[科普中国]-载人航天器环境控制与生命保障系统

简介

载人航天器环境控制与生命保障系统是保障航天员在太空环境里存、生活和工作的基础措施。是载人航天器的一个关键组成部分。随着载人航天技术的不断发展,环控生保系统也日臻完善,它的主要构成是供气调压分系统、气体净化和污染控制分系统、气体循环和温湿度控制分系统、水供给和管理分系统、食品供给与管理分系统、废物收集与处理分系统,以及航天服分系统。

载人航天器环境控制与生命保障技术是载人航天器的标志性技术,其发展的速度和成熟度牵制长期载人航天器的发展速度。我国载人航天器环控生保技术的发展是我国载人航天事业发展的缩影,“神舟”飞船环控生保技术是我国载人航天工程技术取得重大突破的关键技术之一,标志着我国已经建立了自主研发环控生保系统的技术基础和研制体系1。

历程环境控制与生命保障系统于20世纪80年代和90年代初利用卫星进行了一些局部技术的飞行试验研究和飞行验证,其中包括返回式1型卫星(FSW-1)密闭舱压力控制系统和生物搭载实验舱等。FSW-1卫星密闭舱压力控制系统从1981年开始研制,经过了模样、初样、正样研制阶段,1987年9月第一次成功应用于FSW-1卫星的飞行试验任务中,这是环控生保技术第一次在我国航天器上得到局部实际飞行试验验证。该系统后来又多次成功地参加了卫飞行试验2。环控生保系统的预先研究和局部技术卫星飞行试验为日后我国载人飞船环控生保系统的研制打下了一个良好的基础。

主要功能环控生保系统的功能可以概括为以下8个方面:
(1)环境控制功能:控制乘员舱内部的大气压力和气体成分;控制舱内的温度、湿度和空气流动速度;补充舱内泄漏的气体和监测大气。
(2)循环和净化功能:利用高压氧储存器(pressure vessel)或超氧化物(如超氧化钾)等对乘员舱供氧;填充稀释性惰性气体(如氮气);消除(吸收或还原)因人体代谢等排放出的二氧化碳;检测和净化大气中各种污染物。
(3)水处理功能:饮用水和其他生活用的储存和供应;水的质量保障和监测;废水的回收、净化或处理。
(4)废物处理功能:航天员大小便的收集和处理;生活垃圾的处理。
(5)饮食供应功能:食品的储藏和供应;食品和饮料的调配和加工;进餐方式和餐具供给;饮用水的调配、加温或冷却。
(6)卫生保健功能:提供衣物、用具和睡眠用品;乘员舱的清洁卫生设备与医学监督装置;运动与娱乐设施。
(7)安全与消防功能:各种安全救护、报警和防火设备与措施。
(8)舱内外活动保障功能:根据航天任务要求,要提供以下的装备和设施,主要有舱内与舱外活动航天服(space suit);过渡舱(airlock);便携式生保系统(portable life supportsystem;PLSS);舱外活动机动装置(maneuver-ing movable unit;MMU)等3。

分类可以划分为非再生式、半再生式和再生式三种系统3。
1)非再生式系统:这种环控生保系统又可以称为开放式或补给式系统。这是载人航天以来最为通用的方式,即属于消耗性的原材料全靠载人航天器自身携带,或者由其他航天器运送补给。乘员的代谢产物和生活垃圾不回收再生,而是抛出舱外或封存带回地面。该系统结构简单,适用于短期载人航天使用。现在无论是载人飞船还是航天飞机,由于飞行时间短,都是采用这种非再生式环控生保系统。
(2)半再生式系统:该系统又可以称为部分再生式或物理化学再生式系统。这种环控生保系统能将乘员产生的二氧化碳和废水全部或部分回收处理,生成氧气和纯净水,提供给乘员循环使用,而地面只需补给食品以及部分氧气和饮水。该系统结构比较复杂,属于第二代环控生保系统,适用于中长期太空飞行(几十天到一年左右)使用,现在太空站上装备的就是这种半再生式的环控生保系统。
3)再生式系统:又称为密闭生态生保系统或可控生态生保系统。顾名思义,在该系统里,除了人以外,还有动植物生存,犹如一个小自然界。在这个系统里,生物和非生物以闭路形式进行质量交换,不断地为乘员提供氧气、水分和食物除了阳光以外,基本上无需系统外补给,维持人和动物的生存,建立一种稳定的动态平衡生态环境。这是一种最为复第三代环控生保系统,适用于长期载人太空飞行,例如往返于火星的探险漫游。美国和俄罗斯等国家都在开展各种试验研究,许多关键技术还没获得突破。美国进行的多次生物圈试验,其目的就是要建成这种再生式系统,为火星飞行和飞向其他行星做好准备。

