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    载人航天中二氧化碳浓度控制技术简介
    来源:深圳市绿航星际太空科技研究院 日期:2018年12月26日  字体:【大】【中】【小】  浏览量:136

    前言:载人航天技术是指有人(航天员)参与的,对太空(包括对地球以外的天体)进行探索以及利用太空的特有环境进行科学研究、资源开发与应用的综合性工程技术。在整个载人航天系统中,环境控制与生命保障系统无非是最能代表载人航天特征的一个部分,同时也是对技术和可靠性要求最高的部分。它的主要目的就是维护航天员在太空中的生命保障问题,保证他们顺利地完成任务。碳、氢和氧是维持人类生存的重要三种元素,在太空舱中如何处理好水、氧气、氢气以及二氧化碳的比例以及相互之间的关系,是环境控制与生命保障系统最重要的一个环节。本专题主要介绍在载人航天技术领域的环境控制与生命保障系统中对二氧化碳浓度的研究。前言:载人航天技术是指有人(航天员)参与的,对太空(包括对地球以外的天体)进行探索以及利用太空的特有环境进行科学研究、资源开发与应用的综合性工程技术。在整个载人航天系统中,环境控制与生命保障系统无非是最能代表载人航天特征的一个部分,同时也是对技术和可靠性要求最高的部分。它的主要目的就是维护航天员在太空中的生命保障问题,保证他们顺利地完成任务。碳、氢和氧是维持人类生存的重要三种元素,在太空舱中如何处理好水、氧气、氢气以及二氧化碳的比例以及相互之间的关系,是环境控制与生命保障系统最重要的一个环节。本专题主要介绍在载人航天技术领域的环境控制与生命保障系统中对二氧化碳浓度的研究。

    在地球的大气层中二氧化碳(CO2)的含量约0.03%,它主要来自于有机物的燃烧、动植物的呼吸以及环境中各种物质间浓度的平衡,具体循环过车如图1所示。随着人类对煤炭、石油、天然气等矿物质燃料使用的逐渐加深,CO2等温室气体在大气中的含量逐年升高。随着CO2浓度进一步的升高,气体浓度微小的变化都会导致温室效应加剧、全球气候变暖等一系列的环境问题;同时,CO2浓度的变化还会对人类的身体造成很严重的影响。由于在生物的长期演变过程中,人类已经适应目前的大气环境,所以无论是自然环境还是人造环境,对CO2浓度的控制成为科研人员的主要研究内容。本专题主要从如何控制好密闭空间内CO2浓度的角度出发,简要介绍不同的CO2浓度对人类身体造成的影响、载人航天领域中CO2浓度的控制方法以及CO2主要的吸附方式。

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    在人类正常的活动中,身体的活动和新陈代谢都会产生二氧化碳气体,其中一个正常人每小时大约能够呼出21L二氧化碳。而如果人处在一个密闭的空间内,如果没有二氧化碳的吸收装置,空间内的二氧化碳浓度会迅速升高,较高的二氧化碳浓度会威胁人的生存安全。在潜艇的密闭舱室内,如果不消除CO2,在5h之内,全体艇员呼出的CO2浓度就会积累至1%;当15h后,CO2的浓度便能升高至3%。在载人航天任务中,空间站座舱大气的压力制度通常为:总压(91 ± 10)kPaCO2分压不大于1kPa。当密闭空间大气中的CO2浓度积累到一定程度后,气体浓度的变化会威胁工作人员的健康乃至生命安全。CO2浓度对人类造成的实际影响如图2所示。

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    2 不同CO2浓度对人身体的影响

    通过大量的实验研究证明,在CO2浓度为1%的条件下,工作人员的一般健康状况、血、尿钙、磷含量及尿液的pH均无明显改变,心电图正常,工作能力无影响;在CO2浓度为1~2%浓度的条件下几十天,工作人员能力和基础生理指标无明显变化,慢性呼吸性的酸碱度和电解质平衡出现明显的适应性改变,离开这个环境若干天也未完全恢复;在CO2浓度为3%的条件下十几个小时,工作能力、智力活动能力显著下降;若CO2浓度升高到3~6%的条件下,会出现头痛、恶心、畏寒、运动功能出现某些障碍。二氧化碳浓度达到8%或更高浓度时,人会出现窒息死亡。

