Holly Smith-Dalenberg1，Christopher S.Allen2，José G.Limardo-Rodriguez2
1: MEI Technologies
2: NASA, Lyndon B. Johnson Space Center
原文：The challenges and successes of passive acoustic treatments on the International Space Station
来源：interNoise 2021
国际空间站（ISS：International Space Station）目前由16个加压舱组成，这些航天舱为生活在低地球轨道上的宇航员提供了宜居的环境，但维持生命所需的设备也创造了一个噪音不断的干扰环境。这些舱依靠舱内和舱间通风（IMV：InterModule Ventilation）风扇来循环和控制空气并排出二氧化碳。泵组组件（PPA：Pump Package Assemblies）在舱内循环冷却液以散热。位于机架上或安装在过道上的有效载荷和政府提供的设备（GFE：Government-Furnished Equipment）依靠其单独使用的风扇来交换热空气和温和的客舱空气。
航天舱内还可能具有独特的硬件，在使用时会加剧其噪声干扰环境。安宁（Tranquility），也被称为节点3，包括组合运行承重外部阻力的设施（COLBERT或T2）及废物和卫生隔间（WHC：Waste and Hygiene Compartment）。T2产生显著的皮带噪声，在最高速度下，在运行人员头部位置接近85 dBA的危险噪声限值，WHC依靠风扇的吸力收集废物[1]。
国际空间站(International Space Station)，简称ISS，是一个由六个国际主要太空机构联合推进的国际合作计划。从1998年11月第一个曙光号功能货舱升空算起，国际空间站至今已升空20余年，各国宇航员在此做过无数实验，帮助人类进一步了解无边的宇宙。这个耗资上千亿美元的巨大人工天体，是人类航天领域和工程学的瑰宝。与地面工作环境不同，在轨宇航员在工作日结束时没有离开国际空间站的选择权，因此这种固有的噪音环境需要进行有效控制，以确保安全的噪音暴露、连贯的通信、可听见的警报、不间断的睡眠和充分的听觉休息。约翰逊航天中心（JSC：The Johnson Space Center）声学办公室作为维护宜居声学环境的管理员，负责将声学要求分配给航天舱、机架、有效载荷和GFE；并通过测试和/或分析方法验证是否符合这些要求。
对于超出分配声学要求的硬件项目，声学办公室评估超出对航天舱综合环境的影响，并根据项目进度和可用资源权衡噪音控制缓解的可行性[2]。如果超标是短期的和/或对综合环境的影响最小，则声学办公室和国际空间站声学工作组（AWG）可接受超标，并出具例外或安全不合规报告。否则，必须实施额外的噪声缓解措施。声学办公室在很大程度上依赖被动噪声控制处理来缓解噪声[3]。常用的被动噪声控制处理方法包括隔音毯、管道包装物和衬垫、消音器和外壳。这些处理中使用的声学材料的选择必须考虑到独特的国际空间站环境，例如其较高的氧含量，以及材料带来的潜在负面影响，包括火灾传播、异物碎片（FOD）、微生物和真菌生长以及有害化合物的排气。许多在基于地球的应用中表现良好的声学材料解决方案由于无法遵守其中一项或多项限制而被取消在国际空间站上使用。
可居住空间环境对选择用于缓解噪声的被动声学处理方式提出了独特的挑战。在国际空间站，在材料选择过程中必须考虑有关易燃性、微粒释放和排气的严格规定，从而排除了地面应用中使用的许多常见声学处理。约翰逊航天中心声学办公室已经确定了满足这些严格要求的吸声和隔声材料的一小部分，并开发了许多降噪处理方法，包括管道包裹和衬垫、吸声和隔声毯以及消音器。声学办公室使用阻抗和传输损耗管优化这些处理的声学材料布局，同时遵守体积和质量限制原则。未来的声学缓解发展将侧重于防潮和抗微生物材料与处理，这些材料和处理可用于需要更严格清洁度检查的封闭空间，如废物管理隔间和运动设备或健身器材周围的表面。
尽管国际空间站环境面临挑战，声学办公室在JSC设计与分析和材料与工艺部门的指导下，确定了几个被认为可以安全集成在国际空间站中的声学材料。许多被动噪声控制处理装置已经安装并取得了巨大成功。许多在轨噪声控制缓解措施包含定制材料叠层配置中的吸声和/或隔离材料，通过阻抗管循环测试为给定的硬件配置进行优化。
