载人航天器环控生保系统研制的发展历程

载人航天器环控生保系统研制的发展历程

当载人或外部宇宙建立基地时，科学家生存的关键是要在封闭的空间内建造封闭的空间，并在封闭的空间内建立环境控制和生命支持系统（css），简称环境控制和生命支持系统。自1961年4月12日前苏联加加林首次进入太空至今已经有50年的历史。50年来,世界载人航天器环控生保技术有了很大的发展。1循环生态保护系统的分类和应用选择1.1饮食保障管理1)密闭空间气体的控制与供给;2)密闭空间温度和湿度的控制;3)提供饮食饮水保障;4)生活废物收集和处理的管理;5)烟火探测与灭火、应急救生管理。1.2环境控制和生态保养系统的分类1化学吸附剂在航天器上储备全部人消耗所需要的O2、水、食物、化学吸附剂,提供收集和处理人生活排泄物和冷凝水的储罐;消耗性物质不循环,为开环式环控生保系统(openloopECLSS)。2生活用水和饮用水用物理化学方法将舱内人体呼出的CO2收集浓缩后再通过电解制氧的方式使其变为供人呼吸的O2;通过物理化学方式将人体排泄的尿液、汗液和舱内收集的冷凝水转变为饮用和生活用水;全部的食品都是储备的,靠地面携带的食品对航天员供应。提供收集和处理人的生活排泄物的储罐。这就是闭环式生保系统(closedloopECLSS)。3呼吸的和水源在航天器或密闭空间内部种植植物,人与植物形成生物圈进行物质循环。人呼出CO2被植物吸收,植物光和作用产生氧气供人呼吸。大便成为有机肥料给植物作为养分、植物成长成熟供给人作为食物。尿液、汗液和冷凝水则进入水的循环,经过处理后成为人可以使用的水源。这就是生物再生式的环控生保系统(ecologicalcontrolablelifesupportsystem,ECLSS)。1.3非再生类航天器载人航天环控生保系统必须为舱内航天员提供生命保障、生活和工作环境,长期载人还要考虑舒适性。由于人种的不同,各国的标准不完全一致,俄罗斯、美国和中国都具有自己的设计标准和要求。根据任务不同,载人航天器分为短期、中长期和永久性载人航天器。不同的航天器在选择环控生保系统时有所不同。短期飞行的载人航天器,例如载人飞船,需要的消耗性资源量小,一次发射携带的物资已经能够满足飞行任务的要求,中间不需要补给,这类航天器需要非再生环控生保系统保障航天员生命安全。前苏联早期的“东方”号、“上升”号、“联盟”号飞船,美国“水星”号、“双子星”号飞船,中国的“神舟”号飞船都采用这类环控生保系统。中期载人航天器,例如美国天空实验室、“宇宙空间实验室和航天飞机、俄罗斯“礼炮”号空间站等。航天员在轨时间相对较长,发射时携带的氧气、水、空气净化材料、大小便的处理等不能维持全任务的飞行期限中航天员的消耗量,中间需要进行补给。由于受到发射频度的限制不能进行完全补给,所以需要对部分物资进行回收循环加以利用,这类航天器需要非再生和部分材料再生的再生式环控生保系统。长期或永久性载人航天器(≥10年),如“和平”号空间站在轨15年,美国牵头的国际空间站已在轨运行10年有余。由于长期补给困难,航天员又要长期在舱内工作和生活,所以需要对人体排出的CO2、水分、大小便以及舱内的冷凝水进行回收,并进行相应的物理化学处理,使废物变为可供航天员呼吸所需的氧气、饮用水,达到物质循环利用。分子筛CO2等处理材料通过吸附与解吸也可达到再生利用。“和平”号、国际空间站都采用了这种形式的环控生保系统。对于永久性载人航天器、月球基地或火星基地等,则需要采用物理化学再生和受控生态结合方式的环控生保系统维持生命活动。2开发与环境质量生保系统的过程和特点2.1环控生保的研制、测试和体制试点阶段19582002年1956年1月苏联政府批准了空间发展计划。1957年10月4日就把第一颗人造地球卫星送上了太空。随后又开始实施载人航天计划。1959年5月22日苏共中央和部长会议下达了建造载人飞船的N569-264号命令,还批准ОКБ-I设计局、N918厂等123家单位参加飞船和环控生保系统的研制。1959年12月~1960年10月间3次发布命令,要求1960年12月发射“东方”号载人飞船。实际上为了加快进度,从1957年起,苏联就已经开始了载人飞船的研制。