天天亮点!空间站降噪:让航天员舒适地工作生活

来源:科普中国

神舟十四号航天员乘组已经进入天宫空间站两个多月,他们在空间站上的工作和生活情况是大家关心的话题。近日,关于中国空间站睡眠区如何控制噪声,为航天员提供安静舒适的工作生活环境,成了很多人讨论的话题。那么,大家熟知的那几个空间站的噪声水平如何?为保障航天员健康又采取了哪些降噪措施?

中国空间站航天员睡眠区


(资料图片)

难以安睡的早期空间站

休息和睡眠是人消除疲劳和恢复体力、精力的必要条件,但过大的噪声会让人难以休息甚至无法入睡。研究发现,人在入睡后即使40-50分贝的低噪声也会影响到睡眠状态,使人无法得到充分休息。

噪声如果超过80分贝,喧哗吵闹的环境会严重干扰人的精神状态,无法集中精力工作,长时间的强烈噪声还会造成听力下降甚至失聪。同时,噪声还会损害心脑血管,引发神经系统和内分泌系统功能紊乱。

由于噪声污染的危害,各行各业都制定了环境噪声排放标准。例如,我国生态环境部2012年公布的建筑施工场界环境噪声排放标准,要求白天限值不得超过70分贝,夜间不能超过55分贝。船舶行业的国际标准ResA.468(XII)要求,居住舱室的噪声上限是60分贝。

虽然科研人员对载人飞船和空间站的噪声做了处理,但早期空间站的噪声仍然很大。苏联科研人员为降低空间站噪声,将第二代礼炮号空间站内部隔音层的厚度增加了5%。第三代和平号空间站的降噪措施又有了一定提高,但整体仍然过大。

俄罗斯对空间站工作区和睡眠区的噪声指标要求是不高于60和50分贝,但当欧美航天员进入俄罗斯空间站时仍抱怨说,“和平号空间站的环境噪声太大,无法好好地睡觉。”

国际空间站上俄罗斯舱段沿袭了“和平号”时代的技术,欧美国家航天员表示,俄罗斯舱段的噪声达到72~78分贝,睡眠区也有65分贝。要知道,这还是噪声有所改善的俄制第三代空间站,早期“礼炮号”的环境噪声更惨不忍睹,航天员在空间站上工作时间久了之后,其听力出现问题的屡见不鲜。

多管齐下效果显著

空间站内部较大的环境噪声严重危害航天员的身心健康,因此科研人员绞尽脑汁多管齐下降低空间站的环境噪声,并取得了较大成就。

空间站上的噪声来源主要是风机、泵和控制力矩陀螺等设备,无论是天上还是地下,控制噪声不外都是吸声、隔声和减振等手段。

针对国际空间站俄罗斯舱段的高噪声,美俄联合开展降噪工作,更换了通风设备、空调设备和二氧化碳去除装置等声源,还更改了声源设备的位置,专门设计了静音风扇取代常用风扇。通过采取一系列措施后,俄罗斯服务舱的环境噪声降低到63分贝。

国际空间站航天员睡眠区

针对俄罗斯舱段的睡眠区降噪问题,科研人员对主声源回风管道的风扇进行改进,将它从刚性连接改为安装在隔振器上,还在进风口和出风口增加了吸声内衬。通过种种措施将睡眠区的噪声降低了14分贝,但仍高于50分贝的要求。

2021年,欧空局航天员发布了一段带领大家参观国际空间站的视频,从实际表现看俄罗斯舱段的噪声很大,日本希望号实验舱较好,欧空局哥伦布实验舱的噪声最大,而美国的团结号节点舱和命运号实验舱的环境噪声最低。

美国舱段结合噪声仿真、地面试验和使用经验,在设计阶段将睡眠区单独隔离降低噪声,并辨识主要声源及其位置,在设计和使用中优化改进通风风道和风机,还研制了新的静音风扇,以及改进关键泵机的设计,以此降低单机产生的噪声。

当然,也少不了减振和吸声等设计,有效降低了噪声水平。美国舱段综合采用多种降噪隔声设计后,其环境噪声低于60分贝,是国际空间站主要舱段中噪声最低的。

中国空间站也大力开展降噪工作,经过相关设计团队一年半的技术攻关,通过加装隔振器和睡眠区隔离降噪等方式,使工作区噪声从71分贝降低到58分贝,睡眠区从58分贝降低到49分贝,整体噪声水平低于国际空间站,为我国航天员的工作、休息和睡眠提供了很舒适的环境。

中国空间站航天员睡眠区

未来降噪仍需努力

中国空间站凭借后发优势,以及科研人员的不懈攻关,其工作区环境噪声保持在60分贝以下,睡眠区降低到49分贝,比国际空间站的美国舱段还要低。

正常情况下,人睡眠环境的噪声在30~50分贝之间,30~40分贝相当于正常环境噪声,能比较安静舒适地睡眠,而40~50分贝属于人正常谈话的声音环境,大部分人的睡眠会受到一定影响。

随着航天员飞向月球甚至火星等深空目的地,漫长的飞行时间或是月面/火星基地的长时间驻留,对空间站等航天器的降噪技术提出了更高要求。为在长时间的深空任务中保证航天员的身心健康,未来空间站还需要进一步降低噪声。

空间站等航天器要降低噪声水平,需要在设计阶段充分重视噪声环境,从制定合理的系统噪声标准开始,进行系统噪声环境仿真分析,辨识主要噪声源并分解到各个分系统和单机。

针对重点声源进行重点降噪设计,并进行地面噪声检测和测试,在设计阶段就实现高效降噪。空间站入轨后,对环境噪声进行定时定点监测,利用实际监测数据为地面进一步的降噪设计提供依据。

总的说来,空间站的降噪工作是长期性的,反复迭代推进的过程。

单从技术上讲,由于空间站长时间处在密闭的独特环境里,地面汽车、船舶甚至飞机使用的很多降噪材料不能直接用于空间站,必须经过抗菌抗霉试验合格才能选用,但地面降噪技术和材料的进步,为空间站降噪提供了借鉴方向。

未来,空间站可以选用新型低噪声风机和泵,从源头降低噪声排放;还可以借鉴飞机和潜艇上的新型减振和隔振装置,降低噪声的产生和对外传播。

远离噪声源也是降噪的重要手段,空间站从多舱式发展到桁架式结构,把控制力矩陀螺以及泵等主要声源放置到远离睡眠区的地方,也能显著降低环境噪声。对于航天员睡眠区来说,独立分割并优化布局设计,也能有效降低噪声。

总之,随着系统级降噪设计的进步,空间站噪声环境检测和反馈改进,以及新一代降噪技术的应用,空间站的噪声环境可能降到更低的水平,满足航天员长时间在太空飞行的工作生活需求。

关键词: 环境噪声 国际空间站 降低噪声

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