特点座舱大气压力控制技术座舱压力控制系统主要由气源、气路管阀件及执行部分组成。系统具有以下几个特点:

1)座舱总压压力制度设计选择与地面大气压力一致的压力制度,这一设计与目前国际上的载人航天器是一致的;

2)设计采用的高压氧气系统涉及到高压设计和氧气安全;

3)座舱大气压力控制系统是航天员的保命系统,因此系统设计要求有很高的可靠性,包括单机产品的高可靠性和系统的可靠性;

4)系统设计时必须符合医学要求和工效学要求,包括大气增压速率和减压速率必须符合医学指标要求,涉及航天员操作的手动部件设计需考虑工效学要求;

5)飞船在返回前要对轨道舱进行泄压,以确保返回舱与轨道舱的安全分离1。

座舱大气净化技术净化系统技术在我国航天器上为首次研制和应用,其技术特点有:
1)采用的净化剂有很高的净化效率,研制的氢氧化锂净化效率达80%以上;

2)装填易碎的氢氧化锂颗粒化学材料的净化罐产品满足航天力学环境要求是以往航天产品所未遇到过的;3)飞船密闭舱内大气的有害气体的产生是多方面的因素,要根据密闭舱内可能出现的有害气体,采取相应的净化措施,“神舟”4号返回舱返回后在舱内测出气体中一氧化碳浓度超标,为了确保“神舟”5号首次载人飞行的安全,环控生保系专门研制了用活性炭浸渍铂钯贵金属催化剂的一氧化碳净化罐;

4)净化罐设计时充分考虑了防止氢氧化锂粉尘的析出,结构上有多层过滤层,因此,净化罐在净化有害气体的同时,对密闭舱内的空气尘埃也起到清洁过滤作用;

5)对航天员大小便时产生氨气、硫化氢等异味气体进行净化处理1。

座舱大气温湿度控制技术由于航天器的热管理和热控制技术关系到航天器的安全可靠性问题,所以一直是航天器系统研究的重点之一。
外回路中的辐射器是整个流体回路的主冷源。内回路的设备分2类,一类是控制流体流动的设备,另一类是热交换设备。其中冷凝干燥换热器是内回路的核心设备,通过冷凝干燥换热器上的风机将舱内的空气强迫流过换热表面,对气进行降温。同时,空气中的水蒸汽冷凝成液态水。这种降温除湿原理的流体回路热控制技术在我国航天器上是首次应用1。

座舱空气通风技术环控生保系统在对座舱内空气的五大参数进行控制的时候离不开强迫通风。在微重力环境下,舱内的空气假如不进行通风的话,人呼出的CO2会在人的口鼻区造成局部的浓度积累,影响到航天员的安全。另外,为了满足仪器设备散热的需要,设备周围也要有一定的通风环境。通风主要靠风机来实现。在飞船座舱总体布局设计时应精心布各类风机的安装位置,使整舱形成一定的风场。在载人航天任务中,对噪声的控制也是一项特殊的要求。而在座舱内机的噪声是主要的噪声源,因此,风机设计必须考虑噪声控制问题1。

飞船应急状态下的环控生保技术环控生保系统在考虑飞船应急状态下的生命保障主要针对3种应急状况:

密闭舱压力应急
座舱火灾应急

飞船着陆后的应急状态1

技术难点微重力环境下液体管理和非固定物的控制管理微重力环境下液体无界面的流动管理是载人航天所遇到的特殊情况,例如人喝水和小便时液体的无界面流动,这些问题就需要环控生保系统采取与地面习惯生活方式不一样的措施来解决。水管理系统为航天员饮水设计了一封闭式的饮水回路,航天员需要饮水时用嘴含住饮水嘴,以避免水的无控制流动，非固定物主要在航天员就餐时出现,比如:就餐时刀叉等餐具、航天食品、就餐时可能产生的残渣等,食品管理子系统在餐盘底部设计有磁性材料,餐盘可以吸住刀叉等餐具;用必要的系带、尼龙搭扣等方式固定食品袋、食品罐头等非固定物,系统设计了抽风除尘式
的残渣收集器,可以随时收集漂浮的非固定物1。

生活保证设备的医学、工效学要求生活保证设备是航天员直接使用的,因此,既要保障卫生又要保证航天员在微重力环境下使用方便,涉及医学和工效学的具体设计包括:符合卫生学要求的饮水箱内涂层设计;符合中国人习惯吃加热食品的食品加热器设计;航天员大小便时气体除臭专门设备设计;手动操作手柄、饮水嘴、大小便收集口、大小便使用的手脚限制器等航天员直接操作的设备的赋形设计等1。