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生命保障系統

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生命保障系統是載人航天中使用的,為使人能夠在外太空生存的一系列設備的總稱。美國國家航空航天局的載人航天飛行中也常稱之為環境控制與生命保障系統 (ECLSS)。生命保障系統可以提供生存所需的空氣、水和食物,並可以維持合適的身體溫度與壓力,同時可以收集或處理代謝中產生的廢物。生命保障系統也必須能夠屏蔽來自外部的有害影響,如射線和微星體。生命保障系統中的所有組件都是關乎生命,所以都是基於安全工程學進行設計。

1 生命保障系統 -簡介

生命保障系統生命保障系統

生命保障系統(CELSS)是維持載人航天器密閉艙內大氣環境,保障航天員安全、生活和工作的綜合措施和設備。

太空艙內的環境控制與生命保障系統,不但是載人航天器上最具載人特色的一個重要系統,而且直接關係到航天員的身體健康、工作效率和生命安全。為航天員提供睡眠、娛樂、鍛煉等日常生活所需要的物質條件和設備。

生命保障系統應具有很高的可靠性,在各種空間和力學環境因素作用下能夠正常運轉,在應急情況下能保障航天員的生命安全;應有最輕的質量和最小的體積,消耗最低的電能,維修簡便省時,儘可能減少乘員負擔。長期飛行的載人航天器生命保障系統需要設有性能更為完善的故障檢測、排除和隔離的系統。

2 生命保障系統 -發展

載人航天器生命保障系統是在飛機環境控制系統和生物衛星生命保障系統的基礎上發展起來的。它除包括壓力、溫度、濕度、供氣和空氣分配等環境控制系統外,還設有航天員系統,即航天員的飲食、休息、睡眠、排泄等日常生活保障系統。此外,航天器與飛機的艙外環境不同,其環境控制系統也有差別。

自從1961年蘇聯航天員加加林乘「東方」1號飛船進入宇宙空間,航天任務的內容不斷擴展,續航時間增長,航天員不僅要長時間在艙內工作,而且還要出艙活動,在空間行走,直至登月探索。載人飛船、航天站和太空梭的生命保障系統日趨複雜和可靠,已能滿足多乘員、長時間、重複使用的航天任務要求。 

載人航天器生命保障系統的發展已經歷了一個較長的過程,已由早期飛船的簡單系統發展成為可以提供多人長期使用並具有一定重複使用功能的系統。先進的半再生式系統可望在21世紀末投入使用。21世紀,人類將採用閉路受控生態生命保障系統,在空間有限環境里實現自給自足。 

3 生命保障系統 -組成

生命保障系統生命保障系統

載人航天器生命保障系統分為以下分系統。

環境控制分系統

為航天員創造適宜的生活和工作的人造大氣環境的儀器和設備。它的基本功能是維持密閉艙規定的大氣溫度、濕度和壓力,控制大氣成分。包括密閉艙大氣溫度控制、濕度控制、壓力控制、成分控制、通風、大氣監測、復壓控制、壁溫控制和泄漏補償等分系統。溫度控制是以散熱和漏熱補償的方式,藉助於通風循環維持艙內適宜的大氣溫度。濕度控制是除去來自航天員呼出氣體和體表蒸發的水汽。微重力狀態下除濕需要藉助於毛細力和離心力等外力收集冷凝水並將它傳輸到廢水容器。由於艙體泄漏和航天員的代謝消耗, 需藉助於大氣壓力和成分控制系統來補償泄漏氣體和航天員的氧氣消耗,維持恆定艙壓並實現適宜於航天員生存的總壓和氧分壓。對於長期飛行的載人空間站,要裝備大氣監測系統。

大氣再生分系統

維持密閉艙大氣以適宜於航天員生存的設備和儀器。主要用於供氧、供氮、二氧化碳凈化和處理、微量污染氣體凈除和微生物控制等。航天員的代謝物和儀器、設備的揮發物使密閉艙大氣受污染,如果不採取凈化和補充新鮮氧氣等措施,航天員就無法在艙內生活。提供新鮮氧氣的方法有儲存法和還原再生法。氧的儲存包括高壓常溫氣態儲存、單相超臨界壓力低溫儲存和鹼土金屬超氧化物的化學儲存等。氧的再生是把航天員呼出的二氧化碳經過一系列物理化學反應還原為氧的過程。微量污染控制在於消除煙塵、臭氣和其他微量污染氣體並控制微生物的繁殖。通常採用過濾、吸附和催化氧化等綜合處理技術。短期飛行一般採用活性炭吸附技術,但對於使用電子儀器較多的大型載人航天器,還要裝備消除一氧化碳的催化氧化系統。長期飛行,需要設置更加完善的設備和儀器綜合處理有害氣體。此外,還須對航天員進行消毒和檢疫,以防污染密閉艙大氣環境。   

