环控生保系统为航天员保驾护航

从古至今，我们对自己生活的地球以外的空间就充满了好奇和探索的渴望，无论是嫦娥奔月的传说，万户“飞天”的壮举，“神五”载人飞行的成功，到现在建设属于中国人自己的空间站，我们从未停止对外太空探索的脚步。但是，人类要想离开地球，走入外太空，需要抵御宇宙空间中真空、辐射、极端温度以及微重力等恶劣环境因素的影响，如果没有一套完善的环境控制与生命保障系统（简称“环控生保系统”），就会给航天员的生存带来威胁。在航天器密闭舱中为航天员创造一个适居的生存环境并为其生存提供必要的物质条件，这是环控生保系统的重要使命，也是载人航天器与无人航天器的重要区别。

那么，环控生保技术主要需要解决哪些问题呢？首先是实现航天器座舱内的环境控制，提供适宜的温湿度条件、大气压力和大气成分，包括氧气的供应和二氧化碳的去除。其次是为航天员的生命健康提供必要的物质保障和生活设施，解决航天员在轨期间的进食、饮水、个人卫生和休闲娱乐等活动，保证航天员正常的生理活动。另外，还需要对在轨期间产生的废物进行收集和处理。最后，实现烟火探测与灭火，提供必要的应急生命保障系统，也是环控生保系统的重要环节。

图1 环控生保系统的功能

（图片来源：Life Support for Spaceflight (Slides), Karen D. Pickering）

自1961年4月12日前苏联加加林首次进入太空，载人航天技术经历了50多年的发展，环控生保系统的复杂程度也逐渐提高，主要取决于乘员人数的多少和飞行时间的长短。自技术发展至今，环控生保技术经历了三代的探索。第一代环控生保技术主要靠飞船对物资的携带供给，为航天员提供必要的生保物资，我们叫做“非再生式生保系统”。短期飞行的载人航天器，由于航程时间短，需要消耗的资源量少，一次发射携带的物资就可以满足飞行任务的需求，中间不需要补给，这类航天器需要非再生式环控生保系统来保障航天员的生命安全。它的特点是航天员的生活物资等都是消耗式的，如航天员在轨所需的氧气采用贮存方式，发射前将贮存设备安装在航天器上；所需的水都要在飞行前贮存在特制的有消毒装置的贮水系统中；所需的食品则是通过携带压缩式的航天食品来满足对食物的需求。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，以及中国的“神舟”号飞船，都采用这类环控生保系统。非再生式环控生保系统的优点是系统可靠性和技术成熟度高、耗能小，并具有丰富的工程应用经验，而最大的缺点是物质的再供给量随着任务时间和乘员人数线性上升。

以苏联环控生保技术的发展为例，早期的载人航天都是短期飞行，从“东方”号到“联盟”号，环控生保系统维持航天员生存的时间不超过15天，技术上主要是采用开环生保系统。舱内二氧化碳的去除采用KOH或LiOH进行吸附，氧气的补充主要通过非再生超氧化钾与水反应产生氧气，舱内通过氧氮混合气来调控大气压，并通过活性炭和过滤器来控制微量污染物。对于航天员生活用水的供应仅有饮用水，通过水中适量加银并在发射前煮沸来控制水中的微生物。在固废处理方面，主要采用气流引导来收集大小便，收集后飞船再带回地面。

图2 俄罗斯“联盟”TMA7

（图片来源：http://zhongxue.k618.cn/kxsk/hkhtg/twq/201307/t20130702_3460322.htm）

20世纪90年代，中国载人航天计划重新启动，环控生保技术进入工程研制阶段。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，并在“神舟”飞船系统中得到应用。其技术特征主要在于座舱大气控制、座舱大气净化、温湿度控制、舱内通风、应急生保、环控生保的测量等方面的研制和应用。

图3 神舟五号飞船

（图片来源：http://www.china.com.cn/photo/zhuanti/guangyin/2008-11/19/content_16792788.htm ）

然而，面对更长时间的载人航天任务，非再生式环控生保系统将会显著增加发射成本，给后勤补给造成较大负担。因此，需要采用再生式环控生保系统，来实现生命保障必要物质的循环再生。在下一期的连载中，将为您重点介绍第二代环控生保系统，敬请期待。

参考文献：

[1] 王康, 高峰. 载人航天器环控生保系统50年研制回顾与展望[J]. 航天医学与医学工程, 2011, 24(6):435-443.

[2] 林贵平, 王普秀. 载人航天生命保障技术[J]. 2006, 59(5):46-48.