環(huán)控生保系統(tǒng)為航天員保駕護航

從古至今，我們對自己生活的地球以外的空間就充滿了好奇和探索的渴望，無論是嫦娥奔月的傳說，萬戶“飛天”的壯舉，“神五”載人飛行的成功，到現(xiàn)在建設(shè)屬于中國人自己的空間站，我們從未停止對外太空探索的腳步。但是，人類要想離開地球，走入外太空，需要抵御宇宙空間中真空、輻射、極端溫度以及微重力等惡劣環(huán)境因素的影響，如果沒有一套完善的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（簡稱“環(huán)控生保系統(tǒng)”），就會給航天員的生存帶來威脅。在航天器密閉艙中為航天員創(chuàng)造一個適居的生存環(huán)境并為其生存提供必要的物質(zhì)條件，這是環(huán)控生保系統(tǒng)的重要使命，也是載人航天器與無人航天器的重要區(qū)別。

那么，環(huán)控生保技術(shù)主要需要解決哪些問題呢？首先是實現(xiàn)航天器座艙內(nèi)的環(huán)境控制，提供適宜的溫濕度條件、大氣壓力和大氣成分，包括氧氣的供應(yīng)和二氧化碳的去除。其次是為航天員的生命健康提供必要的物質(zhì)保障和生活設(shè)施，解決航天員在軌期間的進食、飲水、個人衛(wèi)生和休閑娛樂等活動，保證航天員正常的生理活動。另外，還需要對在軌期間產(chǎn)生的廢物進行收集和處理。最后，實現(xiàn)煙火探測與滅火，提供必要的應(yīng)急生命保障系統(tǒng)，也是環(huán)控生保系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

圖1 環(huán)控生保系統(tǒng)的功能

（圖片來源：Life Support for Spaceflight (Slides), Karen D. Pickering）

自1961年4月12日前蘇聯(lián)加加林首次進入太空，載人航天技術(shù)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，環(huán)控生保系統(tǒng)的復(fù)雜程度也逐漸提高，主要取決于乘員人數(shù)的多少和飛行時間的長短。自技術(shù)發(fā)展至今，環(huán)控生保技術(shù)經(jīng)歷了三代的探索。第一代環(huán)控生保技術(shù)主要靠飛船對物資的攜帶供給，為航天員提供必要的生保物資，我們叫做“非再生式生保系統(tǒng)”。短期飛行的載人航天器，由于航程時間短，需要消耗的資源量少，一次發(fā)射攜帶的物資就可以滿足飛行任務(wù)的需求，中間不需要補給，這類航天器需要非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)來保障航天員的生命安全。它的特點是航天員的生活物資等都是消耗式的，如航天員在軌所需的氧氣采用貯存方式，發(fā)射前將貯存設(shè)備安裝在航天器上；所需的水都要在飛行前貯存在特制的有消毒裝置的貯水系統(tǒng)中；所需的食品則是通過攜帶壓縮式的航天食品來滿足對食物的需求。前蘇聯(lián)早期的“東方”號、“上升”號、“聯(lián)盟”號飛船，美國“水星”號、“雙子星”號飛船，以及中國的“神舟”號飛船，都采用這類環(huán)控生保系統(tǒng)。非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)可靠性和技術(shù)成熟度高、耗能小，并具有豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗，而最大的缺點是物質(zhì)的再供給量隨著任務(wù)時間和乘員人數(shù)線性上升。

以蘇聯(lián)環(huán)控生保技術(shù)的發(fā)展為例，早期的載人航天都是短期飛行，從“東方”號到“聯(lián)盟”號，環(huán)控生保系統(tǒng)維持航天員生存的時間不超過15天，技術(shù)上主要是采用開環(huán)生保系統(tǒng)。艙內(nèi)二氧化碳的去除采用KOH或LiOH進行吸附，氧氣的補充主要通過非再生超氧化鉀與水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，艙內(nèi)通過氧氮混合氣來調(diào)控大氣壓，并通過活性炭和過濾器來控制微量污染物。對于航天員生活用水的供應(yīng)僅有飲用水，通過水中適量加銀并在發(fā)射前煮沸來控制水中的微生物。在固廢處理方面，主要采用氣流引導(dǎo)來收集大小便，收集后飛船再帶回地面。

圖2 俄羅斯“聯(lián)盟”TMA7

（圖片來源：http://zhongxue.k618.cn/kxsk/hkhtg/twq/201307/t20130702_3460322.htm）

20世紀90年代，中國載人航天計劃重新啟動，環(huán)控生保技術(shù)進入工程研制階段。與美蘇不同的是，中國一開始就瞄準3人航天員乘組的環(huán)控生保需求，并在“神舟”飛船系統(tǒng)中得到應(yīng)用。其技術(shù)特征主要在于座艙大氣控制、座艙大氣凈化、溫濕度控制、艙內(nèi)通風、應(yīng)急生保、環(huán)控生保的測量等方面的研制和應(yīng)用。

圖3 神舟五號飛船

（圖片來源：http://www.china.com.cn/photo/zhuanti/guangyin/2008-11/19/content_16792788.htm ）

然而，面對更長時間的載人航天任務(wù)，非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)將會顯著增加發(fā)射成本，給后勤補給造成較大負擔。因此，需要采用再生式環(huán)控生保系統(tǒng)，來實現(xiàn)生命保障必要物質(zhì)的循環(huán)再生。在下一期的連載中，將為您重點介紹第二代環(huán)控生保系統(tǒng)，敬請期待。

參考文獻：

[1] 王康, 高峰. 載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)50年研制回顧與展望[J]. 航天醫(yī)學與醫(yī)學工程, 2011, 24(6):435-443.

[2] 林貴平, 王普秀. 載人航天生命保障技術(shù)[J]. 2006, 59(5):46-48.