0 引 言
针对电子单机类设备在轨维修技术的研究，对提高中国空间站电子设备可靠性和长寿命运行具有重大意义[1]。其中，电子设备的在轨精细级维修，尤其是焊点维修、元器件更换，均涉及焊接操作。根据美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的统计数据，电子设备中的间歇性故障占比高达50％，而焊接与连接问题在这些故障中占比80%[2]。然而，在轨焊接的难度极大。1984年，苏联两名航天员携带手持式焊接工具VHT进入太空，在“礼炮”7号空间站舱外完成了人类历史上首次太空舱外焊接作业[3]。而舱内焊接目前尚无相关研究成果或成熟技术方案，我国也未曾开展过在轨舱内焊接。
对于载人航天器而言，舱内环境一直是科研工作的重点。Ramsden等[10]设计了一套航天器座舱环境监测用传感器，以确保二氧化碳、挥发性有机污染物等的浓度保持在可接受的范围内。此外，科研人员已针对密闭空间及在轨环境的污染物处理展开了一系列探索。从控制污染产生的角度，王敏[11]提出，为降低对空间环境的污染，在轨焊接要求尽量减少焊料及辅料的应用，但这难以完全消除焊接所带来的污染。Wu等[12]针对密闭空间中空气污染物治理问题开展研究，提出了一种适用于在轨维修等密闭环境的空气净化方法，特别关注有害物质（包括废气、废液、废物，简称“三废”）在空间环境中的处理与控制。文中研究设计并搭建了一种集成多种净化技术的空气处理系统，该系统包括物理过滤、化学吸附、光催化氧化等多个环节，能够高效去除有害颗粒、挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）及微生物污染物。同时，研究者通过实验模拟了不同污染负荷和工作条件下的系统运行效果，验证其在密闭环境中的空气净化效率和稳定性。研究表明，该系统具备在航天器舱内、空间站等在轨维修环境中应用的可行性。
本文针对传统净化装置难以直接应用于航天场景，且现有处理系统普遍存在设备体积与处理效率的固有矛盾。故本文以研制出具有紧凑型结构特征的新型有害气体净化装置为目标，提出面向在轨环境的智能有害气体净化器整体解决方案。
具体而言，即通过机械结构创新设计与多物理场耦合仿真相结合的研究方法，系统性地完成从物理装置设计到空间环境适应性验证的全流程开发。首先构建基于微重力流体特性的三级净化结构，集成机械过滤、有害气体吸附和催化氧化模块。其中，机械过滤模块通过多级过滤系统[包括高效微粒空气过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter，HEPA）和活性炭吸附模块]，结合微重力优化的流体动力学结构，能够高效捕获并净化焊接过程中产生的VOCs和金属颗粒物。随后开展电路控制系统设计，实现净化过程的智能调控；最终通过COMSOL Multiphysics平台建立三维瞬态仿真模型，通过引入相场法和能量源项，精确刻画焊锡膏气化、废气传输及过滤系统的动态响应，验证系统在空间站典型工况下的净化效能。
1 有害气体净化器设计概述
1.1 气体净化器结构设计
净化器的设计目标是在微重力环境下实现高效的清洁功能。与常规吸尘设备相比，有害气体净化器在设计中必须应对在轨特殊的环境因素，如微重力、温差极端变化、封闭环境等[14]。因此，有害气体净化器的结构设计需要具备足够的灵活性、便携性和高效的工作能力，以应对不同的作业需求。
有害气体净化器的主体部分为一个紧凑、轻质的腔体，内部集成了吸尘系统和控制模块。主体采用铝合金外壳，表面经过阳极氧化处理，具备抗辐射、耐腐蚀和耐高温的特性，能够承受在轨中极端的环境条件。主体部分集成了吸尘系统，包括过滤网、风机和吸尘通道。其外形设计考虑了在狭小空间内的安装和操作便利性，确保它能在空间站等有限环境下的灵活使用。
