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    解密国际空间站环境控制与生命保障系统
    来源:深圳市绿航星际太空科技研究院 日期:2019年05月20日  字体:【大】【中】【小】  浏览量:81

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    自2000年11月2日起,国际空间站(ISS)开始常年有人在轨驻留,迄今已历18年余。期间,ISS的环境控制与保障系统(ECLSS)一直在为营造一个可供乘员舒适居住和有效开展科学研究的环境而运转着。

    早期的空间站如“天空实验室”等,需要航天员带上供他们消耗的气体和水,而如今的ISS,除了部分从地面定期补给外,在轨舱段的ECLSS则会尽可能多地、闭环式地回收利用和生产这些消耗品,其功能和性能已非昔日的“前辈”所能及。




    1 大气控制与供给/大气再生

    在地球的干燥大气中,氮气(N₂)氧气(O₂)体积百分比分别是78%和20%。在ISS,也要维持舱内大气压力、氧分压和地面大气相近。由于乘员要呼吸,则需要随时补充大气中的O₂浓度。在一个理想的系统中,是不需要补充N₂的,然而当有航天器离开时,ISS通廊要减压,就会发生气体丢失,因此需要补充N₂。

    获得这些重要气体的途径有两条:一,将地面气体装在气罐中送到ISS;二,在轨制造。从地面补给来的气体或储存在ISS气闸舱外的高压储气罐中备用,或直接排入舱内。


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    制氧装置机柜以及水回收系统机柜图

    运输O₂到ISS的成本很高,因此在可能的情况下,在轨制氧是更好的选择。美国舱段和俄罗斯舱段都配备有电解水制氧装置,其过程是利用电将水分子分解成氢气(H₂)和O₂。还有一种方法是采用固体氧气发生器制氧,燃烧固体“蜡烛”,产生的副产品是氧气。由于具有可燃性风险,这些“蜡烛”只有在极端紧急的情况下才使用。

    除O₂和N₂之外,CO₂是又一个备受关注的大气成分,因为即使是低浓度,它也会降低航天员的精神敏锐性,尤其是长期暴露时更是如此。地球表面的CO₂平均分压低于1mmHg,ISS上的CO₂浓度保持在4mmHg以下,一般在3.5mmHg左右,当浓度超出这个值时,航天员可能会出现头痛。CO₂暴露水平超过20mmHg时会导致乘员头痛、呼吸频率加快、绩效下降、中枢神经系统可能受到抑制。去除CO₂的主要途径是通过CO₂去除装置

    保持大气洁净的另一套装置是微量污染物控制系统(TCCS),它可以去除ISS上可能存在的200多种污染物中的大部分,包括碳氢化合物、酮类、硅树脂、乙醛、硫化物以及无机物。

    大气控制系统的最后一个组成部分是舱间通风(IMV),通过舱段之间的大气交换,使舱内大气形成良好的混合。大约2~3h,舱间通风系统就可以将ISS内的所有大气循环一遍,当发生火灾或化学品泄漏时,舱间通风风机就会关闭。

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    节点舱2的舱段间通风管道示例



    2 温度与湿度控制

    不仅乘员需要舒适的环境,ISS上的一些设备也需要大气将多余的热带走。安装在实验舱、节点舱2、节点舱4和气闸舱的通用舱室通风系统,以及安装在ISS合作伙伴舱段的类似空调系统发挥着循环大气、制冷和大气除湿的作用。通用舱室通风系统直接与舱间通风系统管道相连,使所有舱段之间大气流通,从而保证了大气混合均匀。

    大气被风机吸入,然后通过大气颗粒物高效过滤器冷凝热交换器。当大气通过低温回路水冷的金属层时,其中的水就会在冷板上凝结,然后被吸入小孔,从而与大气分离开来。被除去湿气的较冷大气直接经通风口进入舱内。如果乘员想要调节舱内温度,可以通过调节风机管道内的风门来实现。



    3 水的回收与管理


    水在太空中是极为珍贵的必需品。水可由多种航天器向ISS运送,ISS上水的类型有6种,包括饮用水、技术水、冷凝水、废水、专用液体碘化水环热控系统的主要功能之一就是跟踪各类水的数量。

