[科普中国]-综合机动生命保障系统

发展历程

综合机动生命保障系统是在飞机环境控制系统和生物卫星生命保障系统的基础上发展起来的。它除包括压力、温度、湿度、供气和空气分配等环境控制系统外，还设有航天员系统，即航天员的饮食、休息、睡眠、排泄等日常生活保障系统。此外，航天器与飞机的舱外环境不同，其环境控制系统也有差别。

自从1961年苏联航天员加加林乘“东方”1号飞船进入宇宙空间，航天任务的内容不断扩展，续航时间增长，航天员不仅要长时间在舱内工作，而且还要出舱活动，在空间行走，直至登月探索。载人飞船、航天站和航天飞机的生命保障系统日趋复杂和可靠，已能满足多乘员、长时间、重复使用的航天任务要求。

综合机动生命保障系统的发展已经历了一个较长的过程，已由早期飞船的简单系统发展成为可以提供多人长期使用并具有一定重复使用功能的系统。先进的半再生式系统可望在21世纪末投入使用。21世纪，人类将采用闭路受控生态生命保障系统，在空间有限环境里实现自给自足。1

组成环境控制分系统为航天员创造适宜的生活和工作的人造大气环境的仪器和设备。它的基本功能是维持密闭舱规定的大气温度、湿度和压力，控制大气成分。包括密闭舱大气温度控制、湿度控制、压力控制、成分控制、通风、大气监测、复压控制、壁温控制和泄漏补偿等分系统。温度控制是以散热和漏热补偿的方式，借助于通风循环维持舱内适宜的大气温度。湿度控制是除去来自航天员呼出气体和体表蒸发的水汽。微重力状态下除湿需要借助于毛细力和离心力等外力收集冷凝水并将它传输到废水容器。由于舱体泄漏和航天员的代谢消耗， 需借助于大气压力和成分控制系统来补偿泄漏气体和航天员的氧气消耗，维持恒定舱压并实现适宜于航天员生存的总压和氧分压。对于长期飞行的载人空间站，要装备大气监测系统。

大气再生分系统维持密闭舱大气以适宜于航天员生存的设备和仪器。主要用于供氧、供氮、二氧化碳净化和处理、微量污染气体净除和微生物控制等。航天员的代谢物和仪器、设备的挥发物使密闭舱大气受污染，如果不采取净化和补充新鲜氧气等措施，航天员就无法在舱内生活。提供新鲜氧气的方法有储存法和还原再生法。氧的储存包括高压常温气态储存、单相超临界压力低温储存和碱土金属超氧化物的化学储存等。氧的再生是把航天员呼出的二氧化碳经过一系列物理化学反应还原为氧的过程。微量污染控制在于消除烟尘、臭气和其他微量污染气体并控制微生物的繁殖。通常采用过滤、吸附和催化氧化等综合处理技术。短期飞行一般采用活性炭吸附技术，但对于使用电子仪器较多的大型载人航天器，还要装备消除一氧化碳的催化氧化系统。长期飞行，需要设置更加完善的设备和仪器综合处理有害气体。此外，还须对航天员进行消毒和检疫，以防污染密闭舱大气环境。

水的供应和处理分系统供给航天员生活和卫生用水并回收和再生废水的设备和仪器。短期飞行的载人航天器除装备储水容器从地面装载清洁水外，还配有简单的供水管系、阀门、加热和冷却装置。而长期飞行和多乘员时，由于耗水量大，必须装备废水处理系统，以回收和再生大部分或全部废水和尿液。

废水再生技术有：

①综合过滤技术。它可以把冷凝水和二氧化碳还原系统产生的水处理成为饮用水，把来自淋浴设备、洗衣机、洗手和器皿洗涤装置的废水处理成为卫生用水。

②相变处理技术。利用相变技术通过蒸发和冷凝的巧妙结合，把尿液等废水再生成为卫生用水或饮用水。

③膜技术。利用膜的逆渗透原理设计的废水处理系统是最有前途的废水处理方案之一，能够有效地处理洗涤水。

④废水和废物综合处理系统。它可把人体废液和废物以及其他废物综合处理成为有用的气体、清洁水和固体残渣。有些尿液处理系统还必须包括预处理和后处理过程。

废物处理分系统收集、储存和处理人体排出的粪便、呕吐物、个人卫生废物和其他杂物的设备。包括便桶、小便收集装量、垃圾紧缩器、固体杂质收集器和废物储存设备等。在失重状态下收集废物需要利用机械力。短期飞行只需将尿、粪便等废物储存起来，返回地面后供分析使用。长期飞行时将尿回收、处理和再生成为清洁水可供使用。

