[科普中国]-航天气体净化设备

发展概况

长时间、远距离和多乘员的载人空间飞行是未来航天事业发展的必然趋势。载人航天器飞行期间，航天员工作生活在一个狭小而完全密闭的环境中，其空气调节及空气净化能力受到有限空间、有限能源、有限载荷、失重环境等多种因素的限制，空气污染问题显得尤为突出。对狭小的密闭空间来说，如果不控制和清除这些污染物，或空气净化系统不完善，污染物累积起来达到有毒的浓度，对航天员的生理和心理均有较大程度影响，直接危害航天员的健康并降低其工作效率。1

为保证长期安全飞行，美国、俄罗斯等国一直非常注重载人航天器舱内污染控制问题，应用各种被动和主动污染物控制方法对其加以限制及改善，并制定了详细的载人航天器舱室最大容许浓度标准。在载人航天器特殊环境条件下，传统的污染物去除方法是通过置换式被动活性炭过滤器、化学吸附以及催化氧化的方法进行处理，这些方法能够控制大多数微量气体的含量，但少数微量气体如甲烷、乙烷、氢气、二氧化氮等用活性炭过滤器不能去除，且活性炭在长期使用过程中存在着吸附饱和问题，需定期更换，因而实际使用时不很方便。催化氧化技术对污染气体浓度控制速率较快，效率较高，但却是以消耗大量的物质和能量为代价，不适应未来长期载人航天发展的需要。因此，研究质量轻、体积小、能耗低、安全性好的空气净化技术对载人航天具有重要的意义。1

污染源非金属材料释放的气体和人体新陈代谢是载人航天器舱室内的主要污染源。非金属材料包括舱体结构材料、橡胶、绝缘材料、油漆、润滑剂、粘合剂以及设备安装支架等，释放气体情况包括老化、高温分解、低压脱气等;人体代谢污染是指通过呼吸和出汗等进人舱室环境中的微量有害气体。除以上两种主要污染源外，还存在其他的微量污染源，包括来自舱室清洁、个人卫生、准备食物、出舱活动和舱内活动、实验任务以及偶然发生的污染事故。2

最大容许浓度要求载人航天器舱室气体污染物的水平为零是不可能的。毒理学者根据研究制定一个合适的污染水平作为航天员安全和健康的保障标准，污染水平的上限值称为最大容许浓度。不同的环境有不同的保障水平，相应就有不同的最大容许浓度(SMACs)。载人航天器最大容许浓度的概念是，在正常航天情况下不引起人员任何病理变化，不产生明显不适气味，不引起刺激性反应，不降低工作效率的浓度。2

美国载人航天器最大容许浓度源于20世纪70年代，由美国国家病毒研究理事会主持研究。在1968年推荐了23种污染物90天、11种污染物180天的常态暴露SMACs和5种污染物60min的应急暴露SMACs。经过补充和修改，在1972年提出了52种污染物10min、60min的应急暴露SMACs和90天、180天的常态暴露SMACs。1993年美国国家航空航天局约翰逊航天中心公布了28种污染物1h、24h、7天、30天和180天的SMACs。之后又制定了较为完备的载人航天器SMACs值。2

俄罗斯联邦国家标准规定了13种污染物15天、12种污染物30天和60天、13种90天和180天以及108种360天的SMACs,同时规定了11种污染物的应急SMACs。

我国已公布了20种污染物7天暴露的SMACs。

现状分析（1）俄罗斯“和平”号空间站气体污染控制系统

图1给出的是“和平”号空间站内微量污染控制子系统流程图，由可再生活性炭和常温催化床(净化氢和一氧化碳)等部分组成。2

（2）国际空间站美国舱段的气体污染控制系统

国际空间站采用活性炭过滤净化高分子污染气体，低分子污染气体用高温催化氧化法。图2为国际空间站微量污染控制系统硬件示意图。

（3）改进的国际空间站空气污染控制系统

改进的国际空间站空气污染控制系统与图2不同之处在于:使用两个风扇，增加了一个再生炭床和一个氢氧化锂后吸附床，有能力提供59.5m3/h流速，在人口增加节流板以提供适当的入口流速。2

（4）月球/火星基地受控生态生保试验中的微量污染物控制系统

美国月球/火星受控生态生保试验建造在NASA约翰逊空间中心，进行长期的闭环生保系统试验，为将来的月球/火星基地提供必要的技术支持。该试验中的微量污染物控制系统利用低温和高温催化装置联合工作，以除去气体中的微量污染物，如图3。气体通过一个高效换热器将气体预热至200°C,而后进入第一个催化系统，将氨氧化成氮。之后处理气体分两部分，一部分进入催化剂反应器内将所有烃氧化成二氧化碳和水;另一部分被加热至400°C，进人第二个催化罐内将甲烷和卤烃氧化；然后热气体流重新进入换热器对冷气体预热；最后总气流经过吸附层，去除氯化氢和氟化氢等物质。2

（5）等离子体气体净化装置

在欧洲航天局的帮助下，法国Air In Space公司研究成功气体净化设备Plasmer™,米用等离子体净化原理，使气体通过一系列的强电场，收集并杀死其中的细菌、病毒等有害物。该装置曾于1997年使用在“和平”号空间站以及2001年国际空间站上。该装置主要包括三个部分:第一部分由微孔组成,污染气体通过Plasmer™的一系统有电场的微孔，使系统有机体变形至燃烧；

第二部分中反应器轰击剩余带有正离子或负离子的有机体,从而破坏内部结构;第三部分是静电过滤器捕捉剩余的污染物。经过这三个部分后清洁的气体流出Plasmer™。2

（6）TiO2光催化技术

TiO2光催化技术具有：（1）反应温度温和，可以在常温下进行反应；（2）具有良好的抗腐蚀性和化学稳定性，光照后不发生腐蚀；不产生二次污染；对人体无害；（3）光催化效率高，可降解大部分有机污染物，且不存在吸附饱和现象，使用寿命长等优点。至今，已发现有3000多种有机化合物可通过TiO2光催化材料迅速分解。纳米TiO2光催化技术的特点为载人航天器这种特殊环境条件下的空气净化提供了一种技术途径，但纳米TiO2在航天器上的使用目前还未见报道。1

方案设计一种微量污染净化方案，它由活性炭吸附床、高温催化反应器、低温催化反应器、风机以及控制阀门等组成，如概述图4。

微量污染净化装置的工作流程为：生活舱气体首先流过经磷酸浸溃过的活性炭，风机和流量计控制流量维持在15m3/h。一部分气体流经常温催化反应器，风量维持在7~10.5m3/h;另一部分利用旁路的电动调节阀控制催化氧化流量维持在4.5~8m3/h，经过回热换热器预热后，再由加热器加热到400°C,进入高温催化氧化反应器。最后两部分气体汇合后经冷却设备后返回密封舱体。

(1) 活性炭

能够吸附气体中大多数有机物、有毒性的和有味的污染物,净化高分子量污染物及灰尘。可以采用磷酸浸溃过的活性炭，清除硫化氢，保护催化剂，防止中毒。

(2) 催化氧化装置

常温催化装置：用于在常温下催化氧化有臭味的污染物及一氧化碳，选定铂钯催化剂；

高温催化装置包括三个基本部件：回热换热器、电加热器和催化床，在高温和催化剂作用下，将较难净化的气体氧化。

(3)氢氧化锂吸附

用于吸附产生的酸性气体。