載人太空飛行器環境控制與生命保障系統

載人太空飛行器環境控制與生命保障系統是保障航天員在太空環境裡存、生活和工作的基礎措施。是載人太空飛行器的一個關鍵組成部分。隨著載人航天技術的不斷發展,環控生保系統也日臻完善,它的主要構成是供氣調壓分系統、氣體淨化和污染控制分系統、氣體循環和溫濕度控制分系統、水供給和管理分系統、食品供給與管理分系統、廢物收集與處理分系統,以及航天服分系統。

基本介紹

• 中文名：載人太空飛行器環境控制與生命保障系統
• 作用：保障航天員安全、生活和工作
• 分類：非再生式、半再生式和再生式

簡介

載人太空飛行器環境控制與生命保障系統是保障航天員在太空環境裡存、生活和工作的基礎措施。是載人太空飛行器的一個關鍵組成部分。隨著載人航天技術的不斷發展,環控生保系統也日臻完善,它的主要構成是供氣調壓分系統、氣體淨化和污染控制分系統、氣體循環和溫濕度控制分系統、水供給和管理分系統、食品供給與管理分系統、廢物收集與處理分系統,以及航天服分系統。

載人太空飛行器環境控制與生命保障技術是載人太空飛行器的標誌性技術,其發展的速度和成熟度牽制長期載人太空飛行器的發展速度。我國載人太空飛行器環控生保技術的發展是我國載人航天事業發展的縮影,“神舟”飛船環控生保技術是我國載人航天工程技術取得重大突破的關鍵技術之一,標誌著我國已經建立了自主研發環控生保系統的技術基礎和研製體系。

歷程

環境控制與生命保障系統於20世紀80年代和90年代初利用衛星進行了一些局部技術的飛行試驗研究和飛行驗證,其中包括返回式1型衛星(FSW-1)密閉艙壓力控制系統和生物搭載實驗艙等。FSW-1衛星密閉艙壓力控制系統從1981年開始研製,經過了模樣、初樣、正樣研製階段,1987年9月第一次成功套用於FSW-1衛星的飛行試驗任務中,這是環控生保技術第一次在我國太空飛行器上得到局部實際飛行試驗驗證。該系統後來又多次成功地參加了衛飛行試驗。環控生保系統的預先研究和局部技術衛星飛行試驗為日後我國載人飛船環控生保系統的研製打下了一個良好的基礎。

主要功能

環控生保系統的功能可以概括為以下8個方面:
(1)環境控制功能:控制乘員艙內部的大氣壓力和氣體成分;控制艙內的溫度、濕度和空氣流動速度;補充艙內泄漏的氣體和監測大氣。
(2)循環和淨化功能:利用高壓氧儲存器(pressure vessel)或超氧化物(如超氧化鉀)等對乘員艙供氧;填充稀釋性惰性氣體(如氮氣);消除(吸收或還原)因人體代謝等排放出的二氧化碳;檢測和淨化大氣中各種污染物。
(3)水處理功能:飲用水和其他生活用的儲存和供應;水的質量保障和監測;廢水的回收、淨化或處理。
(4)廢物處理功能:航天員大小便的收集和處理;生活垃圾的處理。
(5)飲食供應功能:食品的儲藏和供應;食品和飲料的調配和加工;進餐方式和餐具供給;飲用水的調配、加溫或冷卻。
(6)衛生保健功能:提供衣物、用具和睡眠用品;乘員艙的清潔衛生設備與醫學監督裝置;運動與娛樂設施。
(7)安全與消防功能:各種安全救護、報警和防火設備與措施。
(8)艙內外活動保障功能:根據航天任務要求,要提供以下的裝備和設施,主要有艙內與艙外活動航天服(space suit);過渡艙(airlock);攜帶型生保系統(portable life supportsystem;PLSS);艙外活動機動裝置(maneuver-ing movable unit;MMU)等。

分類

可以劃分為非再生式、半再生式和再生式三種系統。
1)非再生式系統:這種環控生保系統又可以稱為開放式或補給式系統。這是載人航天以來最為通用的方式,即屬於消耗性的原材料全靠載人太空飛行器自身攜帶,或者由其他太空飛行器運送補給。乘員的代謝產物和生活垃圾不回收再生,而是拋出艙外或封存帶回地面。該系統結構簡單,適用於短期載人航天使用。現在無論是載人飛船還是太空梭,由於飛行時間短,都是採用這種非再生式環控生保系統。
(2)半再生式系統:該系統又可以稱為部分再生式或物理化學再生式系統。這種環控生保系統能將乘員產生的二氧化碳和廢水全部或部分回收處理,生成氧氣和純淨水,提供給乘員循環使用,而地面只需補給食品以及部分氧氣和飲水。該系統結構比較複雜,屬於第二代環控生保系統,適用於中長期太空飛行(幾十天到一年左右)使用,現在太空站上裝備的就是這種半再生式的環控生保系統。
3)再生式系統:又稱為密閉生態生保系統或可控生態生保系統。顧名思義,在該系統里,除了人以外,還有動植物生存,猶如一個小自然界。在這個系統里,生物和非生物以閉路形式進行質量交換,不斷地為乘員提供氧氣、水分和食物除了陽光以外,基本上無需系統外補給,維持人和動物的生存,建立一種穩定的動態平衡生態環境。這是一種最為復第三代環控生保系統,適用於長期載人太空飛行,例如往返於火星的探險漫遊。美國和俄羅斯等國家都在開展各種試驗研究,許多關鍵技術還沒獲得突破。美國進行的多次生物圈試驗,其目的就是要建成這種再生式系統,為火星飛行和飛向其他行星做好準備。

