摘要：目的 减轻载人航天器中环控生保系统的重量。方法 采用网络分析原理，研究由环控生保系统中气、液流体回路所构成的流动和热网络，建立此网络中流动、传热及重量计算的物理模型和数学模型。从热平衡、传热及其系统重量关系式出发，计算出网络的结点热力学参数及网络系统重量，并对系统重量的一些影响因素进行了分析。结果 流动和热网络系统中存在最佳管径，使系统重量最小。并且此最佳管径与流量关系密切；适当地提高通风温度可以降低系统重量；网络系统中存在最佳的热组件布局方式，对应的系统重量最小。结论 这些规律对载人航天器环控生保系统轻量化具有重要参考意义。

中图分类号：V445文献标识码：A文章编号：1002-0837(1999)05-0351-05

Analysis of Mass Optimization of Manned Spacecraft ECLSS

Thermo-hydraulic Network

ZHANG Xin-rong，REN Jian-xun，LIANG Xin-gang,GUO Zeng-yuan

Abstract：Objective To reduce the weight of manned spacecraft Environment Control and Life Support System(ECLSS). Method Based on network analysis theory，the flow and thermo-hydraulic network composed of gas and liquid loops in manned spacecraft ECLSS was explored to reduce the weight of ECLSS．The physical models and mathematical models of flow,heat transfer and weight calculation in the network were established．The thermodynamic parameters and weight of the network were calculated on the bases of energy balance，heat transfer relation and the component weight relation．And influencing factors on the system weight were discussed．Result （1）There is an optimal pipe diameter in the system and the diameter is influenced by flow rate to a large extent；（2）The weight can be reduced by raising inlet temperature properly；（3）The best heat exchange layout makes the weight lightest．Conclusion The obtained results are of importance for reducing lauching weight of manned spacecraft．

Key words：manned spacecraft;environmental control;life support systems;mass optimization;network analysis;flow;physical models;mathematical models

Address reprint requests to:ZHANG Xin-rong.Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing 100084，China

载人航天器是一个复杂的系统。其基本特点是乘员组参与飞行。为了满足航天员在轨长期工作及生活的需要，航天器内需设置环境控制与生命保障系统（简称环控生保系统，ECLSS），其设计目标是维持乘员舱内大气环境，保证规定的总压、氧分压水平，保持适宜于航天员工作和生活的温度、湿度及通风条件，在无人照料期间保证仪器设备正常运转和实验工作正常运行所必须的环境条件。载人航天器压力舱内的各分系统中，环控生保系统在重量及电力消耗上均占有较大比重，而航天器的发射费用极为昂贵，如何在满足载人航天器总体要求的前提下，减少航天器中环控生保系统的发射质量，是具有现实意义的重大课题。

环控生保系统从传热学角度讲是一个复杂的流动和热网络系统。在已有的各种载人航天器环控生保系统中^［1］，就其温、湿度控制而言，主要分为两类，虽然它们的工作原理基本相同，但各具特色。一类的特点是舱内流体散热回路由内部循环和外部循环两个回路构成。内、外回路之间用液-液式中间换热器相耦合。它具有可靠性高、温控适应性好等优点。而另一类航天器中的散热回路则无内、外回路之分，具有结构紧凑、重量轻的特点。在满足一定要求的环控生保系统设计中，诸多因素都在影响着其总体设计重量。如文献［2］中对管路及太阳电池的重量随管径的变化进行了计算分析，但并不全面。本文通过所建立的简易流动和热网络模型，研究分析了影响热网络系统重量的因素。结果表明，通过调节这些影响因素，可以大大减少流动和热网络的重量及功耗，并且这些影响因素取某一组定值时，系统的重量及功耗最小。

流动和热网络系统重量的理论分析

以第二类载人航天器中的环控生保系统为背景，经过适当的简化，得到如图1所示的流动和热网络系统。在此网络系统中。空间辐射散热器出口的冷媒经泵加压后，顺序流经换热器1、2和冷却板吸收热量，最后回到空间辐射器中散热降温。换热器1、2分别用来冷却生活舱及仪表舱的空气。阀门用来调节冷媒流量。太阳电池用来向有关动力装置提供能源。

图1环控生保系统中冷却系统热网络简图

Fig．1Schematic diagram of ECLSS thermo-hydraulic network

为了分析方便，主要做了以下假设：

⑴换热器1、2的工况相差较远，换热器1的换热量远小于换热器2的换热量；

⑵回路中用一个冷却板来等效实际所用的数个冷却板，故其热负荷较大；

⑶不考虑流体流经泵的温升。

设空间辐射散热器内冷媒放出的热量为Q₁，换热器1、2内换热量分别为Q₂、Q₃，冷却板热负荷为Q₄。图1所示系统的热平衡关系式为：

Q₁=Q₂+Q₃+Q₄(1)

换热器1、换热器2、冷却板和空间辐射散热器的热平衡及传热关系式由式（2）～（7）给出：

m₁c₁(T₅-T₁)=εσT⁴_R-AF₄(2)

m₁c₁(T₅-T₁)=m₂c₂(T₃-T₂) (3)

(4)

m₁c₁(T₄-T₃)=m₃c₃(T₈-T₉) (5)

(6)

Q₄=m₁c₁(T₅-T₄)(7)

式中：

m₁c₁、m₂c₂、m₃c₃分别为回路中工质以及换热器1、2空气来风的质量流量与比热容的乘积；

T_W1、T_W2、T_W3分别为换热器1、2及冷却板的壁面温度；

F₁、F₂、F₃分别为换热器1、2及冷却板的换热面积；

F₄为空间辐射散热器的辐射表面积；

h₁、h₃分别为换热器1、2冷却工质侧的换热系数；

h₂、h₄分别为换热器1、2空气侧的换热系数；

h₅为冷却板冷却工质侧的换热系数；

ε为热辐射器表面红外发射率；

σ为黑体辐射常数，其值为5.67×10^-8W/(m^2．k⁴)；

T_R为散热辐射器表面平均温度；

A为与空间热辐射相关的有关常数。

网络系统重量由空间辐射散热器、换热器、冷却板和管路及附件等单体设备重量构成。尽管系统重量中不包括太阳电池的重量，但由于网络中泵及风机的功耗会直接影响到太阳电池的重量，所以太阳电池重量与热网络系统间接相关，从系统的观点来讲，热网络系统重量还应包括与回路功耗相关联的太阳电池重量。热网络系统重量及其中各部分重量关系式如下：

M=M_HX+M_PUMP+M_CELL+M_TUBE(8)

(9)

M_PUMP=f₁(Q,△P)(10)

M_CELL=f₂(Q,△P，E)(11)

M_TUBE=f₃(L，D，δ,<