水的供應和處理分系統

供給航天員生活和衛生用水並回收和再生廢水的設備和儀器。短期飛行的載人航天器除裝備儲水容器從地面裝載清潔水外,還配有簡單的供水管系、閥門、加熱和冷卻裝置。而長期飛行和多乘員時,由於耗水量大,必須裝備廢水處理系統,以回收和再生大部分或全部廢水和尿液。

廢水再生技術有:①綜合過濾技術。它可以把冷凝水和二氧化碳還原系統產生的水處理成為飲用水,把來自淋浴設備、洗衣機、洗手和器皿洗滌裝置的廢水處理成為衛生用水。

②相變處理技術。利用相變技術通過蒸發和冷凝的巧妙結合,把尿液等廢水再生成為衛生用水或飲用水。

③膜技術。利用膜的逆滲透原理設計的廢水處理系統是最有前途的廢水處理方案之一,能夠有效地處理洗滌水。

④廢水和廢物綜合處理系統。它可把人體廢液和廢物以及其他廢物綜合處理成為有用的氣體、清潔水和固體殘渣。有些尿液處理系統還必須包括預處理和后處理過程。    

廢物處理分系統

收集、儲存和處理人體排出的糞便、嘔吐物、個人衛生廢物和其他雜物的設備。包括便桶、小便收集裝量、垃圾緊縮器、固體雜質收集器和廢物儲存設備等。在失重狀態下收集廢物需要利用機械力。短期飛行只需將尿、糞便等廢物儲存起來,返回地面后供分析使用。長期飛行時將尿回收、處理和再生成為清潔水可供使用。    

熱控分系統

在載人航天器起飛、在軌和返回各階段的熱力學環境中,為創造密閉艙內舒適的大氣環境而設置的採集、傳輸和散熱系統。用燃料電池作為能源的短期飛行載人航天器,由於水源充足,常以水作為輔助散熱系統的蒸發劑,以便在空間輻射散熱器不能滿足散熱要求時輔助主動散熱系統工作。主動散熱系統包括為航天員和電子儀器散熱的通風迴路、中間傳熱迴路和流體散熱迴路。迴路之間以氣/液和液/液熱交換器進行耦合。 

居住分系統

為航天員提供居住、飲食及日常生活保障的系統。它包括:①起居室。是乘員個人休息的處所。室內應設有輕便睡床、娛樂設施、鍛煉器材、雜訊和燈光控制以及個人修飾用具等。②食物管理和廚房。包括冷凍、冷藏和常溫儲存食物的設備以及配餐和供應飲食的設備。其中包括微波/對流爐,冷、熱飲用水和飲料配給裝置及調料等。③個人衛生設備。是一個能夠控制臭味的封閉單元。    

艙外活動分系統

航天員艙外作業所攜帶的個人保障系統。包括航天服、攜帶式生命保障系統和個人救生裝備等。

4 生命保障系統 -功能

人的生理與代謝需求
生命保障系統生命保障系統

一個正常體形的乘員每天需要消耗總重約5公斤的氧氣、水和食物,才可以完成標準太空飛行任務一天所需工作;與此同時,他也將排泄出多種代謝終產物。大致消耗拆分如下:0.84公斤氧氣、0.62食物和3.52水;並經過身體處理轉化成0.11公斤固體排泄物、3.87公斤液體排泄物和1.00公斤二氧化碳。雖根據每天活動內容不同,上述指標也不盡相同,但都將按照消耗品儲備狀況進行安排。一般來說,一次太空飛行中所需水量為額定值的兩倍以考慮非生理用水 (比如個人清潔)。而且根據任務持續時間的不同,產生廢物的數量和種類也有不同,如果任務時間超過一周,一般會包含毛髮、指甲、皮膚碎屑和其他生理廢物。儘管不像代謝參數變化對人產生反應那樣迅速,太空中的其他環境因素,比如輻射、重力、噪音、震動和照明,也都會影響人的生理反應。

空氣

生命保障系統所提供的環境空氣主要包含:氧氣、氮氣、水、二氧化碳和其他微量氣體,各組份氣體氣壓的代數和為空氣氣壓值,這個值一般為101.3千帕,即海平面標準大氣壓。但如果相應增加氧氣的組份氣壓值,空氣氣壓值也可進行顯著降低 (比如在艙外活動時降低25~26千帕),較低的空氣氣壓可以簡化飛船的結構設計,並減少氣氛損失。一般降低空氣氣壓有兩種方法:一種是保持氧氣比率不變減少空氣氣壓;另一種是允許氧氣濃縮並減少空氣氣壓。 