主体部分的设计目标是提供稳定的吸力，并确保在微重力环境下的安全运行。吸尘系统中的风机采用无刷直流电机，具备高效低噪声的特点，能够在不同的工作模式下调节风速，以适应不同的清洁需求。有害气体净化器主体结构如图1 所示。
有害气体净化器配备了柔性吸风管道，该管道采用耐高温和耐紫外线的硅胶材料制成，具备良好的柔韧性，能够轻松绕过障碍物并调整形状，以适应不同作业环境。管道的入口端为圆形吸风口，直径设计为20 cm，能够最大限度地捕捉漂浮的微粒、灰尘和有害气体。
管道与主体通过快速连接件相连，操作人员可根据实际需求拆卸或更换不同尺寸的吸风管道，以提高清洁效率。在有害气体净化器工作过程中，管道能够灵活地根据作业环境调整位置，并确保持续稳定的空气流动。
有害气体净化器的过滤系统采用多级过滤方式，以应对在轨环境中的微小颗粒和有害物质。过滤系统组成及功能如图2 所示。
通过这些多级过滤，确保污染物在被空气净化器处理之后可以达到排放标准，不会对在轨舱内的空气质量造成二次污染。
有害气体净化器配备了一套六自由度的机械臂结构，用于辅助调整吸风管道的位置。该机械臂由多个关节组成，能够实现前后、左右、上下移动以及旋转动作，确保有害气体净化器能够覆盖不同角度的清洁区域。机械臂的应用使操作人员能在一些复杂或狭窄的空间中，通过机械臂精确控制吸风管道的移动，从而达到高效清洁。有害气体净化器固定支架设计示意如图3 所示。
机械臂的材料选用了轻质铝合金，并配有高强度的连接关节，能够适应在轨中的低温和微重力条件。此外，机械臂具备手动控制和自动控制两种模式，操作人员可以根据实际需求进行选择。
为解决微重力环境中的设备漂移问题，确保有害气体净化器在微重力环境下能够稳定工作，有害气体净化器设置了固定支架系统。该支架由轻质抗腐蚀材料制成，可以将有害气体净化器固定在轨舱的不同位置，避免在吸尘过程中发生漂移或位移。固定支架具有灵活的调整能力，不会影响吸风管道和机械臂的正常操作，确保有害气体净化器能在各种复杂作业场景中有效工作。
通过以上结构设计，有害气体净化器能够有效应对在轨特殊环境中的清洁需求，确保航天员工作环境的洁净和安全。
1.2 控制与电路设计
有害气体净化器的电路设计，需要在轨微重力及辐射环境下保证系统的稳定性和高效运行。为实现这一目标，有害气体净化器的控制与电路设计着重围绕在轨微重力及辐射环境下的稳定性与可靠性展开，总体控制如图4 所示。其核心是以TPS5430QDDARQ1芯片构建的高可靠性双路DC-DC降压稳压电路，电路原理图如图5 所示。该电源管理模块为整个系统提供纯净、稳定的工作电压，并通过滤波、保护和状态指示电路确保供电质量。控制中枢由微控制器承担，它负责处理来自风速、温度等传感器的实时数据，并据此对风机、电机等执行机构进行精确调控。针对核心的动力部件，设计采用了无刷直流电机及其驱动电路，通过电位器实现对转速与吸力的精确控制，并集成了过流保护功能。在电路实现层面，系统通过模块化的双层印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）进行集成，并对关键信号实施屏蔽，从而有效提升信号完整性与系统抗干扰能力，最终确保控制指令的准确执行，以及整个电路系统在苛刻环境下的长期稳定运行。
2 多物理场耦合仿真
