载人飞船环控生保系统的参数测量.docx

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载人飞船环控生保系统的参数测量

载人飞船环控生保系统的参数测量

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摘要：

环境控制与生命保障系统是飞船上十分重要又相当复杂的系统，是直接关系到航天员身体健康和生命安全的系统，也是关系到航天任务能否圆满完成重要系统。

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验，进行了“神舟”飞船环控生保分系统的研制，并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。

本文在回顾载人航天器环控生保系统技术研究发展的基础上，重点介绍载人飞船环控生保系统的参数测量，同时简单介绍下载人航天器中的环境控制和生命保障系统。

关键词：

载人航天器、空间站、环境控制与生命保障系统、系统参数测量

一、绪论

环境控制与生命保障系统是任何载人航天器必备的系统。

是区别航天器是否是载人航天器的显著标志，是航天技术从无人航天向载人航天发展必须首先要突破的关键技术之一。

环境控制与生命保障系统是飞船上十分重要又相当复杂的系统，是直接关系到航天员身体健康和生命安全的系统，也是关系到航天任务能否圆满完成重要系统。

该系统不仅与飞船系统及其各分系统有复杂的技术接口界面，还与航天员系统有着更加密切的联系。

在飞船正式执行载人飞行前，环境控制与生命保障系统必须在不同的系统层次上进行严格的试验验证，充分证明系统合格后，才能实行载人飞行。

环境控制与生命保障系统在载人航天中的重要作用和技术难度，受到了广泛的重视和关注。

飞船环境控制与生命保障系统的基本任务是在密封舱（飞船轨道舱、返回舱）内为航天员创造一个基本的生活条件和适宜的工作环境：

即对座舱大气的环境（包括大气的压力、气体成分、温度和湿度等）实行人工调节控制；为航天员提供生命支持，即向航天员供氧、供水和供食；对舱内航天员生理代谢等产生的废弃物进行收集和处理；为舱内可能出现的火情实行探测和抑制。

载人航天器生命保障基本技术，一般可分为非再生式、部分再生式和全再生式（或称全闭式生物生态系统）。

美国从水星、双子星座、阿波罗飞船到航天飞机，俄罗斯（前苏联）从东方号、上升号、联盟号到当今的联盟-TMA飞船。

虽然，两国一代又一代飞船的环境控制与生命保障系统进行了不断的改进和完善，各自的系统技术和组成不完全相同，发挥了各自的技术专长和技术优势，系统也各具特色。

但其系统都采用了非再生式生命保障技术（即为航天员提供生命支持的物质，经航天员消耗后不再再生利用）。

美、俄等多个国家都早已开展了部分再生和全再生式生命保障技术研究，但只有部分再生式技术在飞行时间较长的空间站上使用，而全再生式技术目前仍还在研究中，未见空间应用的报道。

根据国家发展航天技术的总体规划，作出了以飞船起步，在20世纪末或21世纪初突破载人航天技术的伟大决策。

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验，进行了“神舟”飞船环控生保分系统的研制，并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。

我国“神舟”5和6号载人飞船飞行任务的圆满完成，表明中国已经突破了载人航天技术，中国航天器研制实现了从“无人”到“有人”的突破，使中国航天技术实现了质的跨越。

本文在回顾载人航天器环控生保系统技术研究发展的基础上，重点介绍载人飞船环控生保系统的参数测量，同时简单介绍下载人航天器中的环境控制和生命保障系统。

二、正文

（一）飞船环控生保系统主要任务和技术要求

1.主要任务

载人航天器生命保障基本技术，一般可分为非再生式、部分再生式和全再生式（或称全闭式生物生态系统）。

飞船环境控制与生命保障系统主要任务是：

1）确保返回舱和轨道舱内具有合适的大气总压和氧分压；2）提供航天员代谢所需的氧气；3）排除航天员代谢产生的CO2，,控制其他微量有害气体的浓度在要求的范围内；4）控制返回舱和轨道舱内气体的温度、湿度，为航天员提供合适的温湿度环境和舱内通风条件；5）为航天员提供饮水，实施供水、冷凝水管理和食品管理；6）收集和处理航天员生理代谢产生的废物和舱内其他废弃物；7）具有烟火探测能力，并备有相应的灭火措施；8）飞船发生压力应急时，实施压力应急转换，保障着航天服的航天员生命安全。

2.技术要求

环境控制与生命保障系统技术要求主要来自飞船、航天员两大系统及其相关系统的定性和定量的要求，主要有：

1）航天员飞行人数及周期；2）分系统设备允许的重量、体积、能耗；3）舱内及航天服内大气物理参数的控制要求；4）航天员的生理医学参数（航天员不同状态下的氧耗率、二氧化碳排出率、产热率、排湿率、以及饮水量、排尿量、一次大便量等）；5）系统的安全性和可靠性要求；6）系统和部组件的环境试验要求、电磁兼容性要求；7）系统的边界条件、限制因素和接口关系等。