在进行了许多初期试验工作后,从1958年4月到1958年8月ОКБ-I设计局完成了载人飞船等理论计算工作,详细内容包括载人飞船结构、容积、人员、生保和设计报告等。另外航天医学研究单位研究了人体对于人体过载承受耐力量级等航天医学问题。1958年4月在苏联航空医学代表会议上报告了研究结果。1960年4月,ОКБ-I设计局完成了“东方”号系列载人飞船的设计。为了验证“东方”号系列载人飞船生保功能,前苏联利用动物首先进行了卫星搭载飞行试验并结合其它地面验证试验,充分验证环控生保系统性能。1957年到1961年的4年间,利用卫星和其它航天器飞行的机会,搭载小狗和老鼠等动物进行空间飞行就达7次之多,其中5次成功,2次失败。5只小狗为人类航天事业献身。1957年11月3日苏联发射第2颗卫星,搭载了小狗“莱依卡”,进行了人类历史上第一次载有生命动物的空间飞行试验。卫星上设置有非再生式环控生保系统,为小狗供给空气、食物和水。小狗在轨飞行6d以后,由于当时还没有成熟的航天器返回技术,“莱依卡”为人类献身。早期的载人航天都是短期飞行,从“东方”号、“上升”号到“联盟”号,环控生保系统维持航天员生存的时间不超过15d,技术上采用的是简单的开环生保系统(表1)。继“上升”号之后,苏联成功研制了“联盟”号系列飞船,非再生环控生保技术已经得到完善。此后,研制长期载人空间站的计划开始施行。为了获取人长时间在轨道飞行的基础医学数据和考核环控生保系统长时间工作的能力,1968年2月22日苏联利用“东方”号飞船(ЗКДN9)进行了最后一次搭载动物的飞行试验。小狗“维耶捷勒克”和“乌嘎廖克”在轨飞行了20个昼夜,安全返回地面。1970年苏联正式开始空间站和再生式环控生保系统的研制。其技术特点如表2所示。为了深入验证再生式环控生保的技术性能,从1971年4月到1982年4月,苏联发射了7个“礼炮”号空间站,主要采用非再生式环控生保系统,但对再生式环控生保技术进行了大量的空间试验验证,取得了良好结果。其中“礼炮”6号空间站载人飞行单人持续时间最长达到了211d,站上有人工作时间约达940d。这使空间站的长期运行有了条件。1986年苏联发射“和平”号永久载人空间站,它在轨飞行了15年,再生式环控生保系统得到应用,2001年结束使命。1993年起俄罗斯应邀加入国际空间站计划。2.2美国固着于“双子星”号飞天服的模拟系统1958年7月29日美国成立了国家航空航天管理局(NationalAeronauticsandSpaceAdminis-tration,NASA),1959年抛出了“水星号”飞船航天计划。初始,NASA认识到要搞载人航天,必须首先解决航天服。1959年美国空军(USAF)和美国海军(USN)展开了为NASA研制水星航天服的竞争。这年B.F.Goodrich集团,DavidClack公司和国际Latex集团3家单位交付了自家研制的航天服。在俄亥俄州莱特帕特森空军基地(WPAFB)一个压力为34kPa、安装有半闭环的生命保障系统的密闭舱内,试验人员进行了24h的载人试验评价。美国海军还进行了载人热环境试验。最后,NASA选择了美国海军研制的MarkⅣ压力服。其次,必须解决人进入空间时将遇到的力学过载、航天医学和生命保障等各种问题。重要的是要进行飞行试验来确定人的适应性。为此,1961年5月和1961年7月连续进行了两次亚轨道载人太空飞行,为进一步工作打下了基础。1961年10月24日美国正式成立载人航天器研制中心。1962年“双子”星航天服通过了NASA的评价试验。试验在位于圣路易丝摩的双子星飞船模拟舱内进行。航天员GusGrissom分别穿着由DavidClack公司、Arrowhead制作公司和B.F.Goodrich公司研制的航天服进入模拟舱内对航天服进行评价。根据GusGrissom的评价意见和推荐,最终NASA选定了DavidClack公司制作的航天服作为“双子星”号飞船的配用航天服。这种方式一直贯穿于美国载人航天工程始终,取得良好结果。1962年HamiltonStandard公司被NASA选中为飞船研制环控生保系统。在环控生保技术方面做了深入的研究工作。此后一直为NASA提供环控生保系统产品。与苏联早期一样,美国载人航天器也是短期飞行。