载人航天技术

载人航天技术——环境控制与生命保障系统卫星技术再入返回技术+可回收式卫星+环控生保技术++航天员生物载荷载人飞船生物卫星载人航天器的组成一般的载人航天器包括：

1.结构与机构分系统包括构成载人压力舱及设备舱的壳体；内部支承结构；防结构；交会对接机构；分离解锁机构；舱门机构及天线、帆板展开机构等。2.环境控制与生命保障分系统（以下简称环控与生保系统）环控及生保系统的任务是为航天员创造合适的环境条件，保证他们在航天飞行的特殊环境条件下能够安全地生活和有效地工作。3.热控分系统。4.制导、导航与控制分系统。5.推进分系统。6.测控与通信分系统。7.数据管理分系统。8.电源分系统。9.回收与着陆分系统。10.应急救生分系统。11.仪表与照明分系统。12.乘员分系统，包含航天员及其医监、医保设施和个人所需的设备和用品。13.有效载荷分系统，由各种科学试验和技术试验项目组成的分系统。载人航天技术的发展阶段

根据苏、美的经验，从发射无人飞船开始到建立长期性空间站，花了约三十多年时间，经历了五个阶段。（1）无人飞船利用动物（如狗、猩猩）作为乘客对飞船的各种系统进行轨道飞行及回收试验，为人上天作准备。（2）单人飞船试验人对轨道飞行的适应能力，全面验证飞船的各基本系统。（3）多人飞船一般载2～3人，试验人的舱外活动，飞船的轨道机动、交会与对接，人在两艘飞船之间进行转移等技术，为发展空间试验作准备。（4）短期性空间站一般是单舱式站（或一个生活舱加一个后勤舱），进行压力舱基本系统的试验，进行空间科学、微重力应用、对地观测等试验。美国除了在短期性空间站上作试验以外，还利用航天飞机进行大型空间结构的组装与展开、卫星的回收与维修、从轨道平台上发射卫星等试验。（5）长期性（永久性）空间站是一种模块式组装的大型空间基地，是从科学试验向轨道生产过渡的空间设施。东方号飞船及其运载火箭东方号乘员舱结构图“阿波罗”飞船指令舱登月舱月球车登月舱形状象一只蜘蛛。能把两名航天员从月球轨道送到月球表面，完成任务后，在把航天员送回等候在月球轨道上的指令舱。由航天员在月面上驾驶的工作车，能够载重，机动灵活，节省航天员的体力，大大提高工作效率。穿衣服洗澡在太空中穿衣服十分困难，要比地面花多得多的时间。在太空中洗澡要在密闭的浴室中，不然水就会四处飞扬。睡觉上厕所在太空中怎么睡觉都是一样的。但是要用带子绑好，不然就会在飞船中飘来飘去。在太空中上厕所要在特制的卫生间中进行，排泄物被吸走，并贮存在容器中。做游戏科学考察水泡在失重状态下漂浮在太空中吃饭失重并不影响人的咀嚼和吞咽功能，但是，在太空中吃饭要十分注意，不然食物残渣会危及航天员的安全。精美的食品人在空间的耐久力的问题美、苏两国三十多年的载人航天实验，证明了人对空间飞行环境的适应能力，也提出了人在空间的耐久力的问题。美国的结论倾向于人在空间一次值班时间以三个月为宜。苏联人已创下了一次飞行一年的时间纪录。飞行时间过长，会对心血管系统，对红血球的减少，特别是骨骼中钙的损失产生不能康复的病变。人的心理因素，舱内的生活环境，食品的营养供应等问题也影响人在空间的长期生活。因此有人倾向于在长期飞行的载人空间飞行器上制造人造重力。苏联载人航天技术发展简况名称发射时间飞船飞行次数主要活动单人飞船（“东方”号）1961.4～1963.66考验人在空间的适应能力，编队飞行三人飞船（“上升”号）1964.10～1965.32舱外活动三人飞船（“联盟”号）1967.4～1970.68机动飞行，交会，对接短期空间站①（“礼炮”1～5号）1971.4～1976.615军事应用空间站（“礼炮”6～7号）1977.933微重力试验及应用，空间科学，对地观察，军事用途长期空间站（“和平”号）1986.2

