基于应急压力服的闭式生保系统的制作方法

本发明属于航天器环控与生命保障领域，具体涉及一种基于现有的舱内应急压力服(舱内航天服)的闭式生命保障系统。

背景技术：

舱内环境控制与生命保障分系统(eclss,简称为舱内环控生保系统)是载人航天器所独有和必需的一个最重要分系统。环控生保分系统应对人类在空间特殊环境的生存需求,通过大气控制,温度控制,供应和再循环,水再循环,食物供应,废物清除,火灾等应急措施的解决,为载人航天器上航天员的正常生活、工作、身体健康和生命安全提供关键性保障。其中舱内应急压力服(也被称为舱内航天服或发射、返回服)是保障航天员生命安全的重要手段之一，在航天器的发射段和返回段，航天员均需要穿着应急压力服，舱内环控生保系统通过供气管路向应急压力服内部通风，以带走航天员体表的代谢产热，在舱内发生失压等严重事故时，随着压力的下降，应急压力服逐渐切换至闭合的工作模式，由舱内环控生保系统向航天员头盔部位进行供氧，满足航天员的呼吸和部分散热需求。航天器在轨道发生失压时，航天员一般可在1h内穿着应急压力服，完成航天器状态设置，并进行自主返航。与舱外航天服不同，目前的舱内应急压力服一般为开式结构，通入应急压力服的气体并不进行回收，而是通过泄压阀门耗散在航天器内，以此达到了结构简单、可靠性高等优点，但同时其也存在着如下缺点：

1、开式循环导致了氧气利用效率极低的问题，人员呼出气体中的大量氧气从泄压阀流失导致了其对资源的消耗量极大。

2、进入压力应急模式时，供气流量较低，导致其带走废热的能力不强，尤其对于人员下半身将长期处于较不舒适的状态。

在以往的载人航天任务中，发射段、返回段时间很短，即使是轨道失压事故，航天员穿着应急压力服的总时间亦不算很长，因此其可以满足人员生保的要求，但对于未来的载人深空探测任务，从月球轨道返回地面可能长达6天以上，目前的环控生保系统在舒适性、资源消耗量上均难以满足月球应急返回的需求。

因此，设计和发明一种基于现有应急压力服的闭式循环系统具有积极的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于应急压力服的舱内环控生保系统，是充分利用现有舱内应急压力服系统和生命保障系统，形成闭式生命保障循环，最大限度降低氧气消耗，具有实现长时间生命保障的可行性，为未来载人深空探测提供支撑。

本发明采用了如下的技术方案：

本发明的基于应急压力服的闭式循环系统，包括应急压力服，闭式生保系统，舱内环控生保系统，应急压力服具有泄压接口和供气接口，其中，所述应急压力服的供气接口与泄压接口分别通过供气管路与排气管路与闭式生保系统连通，闭式生保系统分别通过供氧管路、液冷进入管路与液冷排出管路与舱内环控生保系统连通，所述闭式生保系统中的通风管路一的入口与舱内应急压力服的泄压接口连通，对其内部的通风气体进行回收；通风管路一的出口经由通风管路二与风机一连通，用于将回收的气体送入风机一；用于提供通风气体流动动力的风机一与二氧化碳消除系统连通并将送入气体；热交换器通过环控生保系统中的液冷管路对通风气体进行冷却，二氧化碳消除系统分别与热交换器中气路、热交换器中液路、液冷管路出口进行连接，热交换器中气路的另一端分别与风机二、温度测量传感器、压力测量传感器、氧气管路控制阀门连通，氧气管路控制阀门与供氧管路入口连接，风机二排气口与通风管路出口连接并用于对净化后的空气进行加压，重新送入应急压力服内部，通风管路出口与舱内应急压力服的供气接口连通，以能将净化后的气体送入应急压力服内部，热交换器中液路的另一端与液冷控制阀连接，液冷控制阀与液冷管路入口连接，控制单元用于记录传感器数据，并通过传感器数据对阀门开度进行调整，控制单元分别与风机一、风机二、温度测量传感器、压力测量传感器、氧气管路控制阀门、液冷控制阀电连接，由此形成闭式循环。

其中，所述液冷管路入口、液冷管路出口和热交换器，能通过舱内环控生保系统获取冷量，对循环气体进行冷却，以带走应急压力服内人员体表废热。

其中，所述二氧化碳消除系统能对循环气体中的二氧化碳进行消除，可以采用lioh吸收二氧化碳形成lico3的形式，或固态胺吸附co2等形式。

其中，所述供氧管路入口，能对人呼吸消耗的氧气及泄露损失氧气进行补充。

其中，氧气气源由舱内环控生保系统的气瓶供给。

本发明的优点在于：

能充分利用现有舱内应急压力服系统和生命保障系统，形成闭式生命保障循环，最大限度降低氧气消耗，具有实现长时间生命保障的可行性，为未来载人深空探测提供支撑。

附图说明

图1为显示了本发明一具体实施方式的基于应急压力服的闭式循环系统使用时的结构示意图，

其中：501为舱内应急压力服，502为内部人员，503为舱内应急压力服上的供气接口，504为舱内应急压力服上的泄压接口，505为供气管路，506为排气管路，507为闭式生保系统，508为供氧管路，509为液冷进入管路，510为液冷排出管路，511为舱内环控生保系统。

