航天氣體淨化設備是太空飛行器或空間站內空氣淨化的分系統，是航天生命保障系統的重要組成部分，又稱航天氣體淨化系統。
太空飛行器或空間站的為密閉、狹小空間，不可避免的產生一些污染，目前已查明的密閉空間產生的氣體產物有300多種，累計達到一定程度會對人體有相當的毒性，因此必須設定氣體淨化系統，保證密閉艙內的氣體質量。
基本介紹
- 中文名：航天氣體淨化設備
- 外文名：Gas Purification System
- 又稱：航天氣體淨化系統
- 套用領域：航空航天
- 核心：太空飛行器內空氣淨化分系統
- 功能：氣體淨化
發展概況,污染源,最大容許濃度,現狀分析,方案設計,
發展概況
長時間、遠距離和多乘員的載人空間飛行是未來航天事業發展的必然趨勢。載人太空飛行器飛行期間，航天員工作生活在一個狹小而完全密閉的環境中，其空氣調節及空氣淨化能力受到有限空間、有限能源、有限載荷、失重環境等多種因素的限制，空氣污染問題顯得尤為突出。對狹小的密閉空間來說，如果不控制和清除這些污染物，或空氣淨化系統不完善，污染物累積起來達到有毒的濃度，對航天員的生理和心理均有較大程度影響，直接危害航天員的健康並降低其工作效率。
為保證長期安全飛行，美國、俄羅斯等國一直非常注重載人太空飛行器艙內污染控制問題，套用各種被動和主動污染物控制方法對其加以限制及改善，並制定了詳細的載人太空飛行器艙室最大容許濃度標準。在載人太空飛行器特殊環境條件下，傳統的污染物去除方法是通過置換式被動活性炭過濾器、化學吸附以及催化氧化的方法進行處理，這些方法能夠控制大多數微量氣體的含量，但少數微量氣體如甲烷、乙烷、氫氣、二氧化氮等用活性炭過濾器不能去除，且活性炭在長期使用過程中存在著吸附飽和問題，需定期更換，因而實際使用時不很方便。催化氧化技術對污染氣體濃度控制速率較快，效率較高，但卻是以消耗大量的物質和能量為代價，不適應未來長期載人航天發展的需要。因此，研究質量輕、體積小、能耗低、安全性好的空氣淨化技術對載人航天具有重要的意義。
污染源
非金屬材料釋放的氣體和人體新陳代謝是載人太空飛行器艙室內的主要污染源。非金屬材料包括艙體結構材料、橡膠、絕緣材料、油漆、潤滑劑、粘合劑以及設備安裝支架等，釋放氣體情況包括老化、高溫分解、低壓脫氣等;人體代謝污染是指通過呼吸和出汗等進人艙室環境中的微量有害氣體。除以上兩種主要污染源外，還存在其他的微量污染源，包括來自艙室清潔、個人衛生、準備食物、出艙活動和艙內活動、實驗任務以及偶然發生的污染事故。
最大容許濃度
要求載人太空飛行器艙室氣體污染物的水平為零是不可能的。毒理學者根據研究制定一個合適的污染水平作為航天員安全和健康的保障標準，污染水平的上限值稱為最大容許濃度。不同的環境有不同的保障水平，相應就有不同的最大容許濃度(SMACs)。載人太空飛行器最大容許濃度的概念是，在正常航天情況下不引起人員任何病理變化，不產生明顯不適氣味，不引起刺激性反應，不降低工作效率的濃度。
美國載人太空飛行器最大容許濃度源於20世紀70年代，由美國國家病毒研究理事會主持研究。在1968年推薦了23種污染物90天、11種污染物180天的常態暴露SMACs和5種污染物60min的應急暴露SMACs。經過補充和修改，在1972年提出了52種污染物10min、60min的應急暴露SMACs和90天、180天的常態暴露SMACs。1993年美國國家航空航天局詹森航天中心公布了28種污染物1h、24h、7天、30天和180天的SMACs。之後又制定了較為完備的載人太空飛行器SMACs值。
俄羅斯聯邦國家標準規定了13種污染物15天、12種污染物30天和60天、13種90天和180天以及108種360天的SMACs,同時規定了11種污染物的應急SMACs。