微重力试验及应用，空间科学①有的学者将短期空间站称作空间实验室。美国载人航天技术发展简况

名称发射时间飞船飞行次数主要活动单人飞船（“水星”号）1961.5～1963.56考验人的适应能力双人飞船（“双子星座”号）1965.3～1966.1110轨道机动，交会，对接．舱外活动三人飞船③

（“阿波罗”号）1968.10～1972.1211③其中6次登月，3次绕月飞行短期空间站（“天空实验室”）1973.5～1979.73空间修理，材料加工，生物医学，地球资源，天文学等研究航天飞机1981.488②

发射、回收与修理卫星、空间实验室，空间站建设长期空间站①（“国际空间站”）1998

①是以美国为主的多国合作项目；②至1998年底；③未包括1967年开始的6次无人飞行；1969年7月20日~21日，阿姆斯特朗第一个登上月球。第一节概述环境控制与生命保障系统是载人航天系统中保障航天员和有效载荷专家生活和工作的系统。一般来讲，生命保障系统可分为五种类型：开式系统、改进式开放系统、最低限度的闭式系统、半闭式系统、闭合系统。功能环控生保系统应在载人航天器临射待命、发射段飞行、轨道飞行、返回段飞行和着陆后等待回收的各个阶段，为航天员（或载荷专家）创造合适的舱内生存环境条件，保障他们在空间飞行的特殊环境下安全地生活和正常地工作。一、环境控制功能大气压力、气体成分、大气温度和湿度；座舱的防火、防噪声和防辐射。二、生命保障功能提供各种生活设施，解决空间飞行条件下的进食、饮水和处理个人卫生问题，保证人的正常生活。具体功能（1）保证合适的大气总压和氧分压；（2）提供氧气及补充泄漏的氮气和氧气；（3）清除二氧化碳及有害气体，保证洁净度；（4）保证合适的温度、湿度和通风条件，收集和管理冷凝水；（5）实行饮用和卫生用水的管理；（6）收集生理废物和其它废弃物；（7）提供舱内航天服及其支持设备，用作座舱环控的安全备份；（8）烟火检测和火情抑制措施；（9）出现压力、温度等应急情况，转入应急工况，保证航天员的生命安全；（10）提供出舱活动航天服及支持设备；（11）出舱活动时座舱压力控制，为航天员提供吸氧排氮装置，保证出舱安全。基本组成供气调压分系统；气体成分控制通风净化分系统；座舱温度湿度控制分系统；水管理分系统；废物收集处理分系统；航天服循环分系统；火烟检测与灭火分系统；食品管理分系统；系统参数测量控制分系统。设计约束条件由于飞行任务和飞行器总体的设计的约束；如：乘员人数；自主飞行时间、飞行任务周期等。飞行环境方面的设计约束；如：力学环境条件、空间环境条件等。来自于航天员方面的医学和工效学要求。如：座舱大气的要求，温度、湿度和通风的要求等。一.开式系统航天员的代谢产物，如二氧化碳和废水等全部不回收再生，而是抛出舱外或封存起来带回地面。消耗物质通过天地往返系统来输送和补给。载人飞船、航天飞机和初期空间站都是这类系统。如美国载人飞船和航天飞机采用液态超临界压力储存主氧和高压气态储存辅助氧供航天员呼吸。航天员呼出的二氧化碳由消耗性氢氧化锂吸收，二氧化碳和氢氧化锂本身作为废物带回地面。水由地面补给，一切废水和废物都不加利用，甚至散热也常用水作为蒸发的消耗性材料。二.改进式开放系统二氧化碳的净化系统采用可再生式的方案，采用再生式分子筛替代消耗性的氢氧化锂，如“天空实验室”。三.最低限度的闭式系统（1）采用再生式净化方式除去舱内的二氧化碳； 一人一天产生490升二氧化碳 4KO2+2H2O+4CO23O2+4KHCO3（2）卫生用废水再生；卫生用水再生已用于前苏联载人空间站。四.半闭式系统闭合氧和水两个回路，完全使水和氧再生。五.闭合系统闭合氧、水和碳的回路，可定义为：生物和非生物以闭路的形式在总系统边界进行质量交换的集合体系。在边界内，各种成分之间形成由生态系统动力学决定的物质流，系统要存在下去，物质流就要形成闭环。最简单的生态系统环为三步过程：植物在光合作用下把CO2和其它成分转变为有机物和O2；植物以食物的形式供人食用，O2为人所吸收；人的氧化废物作为无机营养供给植物，形成闭环中只有光辐射作为外界的输入，但物质流是闭合的。闭合系统组成由一组相互独立而又相互联系的分系统组成，包括：舱内环境控制；氧气的供应与二氧化碳的处理；水的处理与供应；废物处理；温、湿度控制；乘员系统（保健、卫生设备、饮食与居住设备）；航天员与舱外活动生命保障系统。正常情况下人体的主要代谢参数