图2为本发明一具体实施方式的基于应急压力服的闭式循环系统示意图，其中101为通风管路入口，102为通风管路，103为风机一，104为管路，105为二氧化碳消除系统，106为管路一，107为热交换器，107-1为热交换器中气路，107-2为热交换器中液路，108为通风管路，109为风机二，110为通风管路出口，201为液冷管路入口，202为液冷管路一，203为液路控制阀，204为液冷管路二，205为二氧化碳消除系统冷却管路，206为液冷管路三，207为液冷管路出口，301为供氧管路入口，302为氧气管路，303为氧气管路控制阀门，304为供氧管路，401为控制单元，402、403分别为氧气管路控制阀门线缆、液路控制阀线缆，404为压力测量传感器，405为温度测量传感器，406为风机控制线缆，407、408分别为温度测量传感器线缆、压力测量传感器线缆，409为连接线缆一，410为电连接器，411为线缆电连接器，412为连接线缆二；

图3显示了本发明舱内应急压力服内部通风的过程示意图，其中501-1为通风进口，501-2为通风管路，501-3为头盔内出风口，501-4为回风管路，501-5为通风泄压出口，501-6为气密服装。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构进行详细说明，这些具体实施方式仅用来示例本发明，并不旨在对其保护范围进行任何限制。

参见图1，图1为显示了本发明一具体实施方式的基于应急压力服的闭式循环系统使用时的结构示意图，其中，本发明的基于应急压力服的闭式循环系统，包括密闭舱体内的开式循环应急压力服501，舱内应急压力服501内为内部人员502，一般开式循环应急压力服为单通道进气，单泄压阀排气；图中所示503为舱内应急压力服上的供气接口；504为舱内应急压力服上的泄压接口；505为供气管路，用于将舱内应急压力服上的供气接口503连接至闭式生保系统507；506为排气管路，用于将连接舱内应急压力服上的泄压接口504连接至闭式生保系统507；507为闭式生保系统，为本发明内容，508为供氧管路，用于为本系统供氧，509、510分别为液冷进入管路、液冷排出管路，用于为本系统提供换热，511为舱内环控生保系统，是载人航天器内部现有接口。

其中，舱内应急压力服501位于航天器内部，表面具有供气接口503和泄压接口504，用于在发生紧急失压事故时对舱内应急压力服进行供气和泄压，供气接口503通过供气管路505与闭式生保系统507相连接，用于提供冷却后的氧气，泄压接口504通过排气管路506与闭式生保系统507相连接，用于对人员呼吸、换热后的气体进行回收，内部人员502穿着舱内应急压力服501，并固定头盔、手套等组件，进行气密性检查等操作，确保所有连接部位为密封结构，闭式生保系统507位于航天器内部，闭式生保系统507与舱内环控生保系统511的连接包括供氧管路508、液冷进入管路509、液冷排出管路510，其中供氧管路508用于对人员代谢消耗的氧气进行补充，液冷进入管路509、液冷排出管路510用于对本系统提供冷量。

参见图2，图2具体显示了本发明的一具体实施方式的基于应急压力服的闭式循环系统示意图，其中101为通风管路入口，与本系统内部通风管路102连接，102为通风管路，管路与风机一103连接，103为风机一，通过管路104与二氧化碳消除系统105连接，104为管路，105为二氧化碳消除系统，其中气路进口通过管路104与风机一103连接，气路出口通过管路一106与热交换器连接，水冷入口与液冷管路二204连接，水冷管路出口与液冷管路三206连接，106为管路一，107为热交换器，其中107-1为热交换器内部气路，其入口与管路一106连接，出口与通风管路108连接，107-2为热交换器内部液路，其进口与液路控制阀203连接，出口与液冷管路而204连接，108为通风管路，依次安装有压力测量传感器404和温度测量传感器405，最后接连接至风机二109，109为风机二，与通风管路出口110连接，110为通风管路出口，201为液冷管路入口，依次连接至液冷管路一202，液路控制阀203，并进入热交换器内部液路107-2，并连接至液冷管路二204，二氧化碳消除系统205的冷却管路，液冷管路三206及液冷管路出口207，301为供氧管路入口，通过氧气管路302连接至氧气管路控制阀门303，最后通过供氧管路304汇入通风管路108，401为控制单元，通过温度测量传感器线缆407连接至温度测量传感器405，通过压力测量传感器线缆408连接至压力测量传感器404，通过风机控制线缆406连接至风机二109，通过氧气管路控制阀门线缆402连接至氧气管路控制阀门303，通过液路控制阀线缆403连接至液路控制阀203，通过连接线缆一409连接至电连接器410，电连接器401可以通过线缆电连接器411与连接线缆二412连接。