从“水星”号、“双子星”号到“阿波罗”号飞船,技术上都采用的是非再生的开环环控生保技术。并且在地面上进行了大量的性能试验。其技术特点见表3。利用这样的环控生保系统,美国在1962年2月20日,由航天员JohnGlenn驾驶“水星”6号飞船绕地球飞行3圈,实现了美国历史上第一次载人飞行。此后又进行了多次“双子星”号飞船、“阿波罗”载人登月舱的飞行,并在1969年6月16日航天员NeilArmstrong和BuzzAldrin乘“阿波罗10”飞船成功登月。前面的成功表明非再生式环控生保系统技术已经成熟。为了进行长期环控生保系统技术研究,麦道公司、Langley集团和约翰逊空间中心等很多单位在早期就展开了再生式环控生保系统的研制。目的是实现密闭载人航天器座舱内氧气、水、食物的循环利用。在美国研制长期载人航天器的过程中,技术上也是采取气、水物理化学再生的方式,使舱内的空气、水和消耗性物资再生重复利用,立足于降低发射成本,延长飞行时间。其物理化学再生技术特点如表4所示。研制过程中,这些技术有的用在太空实验室,有的用在宇宙空间实验室和航天飞机,有的则在空间进行技术验证。利用地面和飞行载人试验的机会进行性能评价。1964年12月~1970年6月麦道公司在空间站模拟舱(spacestationsimulator,SSS)进行了10次地面模拟舱载人的再生式环控生保系统性能试验,试验最长时间达到90d。1972年9月20日在约翰逊航天中心有3名航天员进入直径为6米的模拟舱内进行了天空实验室试验(skylabmedicalexperimentsaltitudetest,SMEAT),试验为期56d。1973年5月14日天空实验室1进行了首次无人发射后,又陆续进行了天空实验室3次载人空间飞行发射。试验中,利用分子筛装置为舱内提供CO2去除的能力,并且由航天员们陆续出舱进行了环控生保系统试验。1978年~1983年在约翰逊航天中心进行了再生式生保系统评价(regenerativelifesupportevaluation,RLSE)和系统集成评价试验。1983年11月28日美国宇宙空间实验室第一次轨道飞行,使用了微量污染物控制系统(tracecontaminantcontrolsubassembly,TCCS)。这次试验欧洲空间局人员参加了美国环控生保系统的监测。航天飞机是美国另一种重要的载人航天器。从1981年起到2011年8月最终结束,经历了多次的载人飞行。其环控生保系统满足每次任务14d左右,4~7名航天员的需求。主要技术大都采用非再生技术,采用消耗LiOH去除舱内的CO2;舱内混合氧氮气体控制,压力101kPa,其中O221.7%,N278.3%;气体储存在高压气瓶里,气瓶压力22.8MPa;集中式水/气冷凝热交换器控制舱内温湿度;仅有饮用水供应,发射前采用加碘的方式杀菌。在天空实验室和航天飞机的基础上,美国于1984年着手空间站的研制。NASA指派马歇尔空间中心(MarshallSpaceFlightCenter,MSFC)负责进行空间站环控生保系统的研制。负责环控生保系统功能、规范和标准的设计制订、部件研发。并且作为空间站环控生保系统组合总控机构。还负责环控生保系统分析模型研制并进行子系统和系统功能分析。完成工作的重点依旧是整个环控生保系统要通过在密闭的模拟舱内进行的载人性能验证试验。为此,马歇尔空间飞行中心建造了环控生保系统支持工程集成试验平台,这里成为空间站环控生保系统试验的基地。从1986年起到空间站组装之前的各个阶段,都在这里进行了再生环控生保系统硬件子系统和整个系统级别的整合集成试验。验证了电解制氧装置(oxygengenerationassembly,OGA)、CO2去除装置(carbondioxideremovalassembly,CDRA)、微量污染物控制组件(tracecontaminantcontrolsubassembly,TCCS)、气体主要成分分析仪(majorconstituentanalyzer,MCA)、水再生装置等再生系统的性能,保证了空间站环控生保系统的性能质量。未来载人航天还将面临星际航行、星球基地等更艰巨的任务。