驗中且運行穩定，提高了系統的試驗模擬精度，為環控生保系統驗證提供了可靠的保障。

值得一提的是，由于氧氣（0.346）和氬氣（0.34）的分子直徑相近，分子篩耗氧分離的過程中難以將二者完全分離，故在人體代謝耗氧模擬的過程中，會導致艙內氬氣含量降低。進一步研究中可針對氧氣和氬氣的分離進行研究，以期提高耗氧純度。