其中，闭式生保系统507中的通风管路入口101，通过管路与舱内应急压力服的泄压阀连接，用于对其内部的通风气体进行回收；通风管路二102，用于将回收的气体送入风机一103；风机一103，用于提供通风气体流动的动力，并将气体沿管路104送入二氧化碳消除系统105；二氧化碳消除系统105，用于对人呼出气体中的二氧化碳、水汽进行消除，由于人呼出的气体中含大量二氧化碳，在送风前需要对其进行消除或还原，一般为可更换或再生式结构，可选择氢氧化锂和固态胺，前者使用oh-吸收二氧化碳后变为co3-，即lioh吸收二氧化碳形成lico3,为消耗性反应(不可逆)，后者是采用若干个微孔结构的树脂基材料，在常温、有压力环境下可以吸收二氧化碳，在加热、真空环境下可以释放二氧化碳(再生)，这两种方法都可以用于本系统；热交换器107，用于通过环控生保系统中的液冷管路对通风气体进行冷却，一般为板翅式、管翅式等高效换热器，107-1为热交换器内气路，107-2为热交换器内液路；108为通风管路；风机二109用于对净化后的空气进行加压，重新送入应急压力服内部，可以为离心、轴流形式；通风管路出口110，与舱内应急压力服相应接口对接后，可以将净化后的气体送入应急压力服内部。

液冷管路入口201用于与舱内的环控生保系统对接以获取液冷；液冷管路一202，用于连接液冷管路入口201与液路控制阀203；液路控制阀203，通过调整控制阀的开度，可以调整冷却液流量，进而对通风气体的温度进行调整，以满足不同状态人体的散热需求；液冷管路二204，用于连接液路控制阀203和二氧化碳消除系统冷却管路205；二氧化碳消除系统冷却管路205，用于对二氧化碳消除系统进行冷却，带走其工作过程中产生的废热；206为液冷管路三，207为液冷管路出口，用于与舱内的环控生保系统对接，将参与换热后的冷却液送回环控生保系统进行重新冷却。

供氧管路入口301，用于与舱内的环控生保系统对接以获取氧气供给；氧气管路302，用于将经过供氧管路入口301进入的氧气送至氧气管路控制阀门303；氧气管路控制阀门303，通过调整阀门的开度，可以对系统补充的氧气量进行控制，以满足不同工作状态下的人体需求，供氧管路304，用于与通风管路108相连，对其内部氧气进行补给。

控制单元401，用于记录传感器数据，并通过传感器数据对阀门开度进行调整；402、403分别为氧气管路控制阀门线缆、液路控制阀线缆，用于对相应阀门进行控制，并读取工作状态；404为压力测量传感器，用于对通风循环系统内部的静压进行测量，以对通风进入的氧气量进行控制；405为温度测量传感器，用于对通风气体的温度进行测量，以对液冷管路控制阀门的开度进行反馈控制，406为风机控制线缆，用于对风机进行控制，以控制通风气体流量；407、408分别为温度测量传感器线缆、压力测量传感器线缆，用于对相应传感器进行测量；409为连接线缆，用于将控制单元与电连接器410连接；410为电连接器，固定于本发明机箱上，用于提供电接口；411、412分别为线缆电连接器和线缆，用于通过外界对系统的工作状态进行读取和设定。

参见图3，舱内应急压力服501内部通风的原理示意图，其中501-1为通风进口，位于舱内应急压力服501的表面，501-2为通风管路，布置于舱内应急压力服501内部，501-3为头盔内出风口，位于舱内应急压力服501的头盔内部，通风气体从头盔内流出，并逐渐流向肢端进行散热，501-4为回风管路，布置于舱内应急压力服501内部，501-5为通风出口，位于舱内应急压力服501的表面，气体由通风入口501-1流入通风服，与人体换热后，最后由回风管路501-4流向通风出口501-5，最后通过排气管路506流入闭式生保系统，进行冷却后重新送入通风服，501-6为气密服装，即外侧的承压层。

在一种典型的应用模式下，其具体使用方法如下：

a)在航天器发生失压时，航天员根据当前的失压速率计算当前的资源余量的最大支持时间，决定是否进行返航；

b)若漏孔较大，现有资源不足以长期维持舱内的压力制度(60kpa左右)时，航天员启动返航程序，将本系统与舱内环控生保系统对接；

c)航天员穿着应急压力服，将服装接口与本系统对接，并进行检漏程序；

d)系统正常后，开启本系统，进行闭式循环，将舱内环控生保系统的维持压力降低以降低系统的泄露量；

e)此时舱内工作于降低压力下，随漏孔泄露空气得以最低化。同时，本系统对舱内应急压力服通入冷却后的氧气，满足人员呼吸、散热的需求，并对其中二氧化碳进行消除；

f)在需要进行进食、饮水、故障修复等操作时，恢复部分舱内压力后进行操作；

g)重新穿戴应急压力服，进行检漏程序后开启本系统进入闭式循环，将舱内环控生保系统的维持压力降低以降低系统的泄露量；

h)重复以上过程，直到返回地面为止。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。