    来自美国舱段的冷凝水会收集在水处理装置的废水箱中。如果水箱存水太满,环热控系统飞控人员可能就得将水排出站外。通常在水注满之前,乘组就会将水卸载到应急水箱中。应急水箱是一个柔性囊袋,可以容纳约43kg水。

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    在ISS,水处理装置是水系统一个非常关键的部分。首先,储存在废水箱中的水流经一个离心泵,这个离心泵被称为主液体分离器(MLS),然后水通过一个颗粒物过滤器,接着流经多级过滤床,将其中的不挥发性有机物和无机物如肥皂、盐类等清除。

    之后,水在一个可以将小分子挥发性有机物氧化的催化反应器中得到进一步纯化。然后进入气体分离器中,气体分离器可以将氧化过程中产生的气体清除,以避免其对下游整个饮用水总线中安装的精滤器造成阻塞。分离出的气体被送回舱内供乘员呼吸,从而避免了氧气的任何浪费。为预防微生物生长,要向水中添加少量的,然后这些洁净的水就被输出到产水箱中,产水箱可以将水补充给饮水管线。乘员通过安装在这条饮水管线上的饮水分配器来取水饮用或复水食品。水处理装置每小时可处理13L水。制氧装置也利用饮用水管线中的水来产出H₂和O₂。

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    来自尿处理装置的废水也会被加工处理。人尿液中大部分是水,但还含有许多有机和无机的废物,如尿素、氯化物、钠、钾,以及肌酸酐。人们经常会感到惊奇,航天员们喝的竟然是回收的尿液!但实际上这种水比我们在地面饮用的水更纯净。为什么要通过处理ISS上的尿液来替代新鲜水?其根本就是费用问题,6名乘员每日产生大约9kg的尿液,其中约85%(或约7.7kg)要处理成水。2015年,向ISS发射运送0.5kg水的费用大约是2.5万美元,通过尿处理相当于每日节省大约42.5万美元的费用(包括装水的水箱的发射运输费),一年下来,仅水的发射运输费就可节省约1.55亿美元。



    4 应急状况与处理


    ISS上的紧急状况有三类:火灾、快速泄压、有毒化学品溢出。

    火灾是航天飞行中非常严重的威胁,在地面发生火灾,一种选择是快速逃离所处建筑物,相比之下,生活在ISS的航天员,离开ISS则是最后采取的手段。火灾监测与灭火是环控生保系统的功能之一,预防火灾的首要一步就是要确保ISS上所用的材料都是防火的。其次,整个ISS内安装了烟雾探测器,其作用方式类似地面的烟雾探测器。一旦监测到烟雾,软件就会自动发布火灾警告,并在整个ISS以及地面的任务控制中心响起警报。当警报发布时,软件系统的首要反应就是关掉所有风机,关闭舱间通风,从而有助于抑制火情和预防烟雾传播到其它舱段。

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    发生火灾时,乘组需对安全庇护区的大气进行采样,以确保这个区域是安全的。在确认安全后,一个小组将前往火灾现场试着确认着火位置。一旦着火位置被确定,乘组就要用手持式灭火器进行灭火。

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    如果传感器如压力控制组件探测到大气压力下降,很可能是船体出现裂缝,大气正在泄漏,在这种情况下,计算机系统会发布快速减压应急警报;或当乘员感觉到耳膜鼓胀,也可以启动手动快速减压警报。接下来乘员就要根据应急反应要求来定位、隔离或修复漏洞。

    有毒大气泄漏意味着ECLSS进入保障的最高级别紧急状况。ISS上有多种对乘员有潜在危险的化学品,有些是温和的刺激物,有些则可以致伤甚至夺去乘员的生命。除了热交换器接口出现氨泄漏外,其他情况下都不会自动发布有毒物质泄漏的警报,乘员只能凭眼看或鼻闻来发觉异常。

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    乘组通常选择俄罗斯舱段中心柱计算机处的位置作为安全庇护聚集点,因为这里靠近“联盟”号飞船,如果形势严峻到已不能解决,就需要迅速撤离。集合起来的乘组在指令长带领下,执行适当的应急响应程序。应急程序手册被称为“红书”,是纸质版,以应对计算机或电源问题。应急响应是ISS上的优先级关注事项。


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