我國已公布了20種污染物7天暴露的SMACs。
現狀分析
（1）俄羅斯“和平”號空間站氣體污染控制系統
圖1給出的是“和平”號空間站內微量污染控制子系統流程圖，由可再生活性炭和常溫催化床(淨化氫和一氧化碳)等部分組成。
（2）國際空間站美國艙段的氣體污染控制系統
國際空間站採用活性炭過濾淨化高分子污染氣體，低分子污染氣體用高溫催化氧化法。圖2為國際空間站微量污染控制系統硬體示意圖。
（3）改進的國際空間站空氣污染控制系統
改進的國際空間站空氣污染控制系統與圖2不同之處在於:使用兩個風扇，增加了一個再生炭床和一個氫氧化鋰後吸附床，有能力提供59.5m3/h流速，在人口增加節流板以提供適當的入口流速。
（4）月球/火星基地受控生態生保試驗中的微量污染物控制系統
美國月球/火星受控生態生保試驗建造在NASA詹森空間中心，進行長期的閉環生保系統試驗，為將來的月球/火星基地提供必要的技術支持。該試驗中的微量污染物控制系統利用低溫和高溫催化裝置聯合工作，以除去氣體中的微量污染物，如圖3。氣體通過一個高效換熱器將氣體預熱至200°C,而後進入第一個催化系統，將氨氧化成氮。之後處理氣體分兩部分，一部分進入催化劑反應器內將所有烴氧化成二氧化碳和水;另一部分被加熱至400°C，進人第二個催化罐內將甲烷和鹵烴氧化；然後熱氣體流重新進入換熱器對冷氣體預熱；最後總氣流經過吸附層，去除氯化氫和氟化氫等物質。
（5）電漿氣體淨化裝置
在歐洲航天局的幫助下，法國Air In Space公司研究成功氣體淨化設備Plasmer™,米用電漿淨化原理，使氣體通過一系列的強電場，收集並殺死其中的細菌、病毒等有害物。該裝置曾於1997年使用在“和平”號空間站以及2001年國際空間站上。該裝置主要包括三個部分:第一部分由微孔組成,污染氣體通過Plasmer™的一系統有電場的微孔，使系統有機體變形至燃燒；
第二部分中反應器轟擊剩餘帶有正離子或負離子的有機體,從而破壞內部結構;第三部分是靜電過濾器捕捉剩餘的污染物。經過這三個部分後清潔的氣體流出Plasmer™。
（6）TiO2光催化技術
TiO2光催化技術具有：（1）反應溫度溫和，可以在常溫下進行反應；（2）具有良好的抗腐蝕性和化學穩定性，光照後不發生腐蝕；不產生二次污染；對人體無害；（3）光催化效率高，可降解大部分有機污染物，且不存在吸附飽和現象，使用壽命長等優點。至今，已發現有3000多種有機化合物可通過TiO2光催化材料迅速分解。納米TiO2光催化技術的特點為載人太空飛行器這種特殊環境條件下的空氣淨化提供了一種技術途徑，但納米TiO2在太空飛行器上的使用目前還未見報導。
方案設計
一種微量污染淨化方案，它由活性炭吸附床、高溫催化反應器、低溫催化反應器、風機以及控制閥門等組成，如概述圖4。
微量污染淨化裝置的工作流程為：生活艙氣體首先流過經磷酸浸潰過的活性炭，風機和流量計控制流量維持在15m3/h。一部分氣體流經常溫催化反應器，風量維持在7~10.5m3/h;另一部分利用旁路的電動調節閥控制催化氧化流量維持在4.5~8m3/h，經過回熱換熱器預熱後，再由加熱器加熱到400°C,進入高溫催化氧化反應器。最後兩部分氣體匯合後經冷卻設備後返回密封艙體。
(1) 活性炭
能夠吸附氣體中大多數有機物、有毒性的和有味的污染物,淨化高分子量污染物及灰塵。可以採用磷酸浸潰過的活性炭，清除硫化氫，保護催化劑，防止中毒。
(2) 催化氧化裝置
常溫催化裝置：用於在常溫下催化氧化有臭味的污染物及一氧化碳，選定鉑鈀催化劑；
高溫催化裝置包括三個基本部件：回熱換熱器、電加熱器和催化床，在高溫和催化劑作用下，將較難淨化的氣體氧化。
(3)氫氧化鋰吸附
用於吸附產生的酸性氣體。