任何单一功能的环控生保系统都不能满足需求,只能应用先进的环控生保系统(advancedECLSS),这种系统将非再生、物化再生和受控生态式环控生保技术融为一体,以满足更加苛刻的需求。对此,约翰逊空间中心目前已经进行了许多试验。1995年到1997年连续4次在约翰逊空间中心直径6米的模拟试验舱内载人的条件下进行了物化再生生保系统、生物再生生保系统的试验,持续时间分别为第1次1人15d、其余3次4人30d,60d,91d,获得了很多试验数据和结果。目前根据试验结果形成了许多实际的未来环控生保系统的方案,并正在展开进一步的工作。2.3非再生式环控生保系统1965年6月至1966年7月,中国利用生物探空火箭,成功将雄性狗“小豹”和雌性狗“珊珊”送上天并成功返回。探空火箭生物舱中装有自动供氧和自动调节CO2浓度的生命保障系统、包括动物屎、尿收集容器。1970年7月14日国家批准“曙光”号飞船计划,不久工程下马。但是环控生保系统的研制仍在缓慢进行。1990年10月5日利用返回式卫星进行了中国高等动物轨道首次飞行试验。密闭生物舱内配有环控生保系统,两只小白鼠在太空存活5天多。20世纪90年代中国载人航天计划重新开始,环控生保系统研制正式展开。与美苏不同的是中国一开始就瞄准3人航天员乘组的环控生保需求。根据技术论证,确定“神舟”号飞船采用非再生式环控生保系统技术。其环控生保技术特征主要在于座舱大气的控制、座舱大气净化、温湿度控制、舱内空气通风、应急状态生保、环控生保系统的测量等方面的研制和应用。技术特征如表5所示。在进行系统精心设计加工的基础上,从1995年7月到2002年12月,进行了5次地面模拟舱进人实验,完成了4次空间无人飞行的试验。所有空间飞行中都在飞船舱内安装了环控生保系统,其中2次携带模拟假人对舱内环境控制进行了实际考核验证。2004年3月到2007年9月根据“神舟”6号和“神舟”7号飞船的任务在模拟舱内进行了2次地面模拟载人飞行环控生保系统性能试验。还进行了便携式环控生保系统低压综合试验、低压舱内低压训练服载人综合试验等诸多试验。2003年10月至2008年9月中国完成了从“神舟”5号到“神舟”7号的3次载人空间飞行,成功实现了载人航天。为了实现更加长远的载人航天,中国从20世纪90年代中期开始了再生式环控生保系统的研制。进行了电解制氧、CO2收集与浓缩还原、水再生等技术和受控生态环控生保技术的研究,取得了一些研究成果,为今后长期载人任务的完成打下了基础,此外还进行了受控生态环控生保系统的多项研究工作,取得了许多成果。2.4欧洲的研究项目欧洲和日本对国际空间站的贡献是载人的哥伦布实验舱和Kibo舱,环控生保系统是再生式的。欧洲在地面上完成了其环控生保系统功能的验证试验。2001年10月至2002年日本完成了包括环控生保系统在内的全部系统的试验。3呼吸再生利用环控生保技术和系统的复杂程度与乘员数量多少和任务时间的长短紧密相关。50年来,由于各种任务不同,美国和前苏联(俄罗斯)在不同型号的载人航天器应用了不同的环控生保系统。20世纪50年代末至60年代,美国和前苏联(俄罗斯)的航天飞行任务都只限制在短期或中期的范围内,航天员也不多于3人。所以O2、H2O和舱内需要控制的气体和清除CO2的化学吸附材料都是通过发射时携带上去的,系统没有再生能力。就连大小便也只是具有收集功能,不能处理。“水星”号飞船第一次载人飞行时甚至没有小便的收集处理。这个阶段的技术相对简单,只需最基本环控生保系统能力,即只要求高压气体能够储存、饮用水清洁卫生、舱内大气可以按照规定的压力制度控制即可。随着空间飞行任务需求增加,需要更多的人在天上工作更长的时间,O2、CO2吸附材料和饮用水的需求量急剧增加,一次发射携带的消耗型物资不能满足任务需求,中间需要补给。这对于环控生保系统就提出了更高的要求。补给的方式有再生和其它飞船再次飞行补给两种。再次发射补给简单,但是耗费大,对于更长时间的任务负担仍然很大。再生的方式技术难度大,需要研究物理化学再生技术和增加设备,要循环利用的关键是人呼吸用氧和水。各种研究表明,航天器座舱内人员呼出的CO2可以进行收集浓缩还原成O2,供航天员呼吸,完成呼入O2和呼出CO2的循环再生利用。人员排出的尿液、呼出的水汽、舱内的冷凝水以及人员洗涤用水可以进行处理循环利用,减少水的补给。