環(huán)控生保系統(tǒng)為航天員保駕護(hù)航

從古至今，我們對(duì)自己生活的地球以外的空間就充滿(mǎn)了好奇和探索的渴望，無(wú)論是嫦娥奔月的傳說(shuō)，萬(wàn)戶(hù)“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(guó)人自己的空間站，我們從未停止對(duì)外太空探索的腳步。但是，人類(lèi)要想離開(kāi)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(méi)有一套完善的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“環(huán)控生保系統(tǒng)”），就會(huì)給航天員的生存帶來(lái)威脅。在航天器密閉艙中為航天員創(chuàng)造一個(gè)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(wú)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(wèn)題呢？首先是實(shí)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(jìn)食、飲水、個(gè)人衛(wèi)生和休閑娛樂(lè)等活動(dòng)，保證航天員正常的生理活動(dòng)。另外，還需要對(duì)在軌期間產(chǎn)生的廢物進(jìn)行收集和處理。最后，實(shí)現(xiàn)煙火探測(cè)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(lái)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(jìn)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(shí)間的長(zhǎng)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(duì)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(shí)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(mǎn)足飛行任務(wù)的需求，中間不需要補(bǔ)給，這類(lèi)航天器需要非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)來(lái)保障航天員的生命安全。它的特點(diǎn)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(guò)攜帶壓縮式的航天食品來(lái)滿(mǎn)足對(duì)食物的需求。前蘇聯(lián)早期的“東方”號(hào)、“上升”號(hào)、“聯(lián)盟”號(hào)飛船，美國(guó)“水星”號(hào)、“雙子星”號(hào)飛船，以及中國(guó)的“神舟”號(hào)飛船，都采用這類(lèi)環(huán)控生保系統(tǒng)。非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(yàn)，而最大的缺點(diǎn)是物質(zhì)的再供給量隨著任務(wù)時(shí)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(hào)到“聯(lián)盟”號(hào)，環(huán)控生保系統(tǒng)維持航天員生存的時(shí)間不超過(guò)15天，技術(shù)上主要是采用開(kāi)環(huán)生保系統(tǒng)。艙內(nèi)二氧化碳的去除采用KOH或LiOH進(jìn)行吸附，氧氣的補(bǔ)充主要通過(guò)非再生超氧化鉀與水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，艙內(nèi)通過(guò)氧氮混合氣來(lái)調(diào)控大氣壓，并通過(guò)活性炭和過(guò)濾器來(lái)控制微量污染物。對(duì)于航天員生活用水的供應(yīng)僅有飲用水，通過(guò)水中適量加銀并在發(fā)射前煮沸來(lái)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(lái)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(lái)源：http://zhongxue.k618.cn/kxsk/hkhtg/twq/201307/t20130702_3460322.htm）

20世紀(jì)90年代，中國(guó)載人航天計(jì)劃重新啟動(dòng)，環(huán)控生保技術(shù)進(jìn)入工程研制階段。與美蘇不同的是，中國(guó)一開(kāi)始就瞄準(zhǔn)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(fēng)、應(yīng)急生保、環(huán)控生保的測(cè)量等方面的研制和應(yīng)用。

圖3 神舟五號(hào)飛船

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

然而，面對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間的載人航天任務(wù)，非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)將會(huì)顯著增加發(fā)射成本，給后勤補(bǔ)給造成較大負(fù)擔(dān)。因此，需要采用再生式環(huán)控生保系統(tǒng)，來(lái)實(shí)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(diǎn)介紹第二代環(huán)控生保系統(tǒng)，敬請(qǐng)期待。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)與醫(yī)學(xué)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.