    近几十年随着我国载人航天技术的不断发展,空间站、登月计划以及火星的探索计划已经不再是梦想。载人航天技术是指有人(航天员)参与的,对太空(包括对地球以外的天体)进行探索以及利用太空的特有环境进行科学研究、资源开发与应用的综合性工程技术。在整个载人航天系统中,环境控制与生命保障系统无非是最能代表载人航天特征的一个部分,同时也是对技术和可靠性要求最高的部分。它的主要目的就是维护航天员在太空中的生命保障问题,保证他们顺利地完成任务。该系统主要的目的是通过不同物质间的转化,来维护工作人员生存环境的稳定,空间站的环控生保系统具体工作流程如图3所示。

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    3空间站生命保障系统的运转过程

    为了维护空间站内工作人员的生命健康,CO2浓度的控制至关重要。当人处于密闭空间时,空间内的CO2浓度会不断升高。这就需要太空舱内的CO2收集系统来保证太空舱内CO2浓度保持在规定水平。CO2的收集系统是载人航天生命保障系统中重要的子系统,它主要分为CO2的吸附过程以及CO2还原过程,CO2的收集系统的具体工作流程如图4所示。

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    4 CO2的收集系统工作流程示意图

    CO2的吸附过程的主要作用是吸附CO2,避免舱内高浓度CO2对航天员身体健康造成危害;CO2的还原过程的主要作用是将吸附的CO2经处理后送入CO2还原系统,通过反应产生H2O。由于在太空环境中,水和氧气是维护生命条件最重要的元素,再将得到的H2O通过电解的方式生成氧气,从而实现大气再生系统的闭合。

    目前,航天器内二氧化碳浓度的控制技术可以分为不可再生式、物理化学再生式和受控生态再生式三个类型。现有的CO2吸附方式主要包括固态胺吸附、电化学吸附、金属氢氧化物吸附、分子筛吸附以及膜吸附等。在短期载人航天飞行中,一般采用非再生式二氧化碳净化技术,它的特点是:能够在将体积质量和成本造价都控制得较低的情况下,提供较高的工作性能和可靠性,主要使用金属氢氧化物吸附作为二氧化碳的吸附方式。在中长期载人航天飞行中,上述消耗性的非再生式二氧化碳净化技术便面临着质量增加过快和再补给困难等问题,依靠地面定期运送CO2净化材料的做法是不经济甚至不现实的。以上补给的难题推动了再生式二氧化碳净化技术的发展。在目前的吸附方式中,分子筛吸附的性能和安全性已经过了诸如天空实验室,尤其是和平号数十余年的应用检验,具有相当大的发展潜力。在更长时间和更远距离(比如更大型的空间站,月球基地甚至未来的火星基地等)的航天飞行中,由于物资的再补给难度进一步升高,需要考虑再生的物资除氧气和水外,又增加了食品补给等因素,同时对技术的可靠性和效率的要求也更加严格。所以受控生态生保系统主要指在非再生和再生式系统的基础上加入了生物技术,利用植物的光合作用净化二氧化碳,并提供食物给航天员或动物,从而将各种再生循环整合到一起。图5为我国2012-2022太空计划发展蓝图,我国的太空计划逐渐从短期飞行向太空中长期运行发展。

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    5 中国2012-2022太空计划发展蓝图

    深圳市太空科技南方研究院在2014年由深圳市人民政府与中国航天员科研训练中心战略合作协议创办。研究院立足中国载人航天事业发展需求,围绕太空生态与环境技术、重力环境效应与健康维护技术、航天营养与食品工程技术等相关领域,开展应用基础研究、关键技术攻关和航天技术民用开发,积极推进航天技术成果转化,探索“天为地用”和“地为天用”的合作科研模式,实现航天科技和民用技术融合发展。2016617日,研究院组织开展了“绿航星际”4180天受控生态生保系统集成试验(试验平台如图6所示),这也是首次由我国主导、多国参与的“人与环境”大型试验,在试验规模、参试人数、持续时间和技术要求等方面均处于国际同类试验先进水平,吸引了16个国内外科研机构,协作开展21个参试项目。未来研究院将继续本着“支撑载人航天,服务社会民生”的发展定位,开展地外星球生存技术预研,布局国家重大科技基础设施建设,搭建军民融合科研创新和技术转化双向平台,促进科技创新和军民融合的深入发展。

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    6 180天受控生态生保系统试验平台


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