每天人的消耗量3人90天的消耗量氧0.84kg227kg水26.5kg7155kg二氧化碳净化剂1.84kg500kg食物1.1kg291kg第二节系统设计的依据与要求一.载人系统总体设计的影响因素和要求二.航天医学的要求三.系统工程设计一.载人系统总体设计的影响因素和要求1.系统组成的影响 不同舱段的设计对生命系统的影响。2.补给周期的影响3.电源系统的影响电源提供氧和水，甚至碳的回路。4.航天员人数及工作模式航天员人数和性别确定后才能对生保系统进行系统设计和总体布局设计。5.空间站工作的寿命与成本要求二.航天医学的要求（一人）1.舱内大气总压和气体成分需要氧气0.84kg/天，最高0.061kg/h。2.二氧化碳浓度的影响排出CO21kg/天。3.舱压变化率4.航天员的舒适条件包括舱压、壁温、气温、循环气体流动速度和温度。5.舱内大气污染的要求（1）人的代谢产物活性炭吸附，除臭，除微量有害气体。（2）挥发性的物质过滤，清除微尘和气溶胶。（3）设备的有害气体CO、CH4、H2、C2H2：催化燃烧，需要选择合适的催化剂，使能在室温下反应。三.系统工程设计制定系统工程设计方法的要求和地面规则；确定可能实现的闭环方案；建立关于氧和水闭环回路基本物质的系统水平上的质量平衡；进行系统水平的综合比较研究，选择最优的闭环方案；进行概念设计，制定出分系统的技术要求和有关技术方案；进行分系统水平的综合比较研究，选择各分项分系统的基本方案。第三节气体储存与压力调节技术气体环境是建立、维持和保障航天员生命安全的首要条件。气体的主要成分是氧气和氮气，氧氮气体储存和压力调节技术是保障舱内大气压力和成分的基本技术，在载人航天设计中占有重要的地位。一.气体储存技术1、高压气态储存技术系统简单，存放时间长；但重量大，体积大。应用超高强度合金高压容器：15~50MPa2、超临界压力低温储存技术体积小，重量轻。如超临界液氧贮存：-183℃，ρ液=800ρ气

