航天器環境控制

能在地球大氣層以外的宇宙空間運行的各類飛行器稱為航天器(spacecraft)。航天器又可分為無人航天器(如各種人造衞星及太空探測器等)和載人航天器兩種。從目前發展情況來看， 載人航天器只有三種類型， 即載人飛船(manned spaceship)、航天飛機(spaceshuttle)和太空站(space station)。

航天器環境控制多與生病保障相聯繫，二者共同構成的環境控制與生命保障系統是有效保障航天員在太空中生活的基礎。

為了保證航天員的生命安全， 載人航天系統必須擁有一套獨立完整的救生設施， 而無人航天器就無需考慮這個問題。因為載人航天是一項複雜而又艱險的活動， 在整個飛行過程中， 包括髮射、上升、軌道運行， 以及返回着陸過程中， 都有可能發生緊急情況。萬一載人航天器無法恢復到安全工作狀態， 則必須根據不同的飛行階段， 採用相應的應急救生設備和措施， 使航天員得以逃生、逃避和營救。載人航天器的環境控制與生命保障系統(以下簡稱環控生保系統)是保障航天員在太空環境裏生存、生活和工作的基礎措施。 ^[1]  它的基本作用是維持密閉艙中規定的大氣温度、濕度和壓力，控制大氣成分，淨除二氧化碳和微量污染。

環控生保系統是載人航天器的一個關鍵組成部分。隨着載人航天技術的不斷髮展，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、氣體循環和温濕度控制分系統、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。圖1是水星號飛船的環控生保系統示意圖。 ^[1] 

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；控制艙內的温度、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水的儲存和供應；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、加温或冷卻。

(6)衞生保健功能：提供衣物、用具和睡眠用品；乘員艙的清潔衞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)；便攜式生保系統(portable life supportsystem；PLSS)；艙外活動機動裝置(maneuveringmovable unit ；MMU)等。 ^[1] 

載人航天器在太空的飛行時間有長有短， 環控生保系統的工作模式也有所不同， 主要從補給品的提供情況來看， 可以劃分為非再生式、半再生式和再生式三種系統， 下面分別加以説明：

(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航天器自身攜帶， 或者由其他航天器運送補給。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航天飛機，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用水。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， 在該系統裏， 除了人以外， 還有動植物生存， 猶如一個小自然界。在這個系統裏， 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。這是一種最為複雜的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。 ^[1] 

1992年我國啓動載人航天工程， 環控生保技術進入工程研製階段。環控生保系統雖經過預研和局部的衞星飛行試驗驗證， 但作為一個系統， 它是“神舟”飛船系統中最新的系統之一， 也是我國載人航天需要突破的多項關鍵技術之一。

通過“神舟” 1 ～ 4號無人飛行試驗的驗證，“神舟”5和6號兩次載人飛行任務的考核， 表明環控生保系統的大氣壓力控制技術從系統設計到產品設計形成了自主研製的體系， 為我國載人航天后續任務中對不同的載人密閉座艙的大氣壓力控制系統的設計奠定了基礎。 ^[2] 

載人艙內由人體代謝產生的CO₂和其他氣體以及座艙內由材料或設備產生的有害氣體需要淨化。淨化系統技術在我國航天器上為首次研製和應用， 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， 環控生保系統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。 ^[2] 

由於航天器的熱管理和熱控制技術關係到航天器的安全可靠性問題， 所以一直是航天器系統研究的重點之一。衞星平台大部分是非密封結構， 熱控制技術以被動式温控技術為主。 ^[3]  載人航天器座艙內空氣的温度控制就需要以強迫對流換熱為主的主動式温控技術， 即液體迴路式主動温控技術。環控生保系統的温濕度控制迴路(內迴路)採用乙二醇水溶液為流體迴路工質， 飛船熱控系統外迴路採用全氟三乙胺溶液為工質。內外迴路通過中間熱交換器耦合形成一個完整的流體式主動温控系統。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， 對空氣進行降温。同時， 空氣中的水蒸汽冷凝成液態水。這種降温除濕原理的流體迴路熱控制技術在我國航天器上是首次應用。

環控生保系統在飛船座艙大氣温濕度控制中是一個重要的實施環節， 但艙內大氣的温濕度控制主要還取決於整個飛船的熱平衡狀態。因此，環控生保系統所承擔的空氣温濕度控制還必須與飛船總體、熱控和結構等多個系統密切配合。 ^[2] 

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。在飛船座艙總體佈局設計時應精心佈局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。而在座艙內風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。通風系統中的特種風機設計是環控生保系統技術中的一項重要的單機設備設計技術。航天風機在航天器其他系統中基本不用， 而在地面其他領域裏的小型風機無法適應航天的特殊需要。中心自主研製了多種離心式小型風機和軸流式小型風機， 研發了無刷直流微特電機。從設計方法到工藝製造形成了自主的載人航天特種風機的技術標準， 為今後載人航天器的通風系統設計奠定了基礎。 ^[2] 

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：

飛船密閉艙壓力應急是對航天員生命安全威脅最大的故障之一， 因此必須要有航天服作為飛船密閉艙的安全備份。中國航天員科研訓練中心研製的艙內壓力服是“神舟”飛船的主要個人救生防護裝備。環控生保系統有專門保證艙內航天服供氧的系統， 航天員在飛行中一些特定的時段， 為了安全起見， 在正常的艙壓環境下也需要身穿航天服， 這時需要給航天服通風， 因此， 環控生保系統的航天服循環子系統就有這兩方面的功能。

飛船座艙出現火災也是對航天員造成生命安全威脅的一個重點關注設計問題， 因此， 飛船的防火滅火設計是非常重要的一個方面。載人航天器的防火安全設計技術是一項很複雜的技術， 飛船總體從系統角度建立必需的防火安全設計原則和規範， 環控生保系統提供一定的煙火火情探測設備和一定的滅火設備， 系統還配置了個人呼吸防護面罩， 以備急需時保證航天員的生命安全。

飛船返回艙着陸後的一個可能故障是航天員無法打開艙門， 假如救援人員較長時間不能到達， 就需要打開環控生保系統的着陸通風閥， 並開啓着陸風機， 依靠着陸風機將艙內的空氣與艙外的空氣交換， 保證已經着陸的航天員的生命安全。飛船返回艙應急返回到水面， 尤其是海上時艙門和通風閥都不宜打開， 防止返回艙在風浪中海水灌入艙內， 中心針對這種工況設計有裝填超氧化鉀材料的空氣再生器， 利用超氧化鉀吸收CO2 的同時反應產生O2 的特點， 保證航天員在密閉的返回艙內的O2 供應和CO2 濃度的控制， 以保證航天員在較長時間裏等待海上救援人員的到達。

環控生保系統的這些措施在“神舟”5和6號飛行任務中都沒有使用， 但載人航天人命關天， 因此， 這些措施是必備的。作為環控生保系統應在總體的綜合策劃下對應急狀態下的航天員生命安全措施精心設計、充分試驗， 這也是環控生保系統研製的一個很大的特點。 ^[2]