本文基于气液两相流动及传热理论[15]，结合COMSOL软件中的相场模块和传热模块，构建了有害气体净化器工作过程的二维仿真模型。该模型通过连续性方程、动量守恒方程、能量方程和Cahn-Hilliard相场方程，来描述助焊剂气液两相流动及传热现象。在此基础上，利用相变模型，通过源项的引入模拟助焊剂的加热汽化和内部风扇的抽吸过程。
为了更好地实现仿真模拟，在能量方程中增加了热源项，用于表示烙铁加热对助焊剂输入的能量；在连续性方程中添加质量源项，以模拟相变过程中的质量变化；在Cahn-Hilliard方程中引入相场源项，描述气液界面随时间的动态演化。此方法在考虑相变过程中传热和传质效应的同时，满足了精确追踪气液两相界面演化的需求。
2.1 模型假设与边界条件
为简化模型，假设如下：助焊剂与空气之间的界面清晰，不存在混合区域；助焊剂气化后的气体视为理想气体，且温度均匀分布；液相助焊剂的流动受重力影响可忽略不计，主要考虑烙铁加热引起的温度场变化；内部风扇的抽吸作用主要在空气中起作用，对助焊剂气体的吸收效率视为100%。
模型结构采用二维几何建模。助焊剂区位于模型下半部分，顶部为空气，助焊剂区的底部设定为热通量边界条件，以此模拟烙铁对助焊剂的加热过程。
助焊剂受加热气化，顶部设置有风扇用于抽吸气体。在模拟过程中，风扇附近设定为出口边界条件，以确保气体能够迅速排出系统。具体边界条件如下：
（1）底部烙铁加热区域下方边界设定为热通量边界，表达式为：
式中，h为传热系数，Ts为表面温度，T∞为周围流体温度。
（2）顶部风扇区域设为速度出口边界条件，风扇作用下出口速度设定为一定值。
（3）侧壁与其余区域设定为润湿壁面，保证液相在壁面上的附着和流动。
（4）相场边界条件。在焊锡膏助焊剂和空气交界处使用相场模型，模拟气液界面变化，并考虑相场中的弱贡献项。
2.2 方程建立
为了模拟助焊剂在加热过程中由于相变引起的质量传递，体现气液两相之间的质量交换，建立以下方程：
连续性方程为：
式中，ρ为流体密度，u为速度矢量。进行修正后的方程为：
式中，Sm为相变过程中的质量源项，表达式为：
式中，$ \dot{m} $ 为质量流率，δ为界面函数，用于描述气液界面的厚度。
为了描述气液两相流体的运动现象，建立以下方程，其中外力项F可用于表示内部风扇引起的强制对流效应。
动量守恒方程为：
式中，p为压力，μ为流体的黏度，F为外部作用力。
为了模拟加热过程中温度场的分布及相变引起的能量吸收与释放，建立以下方程：
能量方程为：
式中，cp为比热容，T为温度，k为导热系数，Q为热源项，表示烙铁加热导致的能量输入。进行修正后的方程为：
式中，Qs为相变过程中的能量源项，表示为：
式中，$ \dot{m} $ 为相变质量流率，L为潜热，δ为界面函数。
为了精确追踪助焊剂汽化后气体与空气之间界面的动态演化，建立以下方程：相场方程。
相场法基于Cahn-Hilliard方程，用于描述气液两相界面演化。具体形式为：
式中，ϕ为相场变量，γ为迁移率，ε为界面宽度控制参数，f(ϕ)为自由能密度函数。该方程用于追踪助焊剂气化后的气体和空气的界面变化。进行修正后的方程为：
式中，ϕsource为相场源项，表示相变过程中的相场贡献：
2.3 网格划分与初始条件
模型的网格划分采用非结构化三角形网格，助焊剂区和空气区网格密度不同，助焊剂气液两相区域的网格划分较为精细，以提高相场方程的计算精度。在靠近风扇的出口区域，适当加密网格，以便捕捉空气流动的细节特征。本文针对有害气体净化器内部流场与传热过程模拟所采用的网格划分结果示意图如图6 所示。网格划分基于COMSOL Multiphysics仿真平台完成，采用了自适应加密与局部加密结合的策略，以兼顾计算精度与仿真效率。具体设置如下：