特點

座艙大氣壓力控制技術

座艙壓力控制系統主要由氣源、氣路管閥件及執行部分組成。系統具有以下幾個特點:

1)座艙總壓壓力制度設計選擇與地面大氣壓力一致的壓力制度,這一設計與目前國際上的載人太空飛行器是一致的;

2)設計採用的高壓氧氣系統涉及到高壓設計和氧氣安全;

3)座艙大氣壓力控制系統是航天員的保命系統,因此系統設計要求有很高的可靠性,包括單機產品的高可靠性和系統的可靠性;

4)系統設計時必須符合醫學要求和工效學要求,包括大氣增壓速率和減壓速率必須符合醫學指標要求,涉及航天員操作的手動部件設計需考慮工效學要求;

5)飛船在返回前要對軌道艙進行泄壓,以確保返回艙與軌道艙的安全分離。

座艙大氣淨化技術

淨化系統技術在我國太空飛行器上為首次研製和套用,其技術特點有:
1)採用的淨化劑有很高的淨化效率,研製的氫氧化鋰淨化效率達80%以上;

2)裝填易碎的氫氧化鋰顆粒化學材料的淨化罐產品滿足航天力學環境要求是以往航天產品所未遇到過的;3)飛船密閉艙內大氣的有害氣體的產生是多方面的因素,要根據密閉艙內可能出現的有害氣體,採取相應的淨化措施,“神舟”4號返回艙返回後在艙內測出氣體中一氧化碳濃度超標,為了確保“神舟”5號首次載人飛行的安全,環控生保系專門研製了用活性炭浸漬鉑鈀貴金屬催化劑的一氧化碳淨化罐;

4)淨化罐設計時充分考慮了防止氫氧化鋰粉塵的析出,結構上有多層過濾層,因此,淨化罐在淨化有害氣體的同時,對密閉艙內的空氣塵埃也起到清潔過濾作用;

5)對航天員大小便時產生氨氣、硫化氫等異味氣體進行淨化處理。

座艙大氣溫濕度控制技術

由於太空飛行器的熱管理和熱控制技術關係到太空飛行器的安全可靠性問題,所以一直是太空飛行器系統研究的重點之一。
外迴路中的輻射器是整個流體迴路的主冷源。內迴路的設備分2類,一類是控制流體流動的設備,另一類是熱交換設備。其中冷凝乾燥換熱器是內迴路的核心設備,通過冷凝乾燥換熱器上的風機將艙內的空氣強迫流過換熱表面,對氣進行降溫。同時,空氣中的水蒸汽冷凝成液態水。這種降溫除濕原理的流體迴路熱控制技術在我國太空飛行器上是首次套用。

座艙空氣通風技術

環控生保系統在對座艙內空氣的五大參數進行控制的時候離不開強迫通風。在微重力環境下,艙內的空氣假如不進行通風的話,人呼出的CO2會在人的口鼻區造成局部的濃度積累,影響到航天員的安全。另外,為了滿足儀器設備散熱的需要,設備周圍也要有一定的通風環境。通風主要靠風機來實現。在飛船座艙總體布局設計時應精心布各類風機的安裝位置,使整艙形成一定的風場。在載人航天任務中,對噪聲的控制也是一項特殊的要求。而在座艙內機的噪聲是主要的噪聲源,因此,風機設計必須考慮噪聲控制問題。

飛船應急狀態下的環控生保技術

環控生保系統在考慮飛船應急狀態下的生命保障主要針對3種應急狀況:

密閉艙壓力應急
座艙火災應急

飛船著陸後的應急狀態

技術難點

微重力環境下液體管理和非固定物的控制管理

微重力環境下液體無界面的流動管理是載人航天所遇到的特殊情況,例如人喝水和小便時液體的無界面流動,這些問題就需要環控生保系統採取與地面習慣生活方式不一樣的措施來解決。水管理系統為航天員飲水設計了一封閉式的飲水迴路,航天員需要飲水時用嘴含住飲水嘴,以避免水的無控制流動，非固定物主要在航天員就餐時出現,比如:就餐時刀叉等餐具、航天食品、就餐時可能產生的殘渣等,食品管理子系統在餐盤底部設計有磁性材料,餐盤可以吸住刀叉等餐具;用必要的系帶、尼龍搭扣等方式固定食品袋、食品罐頭等非固定物,系統設計了抽風除塵式
的殘渣收集器,可以隨時收集漂浮的非固定物。

生活保證設備的醫學、工效學要求

生活保證設備是航天員直接使用的,因此,既要保障衛生又要保證航天員在微重力環境下使用方便,涉及醫學和工效學的具體設計包括:符合衛生學要求的飲水箱內塗層設計;符合中國人習慣吃加熱食品的食品加熱器設計;航天員大小便時氣體除臭專門設備設計;手動操作手柄、飲水嘴、大小便收集口、大小便使用的手腳限制器等航天員直接操作的設備的賦形設計等。