热控分系统在载人航天器起飞、在轨和返回各阶段的热力学环境中，为创造密闭舱内舒适的大气环境而设置的采集、传输和散热系统。用燃料电池作为能源的短期飞行载人航天器，由于水源充足，常以水作为辅助散热系统的蒸发剂，以便在空间辐射散热器不能满足散热要求时辅助主动散热系统工作。主动散热系统包括为航天员和电子仪器散热的通风回路、中间传热回路和流体散热回路。回路之间以气/液和液/液热交换器进行耦合。

居住分系统为航天员提供居住、饮食及日常生活保障的系统。它包括：

①起居室。是乘员个人休息的处所。室内应设有轻便睡床、娱乐设施、锻炼器材、噪声和灯光控制以及个人修饰用具等。

②食物管理和厨房。包括冷冻、冷藏和常温储存食物的设备以及配餐和供应饮食的设备。其中包括微波/对流炉，冷、热饮用水和饮料配给装置及调料等。

③个人卫生设备。是一个能够控制臭味的封闭单元。

舱外活动分系统航天员舱外作业所携带的个人保障系统。包括航天服、携带式生命保障系统和个人救生装备等。1

功能人的生理与代谢需求一个正常体形的乘员每天需要消耗总重约5公斤的氧气、水和食物，才可以完成标准太空飞行任务一天所需工作；与此同时，他也将排泄出多种代谢终产物。大致消耗拆分如下：0.84公斤氧气、0.62食物和3.52水；并经过身体处理转化成0.11公斤固体排泄物、3.87公斤液体排泄物和1.00公斤二氧化碳。虽根据每天活动内容不同，上述指标也不尽相同，但都将按照消耗品储备状况进行安排。一般来说，一次太空飞行中所需水量为额定值的两倍以考虑非生理用水 （比如个人清洁）。而且根据任务持续时间的不同，产生废物的数量和种类也有不同，如果任务时间超过一周，一般会包含毛发、指甲、皮肤碎屑和其他生理废物。尽管不像代谢参数变化对人产生反应那样迅速，太空中的其他环境因素，比如辐射、重力、噪音、震动和照明，也都会影响人的生理反应。

空气综合机动生命保障系统所提供的环境空气主要包含：氧气、氮气、水、二氧化碳和其他微量气体，各组份气体气压的代数和为空气气压值，这个值一般为101.3千帕，即海平面标准大气压。但如果相应增加氧气的组份气压值，空气气压值也可进行显著降低 （比如在舱外活动时降低25~26千帕），较低的空气气压可以简化飞船的结构设计，并减少气氛损失。一般降低空气气压有两种方法：一种是保持氧气比率不变减少空气气压；另一种是允许氧气浓缩并减少空气气压。

水水的用途是用于乘员饮用、清洁、舱外活动时温控和其他紧急使用。因为水在太空探索中是不可原位取得的资源，所以必须对水进行高效的储存、使用和回收 （包含废水）。

食物综合机动生命保障系统通常包括了室内植物培育系统，即可以在室内与容器中栽培食物。通常此系统的设计目的是重复利用所有可重复利用的营养物质。这个系统的现实例子有：降解厕所，使用降解厕所可以降解废物 （排泄物）并将其中可利用的营养物质通过食物作物的处理，制造食物并再次利用。之后按上述过程一直循环以最大限度节约物资。

微生物的检测与控制美国国家航空航天局的LOCAD (芯片实验室应用开发)计划现在正在开发在长时间太空飞行中使用的细菌和真菌检测系统。1