未来的人类航天探索飞行器和航天舱将需要更多的被动噪声控制处理，以承受更高的氧气环境，容纳更小的体积和质量余量，并抵抗微生物和真菌的生长。具有挑战性的吸声处理区域包括高湿度区域，如废物管理系统隔间、运动区或厨房，这些区域可能会促进微生物或真菌的生长。抑制设备产生的噪声也是一个挑战，因为大多数隔声材料依赖于质量来抑制噪声，导致对这些任务不可行和不理想的重型化处理。声学办公室的前期工作包括研究符合这些严格规定的现代被动声学材料。
图1: 在实验室前端口IMV风扇的流量矫直器上收集的FOD
表1: 飞行批准的吸声材料。注：需要用阻燃织物封装的材料
图2: 各种飞行批准材料的垂直入射吸收系数
表2: 飞行批准的隔音材料
表3: 飞行批准的声学材料防护织物
图3: 标准ISS声毯配置
图4: ISS航天员休息区（宿舍）的外部和内部视图
图5: 航天员休息区（宿舍）入口风机减少和关闭移除
图6: 显示排气扇、视线消声器和180°排气消减的排气管
图7: 声学多用途货物转运袋（AMCTB）
图8: WHC和Avionics-2机架前部声学多用途货物转运袋的安装配置
由于其独特、遥远和封闭的宜居环境，在国际空间站实施被动声学处理仍然具有挑战性。未来的勘探车辆和栖息地将减少被动噪声控制处理的体积和质量分配，并且由于其可居住体积小、含氧量高，要求更严格。声学办公室正在利用从国际空间站获得的经验教训，为下一代被动缓解设计提供信息，但仍有一些挑战有待解决。
声学办公室的首要任务是找到防潮、防污、可清洁的吸声材料和防护织物。虽然有效，但目前的材料容易染色，并能吸收水分，从而促进真菌和细菌在狭小的生活空间内生长。用目前的一些防护织物似乎有助于缓解这些问题，但总体配置可能并不总是可行的。表面上的覆盖层应用进一步减少了已经很小的体积。作为结构设计的一部分，实施声学吸附处理可能是一个潜在的解决方案。例如，在结构复合材料板材中加入金属毡是一个可行的选择，但是，必须进行进一步的研究以了解液体在金属毡上的行为。在这个例子中，水分可以聚集在蜂窝口袋中，这可能会促进真菌和细菌在毛毡金属后面的生长。
质量限制也会影响充分抑制噪声的能力。目前国际空间站的隔音处理由于其高密度而有效。未来的工作重点将是具有类似传输损耗特性的轻质隔音板的设计与应用。
确保未来的宇航员拥有一个安全和宜居的声学环境只是任务成功的许多必要条件之一。这些勘探队还需要空气和水质良好、毒理学问题最少的环境。国际空间站在其20年的任务中取得的成功证明，平衡这些对航天器和栖息地的要求是可以实现的，但对于未来的探索任务，这些目标将进一步推动和加强被动噪声控制方面的技术进步。1. Allen, C. S., International SpaceStation Acoustics – A Status Report, Proceedings of the 45th InternationalConference on Environmental Systems, ICES-2015-286, 2015.2. Grosveld, F.W. & Goodman, J. R.Noise Control in Habitable Space Vehicles and Enclosures, Proceedings of theThird IAASS Conference, Rome, Italy, 21-23 October 2008.3. Goodman, J. R. & Grosveld, F.W.Acoustics and Noise Control in Space Crew Compartments, NASA SpecialPublication, NASA/SP—2015–624, October 2015.4. Broyan, Jr., J.L., Welsh, D. A., &Cady, S. M., International Space Station Crew Quarters Ven-tilation andAcoustic Design Implementation, Proceedings of 40th International Conference onEnvironmental Systems, American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA2010-6018, 11-15 July 2010.5. Allen, C. A., International SpaceStation Acoustics – A Status Report. Proceedings of INTER-NOISE 2018, Chicago,IL, 26-29 August 2018.
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