（1）网格类型。非结构化四面体网格，适用于复杂流场边界与局部细节区域。
（2）总单元数约385 000个。
（3）局部加密区域。在关键结构（如滤芯边缘、气体入口处）进行细网格加密处理，单元最小尺寸约为0.2 mm。
（4）远离关键部位的简化区域。适当采用较大单元，单元最大尺寸控制在2.0 mm以内。
（5）加密目的。确保在焊接产生的高浓度有害气体扩散路径、涡流区及吸附模块附近，流体动力学与传热模拟结果具有较高精度。
通过合理的网格划分策略，本文模型能够在保证整体仿真误差小于5%的前提下，显著降低计算资源消耗与仿真时间，为后续净化效率分析与设计优化提供坚实的数值基础。
助焊剂区域的相场变量设为ϕ=1，空气区域设为ϕ=−1。
初始条件设定如下：助焊剂为液相，空气为气相，温度初始值均设定为环境温度T0=293.15 K。助焊剂温度初始值设定为T0，空气初始温度同样设为T0。液相初始流速为0，空气区域内风扇出口区域设置为自由传递通量0.01 m3/s。压力设置为一个标准大气压，电烙铁部分基础热流为105 W/m2，变化热流为q0+0.1q0sin(2pift)，加热频率为0.2 Hz。
风机的空气流量Q和所需功率P可以用以下表达式估算：
式中，P为输入功率，单位为W；ΔP为风机的压差，单位为Pa；Q为体积流量，单位为m3/s；η为风机+电机的总效率（通常为0.4~0.7）。
小型轴流风机的典型压力差在50~300 Pa。小型离心风机可以达到100~500 Pa，输入功率为10 m3/s。假设风机的压差ΔP=100 Pa，效率η=0.5，则：Q=10×0.5/100=0.05 m3/s。所以，风扇设置自由传递通量为0.05 m3/s。
3 有害气体净化器工作过程仿真
本文利用COMSOL Multiphysics软件，对有害气体净化器工作过程中的流体传热、气液两相流动进行了数值仿真。该仿真模型结合了焊锡膏助焊剂的汽化过程、空气的流动以及废气的排放情况，并对气相与液相的相变过程进行了研究。
3.1 微重力下有害气体净化器的工作仿真
本文利用相场法与传热模块相结合的方式，通过二维模型对焊锡膏助焊剂与空气两相流动及传热过程进行了数值模拟。在模型下方设置的一个模拟烙铁，通过施加热量使助焊剂汽化，所生成的废气在上方空间通过设定的风扇装置被吸收，如图7 所示。整个过程涉及焊锡膏的气液两相流动和传热现象。
在整个仿真过程中，助焊剂与空气的界面受相场方程约束。随着温度的变化，助焊剂发生汽化，并通过风扇装置被排出系统。此模型中的边界条件设置如下：焊锡膏助焊剂区域的旁边为热通量边界，上方为出口边界，见图8 。模型正上方为出口，边界条件设定为流体自由出口；助焊剂下方的加热区域采用恒定热通量边界条件。
本文的仿真结果显示，在微重力条件下，助焊剂加热后迅速气化，形成两相流动。气体在风扇的吸引作用下，沿流动方向排出系统。仿真过程中，烙铁的加热速率、助焊剂的流动速度及气化过程得到了有效模拟，验证了模型的正确性。
3.2 仿真结果与分析
为确定实际进入有害气体净化器的废气比例，本文使用质量流率对比法，即通过在仿真过程中设置探针，分别检测气液界面处的质量流出率和风扇出口区域的质量流率，并对两者进行数值对比分析，从而计算得到废气被有效吸入净化器的比例。
具体方法是，在COMSOL仿真模型中，于气液两相界面附近以及风扇出口处分别设置质量流量监测探针。探针的布置位置如图9 所示，探针P1设置于气液相变界面区域，探针P2则位于风扇出口附近区域。在仿真过程中，通过实时采集探针处的质量流率数据，能够直接得到气液界面质量流出率以及风扇出口处的实际质量吸入率。