水的用途是用於乘員飲用、清潔、艙外活動時溫控和其他緊急使用。因為水在太空探索中是不可原位取得的資源,所以必須對水進行高效的儲存、使用和回收 (包含廢水)。 

食物

生命保障系統通常包括了室內植物培育系統,即可以在室內與容器中栽培食物。通常此系統的設計目的是重複利用所有可重複利用的營養物質。這個系統的現實例子有:降解廁所,使用降解廁所可以降解廢物 (排泄物)並將其中可利用的營養物質通過食物作物的處理,製造食物並再次利用。之後按上述過程一直循環以最大限度節約物資。

微生物的檢測與控制

美國國家航空航天局的LOCAD (晶元實驗室應用開發)計劃現在正在開發在長時間太空飛行中使用的細菌和真菌檢測系統。

5 生命保障系統 -種類

飛船上的生命保障系統
生命保障系統艙外航天服

1.太空梭上的生命保障系統

美國國家航空航天局在太空梭上使用了環境控制與生命保障系統,以同時提供對乘員的生命保障和對載荷物的環境控制。太空梭參考手冊給出了以下帶有環境控制與生命保障系統的部分:乘員艙加壓、客艙空氣再生、水冷循環系統、主動溫控系統、上下水系統、廢物收集系統、廢水罐、氣閘、艙外行動單元、乘員高空防護系統、同位素熱發電機冷卻系統和氣態氮載荷清潔系統。

2.聯盟號飛船上的生命保障系統

聯盟號上使用的生命保障系統叫做Комплекс Средств Обеспечения Жизнедеятельности (KSOZh)。 

空間站上的生命保障系統
1.國際空間站上的生命保障系統

1996年的5月,美國國家航空航天局發布了技術備忘錄108508《國際空間站環境控制與生命保障系統技術任務協議匯總報告》。這份報告描述了國際空間站使用的開發水回收系統與空氣新生系統所做的工作。 

艙外活動生命保障系統背包

主要使用的兩種宇航服 (美國的EMU和俄羅斯的海鷹宇航服)都包含了基本生命保障系統 (PLSS)背包,該系統能使用戶進行獨立的不系帶艙外工作。 

6 生命保障系統 -舉例

蘇聯「東方」1號飛船
生命保障系統太空艙
蘇聯「東方」1號飛船的生命保障系統是一種較簡單的短時間的綜合保障裝置。密閉艙內大氣壓力和氧分壓接近地面標準,二氧化碳濃度低於0.5%,艙溫保持12~15,相對濕度為45%~65%,艙內裝有上述各項參數的檢測設備,為航天員提供信息並向地球站傳送遙測信號。利用鹼土金屬的超氧化物吸收艙內和人體排出的二氧化碳,同時釋放氧氣,供航天員呼吸。

調溫裝置和空間輻射散熱器組成溫度控制系統,以調節艙內溫度。艙內濕度靠控制去濕裝置的氣體流量來調節。

航天員的食物是鋁管包裝的肉糜、果醬等膏糊狀食品,進餐時用手擠壓管壁,通過進入管將食物送進口中。在航天服加壓情況下,可通過頭盔食孔進食。加加林穿的航天服是一種結構簡單的艙內服裝,具有加壓和通風功能。  

美國「阿波羅」11號飛船

美國「阿波羅」11號飛船載有3名航天員,續航14天。它有3套比較複雜的生命保障系統,分別設在服務艙、指揮艙和登月艙內。艙內採用100%的純氧環境,為防止火災,起飛前注入一些氮氣。座艙壓力調節器保持指揮艙內壓力為34×10帕(0.34公斤力/平方厘米)。一旦艙體驟然泄壓,應急供氧系統立即大流量供氧,維持座艙5分鐘的安全壓力,以保證航天員穿好航天服。

溫度控制系統具有兩個獨立的冷卻迴路,冷卻介質乙二醇經離心泵循環流動,把人和設備產生的熱量通過空間輻射散熱器向空間輻射散熱。航天服迴路中的二氧化碳和臭氣凈化裝置由兩個裝有氫氧化鋰和活性炭的凈化筒組成,兩者交替工作。凈化后的氣體餘熱通過冷凝器由乙二醇帶走,氣體中的水汽通過水汽冷凝分離器變成冷凝水,周期地排入廢水箱。主氧源是超臨界壓力低溫貯存的液態氧。

供水系統的水源來自氫氧燃料電池的副產品,經凈化處理后供航天員飲用。航天員食物是袋裝的各種脫水食品,加水后食用,味道接近地面膳食。睡覺使用睡袋。人體排出的廢物經收集后貯存。

登月服是具有液冷降溫結構的艙外用航天服。服裝背包內裝有攜帶型生命保障系統和通信系統攜帶型生命保障系統是一個自成體系的小背包,背在航天員身上,它為登月活動的航天員提供呼吸用氧、溫度濕度控制、二氧化碳和廢氣凈化,能保證航天員在月球上工作4小時。通信系統裝在背包內。

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