为了完成气和水的循环,前苏联(俄罗斯)和美国都进行了相关的技术研究。气体的循环难点是:需要选择合适的固态胺或分子筛吸附材料进行气体CO2的收集浓缩,需要设计完好的CO2还原Sabatier反应器或Bosch反应器,最后还要设计完善的电解制氧装置获得供人员呼吸的氧气,对于水的流动还需考虑微重力下的特征。水再生的技术难点是:要克服微重力对液体行为的影响;废水和尿液化学成分复杂,腐蚀性强,需要耐腐蚀的材料和细菌的灭杀;对尿液处理系统还有水汽分离器、泵、阀门、管道的与水的相容性不明确;有些还具有刺鼻的气味需要除味;水中含有颗粒,需要过滤,对管路清洁度要求高,否则易造成管路堵塞。面对这些技术难点,俄罗斯和美国从方案阶段到最后应用,技术进步呈螺旋式发展,研制中都抓住两点展开工作。第一是做好方案和系统设计,第二是试验验证性能,进行方案比较,找到最适合任务需要的方案。不同之处只是在选择不同的材料、方案时针对自己任务的特点有所侧重。1989年7月31日至8月11日马歇尔空间飞行中心(MSFC)一直在进行国际空间站再生式环控生保系统第二阶段与第三阶段简化集成试验(SIT),这两个阶段的试验都是集成的空气再生子系统的试验。试验的特点是进行方案的比较。例如,在第二阶段试验时进行了SabatierCO2还原系统试验,这个系统是波音公司为“自由号”空间站最低限环控生保系统设计的大气再生系统。在第三阶段试验时,使用的是BoschCO2还原系统。试验发现,Bosch反应器有4个异常:电噪声引发的随机性阀门动作;压缩机暂歇性停顿;正常模式下吹除压力爬升到报警水平;从Bosch反应器中有大量甲烷产出。其中压缩机停歇、吹除压力爬升在改进后得到解决,另外两个没有得到解决。有专家认为BoschCO2还原系统不可能向航天器轨控和姿控系统提供废气,对载人航天器本身的方案选择有影响,因此,国际空间站上选择使用了Sabatier反应装置。Sabatier反应装置使其浓缩的CO2还原成H2、CH4和水,水再参加到电解制氧中去,达到循环。俄罗斯根据自己的实际,在“和平”号空间站只设有CO2的收集和浓缩,但是收集的CO2却没有还原,而是排出舱外。电解制氧的水来自尿液处理再生水。美国和俄罗斯水再生技术发展采取的方式也是通过试验进行方案比较后再进行综合设计获得。通过研究这些方案的选择与应用,可以发现再生循环系统的设计是综合性的,无论在吸附材料选择、在CO2还原反应器和电解制氧装置的方案选择上都必须根据任务的特点、舱内空间的大小和载人航天器供电的特点择优选择,综合考虑。即必须考虑完成任务所需的设备质量、功耗、体积以及冷却能力等的协调性,还有管路、阀门、泵、传感器、过滤器等材料和液体的相容性。鉴于不同任务所需再生装置设计的各异性,美国和俄罗斯在任务中都选取了各自适用的方案、材料,建造了相同功能的再生系统,都分别成功应用于完成相关任务的航天器上。完成了从非再生环控生保系统向物理化学再生环控生保系统的转变,满足了“和平”号空间站、国际空间站舱内环控生保系统要求。受控生态生保系统中的大气控制是其主要功能之一。它的作用主要是通过植物光合作用消耗舱内乘员呼出的CO2,将其转变为O2,实现生物再生大气回收利用。虽然绿色植物可以分担舱内空气的消耗,但是在进行植物生长试验中发现,植物生长时产生的乙烯会对其生长产生不良影响。因此,需要对植物生长产生的乙烯进行控制。美国在20世纪90年代研制了几种植物生长大气控制系统并应用在国际空间站上进行空间飞行试验。植物通用生物处理装置(plantgenericbioprocessingapparatus,PGBA)是一种用于空间飞行试验的舱内植物CO2控制装置,参加了多次空间试验。为了控制植物生长吸收CO2与产生O2的比例,消除乙烯的污染,给PGBA配有大气处理系统(atmospheretreatmentsystem,ATS)。大气控制系统中装配了TiO2光催化材料和活性炭过滤器。这种带有大气控制系统的植物通用生物处理装置可以提供大气、温湿度、光照和营养的自动控制,并可以消除乙烯污染,支持植物的生长。1996年到2000年曾有50种植物在轨道上进行了生长试验。PGBAATS大气控制系统在国际空间站上进行了120d的试验,结果证明这种方式可以在不进行CO2补给和不与乘员