质量流率在模型中的表达式为:
式中，intop1为数值积分算子，spf.rho为流体密度场，u、v为二维速度分量，nx、ny为控制面网格单元的法向量分量，ΔSi为第i个网格单元的面积。
质量流率（单位为kg/s）表示单位时间内通过某表面的流体质量。其表达式为：
而由于本文使用的是二维模型，因此积分沿一维边界进行。其表达式为：
通过对不同时间段探针测量到的数据分析发现，助焊剂受热初期，气液界面产生的质量流出率较高。随着加热过程的持续进行，气化速度逐渐降低，到达稳态时，质量流出率趋于稳定。与之对应的是风扇出口探针处质量流率，其整体趋势较为稳定。在整体数值方面，起初略低于界面质量流出率，随后高于界面质量流出率。
将稳态时段的探针数据进行积分计算，分别得到气液界面处的总质量流出量和风扇出口处的实际抽吸量，并依据式（17）计算进入净化器的废气比例为：
式中，η为废气进入净化器的实际比例，mout为风扇出口探针处所测量到的质量总流量，minterface为气液界面探针测量到的总质量流量。
在稳定后，焊锡膏界面质量流量为0.015 745 kg/s，风扇界面质量流率为−0.016 725 kg/s，$ \eta $ 为106%。
经过计算可知，在稳态运行工况下，所有的废气通过风扇的抽吸作用成功进入了净化器。这表明所设计的内部风扇在引导废气进入净化器方面效果显著，有效保障了净化器的实际净化效率。此外，仿真结果也显示了风扇出口质量流率在整个气化过程中的稳定性，这与前述温度场分布及两相界面动态演化的分析结果相符，进一步验证了本文模型建立方法与仿真设置的合理性与准确性。
计算结果表明，在100 Pa的压差下，2 W的风机就足够提供0.05 m3/s的流量。所以，5 W的电机理论上是足够的。
综上所述，通过质量流率对比法对气液界面处与风扇出口处的探针监测数据进行分析，验证了本文模型中内部风扇对废气的高效捕获能力，为实际工程应用中有害气体净化器的设计优化提供了有效的仿真依据。
4 结 语
本文针对维修时产生有害气体，但传统净化装置难以直接应用于航天场景这一特殊需求，提出了面向在轨环境的智能有害气体净化系统整体解决方案，并取得了以下主要成果：
（1）针对在轨环境中焊锡膏使用过程中产生的有害气体污染问题，设计了一种适用于微重力环境的智能有害气体净化器。对机械结构和电路系统开展了详细设计，提出了以多级过滤系统为核心的净化方案。通过集成轻质铝合金主体、多级过滤系统（前置滤网/HEPA/活性炭/MOF808）以及六自由度机械臂，实现了微重力环境下对有害气体的精准定位与高效吸附净化。电路设计采用多层PCB架构，集成了TPS5430QDDARQ1电源管理芯片与传感器网络，确保在极端温度与辐射条件下的稳定运行，并通过过压/过流保护机制提升系统可靠性。
（2）通过COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真，构建了气液两相流动与传热模型，引入相场源项与能量源项模拟微重力下焊锡膏气化过程。仿真结果表明，净化器在风扇负压驱动下可形成稳定气流路径，废气净化效率高，气相界面动态演化验证了净化系统的有效性。固定支架设计与柔性吸风管道的协同作用，有效解决了微重力环境中的设备漂移问题。本文通过“设计-仿真”进行验证，为在轨维修作业提供了安全可靠的有害气体处理解决方案。
综上所述，研究结果表明，该净化器在仿真环境下，其净化系统在风扇负压驱动下可形成稳定气流路径，可实现对有害气体的快速吸附与净化，废气净化效率高；计算结果与仿真结果相符，进一步验证了系统在空间站典型工况下的净化效能，为后续工程化应用奠定了理论基础。