若主电源采用燃料电池，则更合理。3、固态氧处于研究中。二.压力调节技术组成：气源组件、减压组件、供气开关组件和排气调压组件等主要技术模块。作用：不但控制舱内的总压和氧气的分压，还为供水等系统提供加压的气源。第四节舱内大气净化技术一.二氧化碳净化技术氢氧化锂吸收技术和超氧化物（如KO2）与氢氧化锂综合吸收技术；LiOH吸收CO2超氧化物具有吸收CO2和供应氧气的双重功能。但由于吸收的CO2与提供的O2的比例与人体排出的CO2和吸入的O2的比例不同，需另外用LiOH吸收剩余的CO2。二.微量污染的净除活性炭吸附剂：臭气和微量污染物催化燃烧：一氧化碳通过催化氧化变为二氧化碳。过滤：去除微尘和气溶胶第五节舱内大气温度和湿度的控制废热来源：人体的代谢热、舱内仪器设备的废热和透过舱壁来至于外部的漏热。其中人体代谢热约占50%，且波动较大。水汽来源：人（呼吸和体表蒸发，每人每天排湿量约1800g；饮水和个人卫生活动）及与人的活动相关的设施。任务：排热去湿本节内容：1.舱内大气温度控制；2.湿度控制一.舱内大气温度控制分主动温控和被动温控两部分。前者属于环境与生保系统，后者属于结构本身。主动温控的功能是在各飞行阶段散去载人航天舱内产生的废热和来自其它热源的热流。系统包括：通风散热分系统；流体传输回路；散热回路；散热器；冷却板；消耗性热源。热最后通过散热设备辐射到空间中。一般温控系统中都有两路并行系统保证其可靠性。例：消耗性蒸发剂散热器——空间水蒸发器二.湿度控制在微重力条件下，人的活动产生大量的水汽，如不清除将达到饱和状态。由于在微重力条件下，水汽的冷凝和收集与地面不同，因此要特殊处理。与温度控制联系起来进行。系统组成：冷凝热交换器、水分离器和水收集器。少数情况采用吸附剂（如分子筛）进行部分控制。难点：微重力下的气液分离问题。第六节废物处理系统早期的载人航天器的废物处理比较简单，直到出现天空实验室和航天飞机时才有比较完善的系统，如“天空厕所”。液态废物：尿液（约1.5kg/天）、湿气的冷凝水和个人卫生用水。固态废物：粪便、呕吐物及其它生活废弃物。液态废物和固态废物的收集和处理系统。例：美国航天飞机的大、小便收集系统第七节氧的再生技术航天员每天呼出1kg的CO2，吸入0.84kgO2。净除舱内的CO2和把它转换为O2的技术称为氧的再生技术。分三步进行：一.CO2浓缩技术二.CO2还原技术三.电解制氧技术一.CO2浓缩技术收集并浓缩CO2的技术。1.分子筛二氧化碳净化技术；美“天空实验室”2.固态胺二氧化碳净除和浓缩技术；吸收——解吸方法3.电化学二氧化碳收集与浓缩技术；4.膜扩散方法。二.CO2还原技术二氧化碳加氢还原为水的过程。1.Sabatier二氧化碳还原（转化率高：98%）CO2＋4H2

CH4＋2H2O＋放热产生的CH4排出或用作推进剂2.Bosch还原（多次循环，转化率低）CO2＋2H2C

＋2H2O缺点：C吸附在催化剂上不易去除。催化剂：铁、钴、镍、钌铁合金三.电解制氧技术1.固体聚合物电解制氧技术固态电解质：过氟磺酸型的离子交换薄膜浸水后，导电性好。2.静态供水电解技术H2O＋电解H2＋0.5O2+热第八节水的再生技术一.多层过滤技术二.膜技术的应用三.相变废水处理技术四.废水和废物的综合处理系统水和空气的重复利用一.多层过滤技术多级滤器：去悬浮物正负离子交换树脂床：清除溶于水的无机物；活性炭吸附床和微生物控制装置：去除水中有机物质以保护水质。二.膜技术的应用反渗透膜超滤膜和反渗透膜，废水在一定压力下通过膜处理器。超滤膜：去除悬浮物和高分子污染物反渗透膜：排除有机颗粒、微生物和大部分低分子量的盐类。三.相变废水处理技术1.蒸汽压缩蒸馏技术2.热电膜蒸发组合系统3.汽相催化除氨废水处理系统4.闭环空气蒸发式废水处理系统四.废水和废物的综合处理系统废水、废物变为水、气体和固体残渣。例：航天飞机组合式便器内部结构示意图第九节航天员的安全防护为了保护航天员在舱内发生火灾等危险情况时的安全，太空舱内应设置烟、火检测和消防系统。在发生火灾时，由探测器送出报警信号。此时的航天员立即穿上防护服具和个人救生装备投入灭火，并由救生装备提供氧气。当不能在舱内工作时可进入救生艇避难。第十节系统参数测量和控制信息的提取和预处理；提供给地面和航天员显示界面；用于实施控制；用于故障控制。第十一节典型环境控制和生保系统一.美国“双子星座”飞船环控生保系统二.美国航天飞机的环控生保系统三.俄罗斯“联盟”号飞船环控生保系统第十二节航天服航天服是保证航天员在航天过程中生命安全的舱外活动中有效的防护设备。航天服构成一个柔性密闭的空间来保障航天员不受真空环境和强阳光及空间微流尘的危害，以保证完成各舱外活动。