（二）系统参数测量

1.供气调压分系统参数测量

座舱压力制度是指载人航天器座舱内采用大多的大气总压和氧分压以及稀释气体的种类和分压力。

座舱压力制度取决于生理学和工程技术两个方面，要均衡考虑。

从生理学的角度，座舱压力制度的选择应该使航天员不产生缺氧反应和高氧反应，无低压效应，减少减压病发生的几率。

生理学要求是系统的设计依据，也是系统最后验证评定的重要标准。

从工程技术方面，在总压选择是要考虑舱体结构强度及质量；在氧分压选择是要考虑材料的可燃性，避免火灾发生。

因此在载人航天的环控生保系统中的大气总压和氧分压的参数测量是十分重要的。

为降低氧浓度，避免高氧效应，减少火灾，需要充以一定的比例的稀释气体。

但氧分压过低，会引起各种缺氧反应，人的精神效能开始受到影响；氧分压过高，也不能保证正常的新陈代谢，人会出现中毒现象。

因此氧分压必须控制在合适的范围内。

根据有关数据，乘员对氧分压的正常要求是22kPa,保证乘员正常生理活动的氧分压范围是21到34.5kPa，应急氧分压不低于11kPa。

图中所示是氧浓度的生理影响区。

根据航天技术发展状况，舱内大气趋向于采用氧氮混合气的模式，因此我们就对该混合气的参数测量进行讨论。

供气调压系统主要由气源组件，减压组件，供气开关组件和排气组件等构成。

1）气源组件包括氧源和氮源两种，主要由充气阀、气瓶、压力传感和温度传感器组成。

其中涉及到参数测量的是气瓶压力传感器和温度传感器，它们是检测氧气瓶和氮气瓶储气压力和温度的敏感元件，用来计算瓶内气体的储量，在飞行过程中，随时监控氧气瓶和氮气瓶的储量，以确定是按照计划飞行还是提前结束飞行任务。

2）氧氮减压阀组件由减压阀、安全阀、和减压器出口压力传感器组成。

其中涉及到参数测量的是减压阀靠敏感元件（如膜片，弹簧等）改变阀瓣位置来实现减压，其选用时一定要确定进口和出口的压力，因为不同的进出口压力，所配的敏感元件也不同。

减压阀的出口设置压力传感，用于检测减压效果，一旦出现减压压力严重超出上限，将采取紧急措施防止高压气体进入返回舱和轨道舱，确保供气安全。

3）供气开关组件由氧流量传感器、氮流量传感器、供氧及供氮手动选择阀、供氧及供氮手自锁阀，供气调节器、总压及氧分压传感器和供氧、供氮限流组器组成。

其中涉及到参数测量的是氧流量传感器测量氧流量；氮流量传感器测量氮流量；总压及氧分压传感器测量大气总压和氧分压；供气调节器用于流体管路对下有压力按要求控制在一定范围的调节装置，其包含了三个必需元件：

限流元件、测量元件和加载元件，其中测量元件一般采用活塞、膜片、膜盒、波纹盒等敏感元件，完成供气调节的参数测量任务。

4）排气调压组件和排气泄压组件，前者安装在返回舱舱壁上，后者安装在轨道舱舱壁上，两者在原理、结构和功能基本相同。

排气调压组件由泄压自锁阀、排气截止阀、泄压截止阀、排气流量传感器、排气调节器组成；泄压组件多了一个泄压自锁阀用于加大轨道舱泄压速率。

其中涉及到参数测量的是排气流量传感器，其往往用膜盒作为敏感元件，感受座舱总压，当总压超过报警上限时，膜盒受压带活动门离开活门座，舱内气体经过活动门和单向阀排向舱外。

当舱压回复正常后，膜盒复位关闭排气活门，单向阀也回到关闭状态。

自动供气调压方案图

2.大气净化分系统参数测量

航天员生理代谢产生二氧化碳和其他微量有害气体，舱内使用名目繁多的非金属材料也会不断放出各种微量有害气体，舱内仪器设备也会产生各种污染物。

如果不采取措施使舱内大气得以净化和再生，座舱内空气质量将会急剧恶化，从而影响航天员的工作生活乃至身体健康和生命的安全。

所以，必须进行舱内有害气体的排除，严格将这些有害气体的浓度控制在医学生理允许范围内。

因此对二氧化碳等气体的参数测量就显得很重要。

目前，用来测量二氧化碳分压值的方法很多，按照其原理来分有热导式、辐射吸收式、电导式、化学吸收式、电化学式、质谱式、色谱式、红外吸收式等等，所有这些方法都先后在各个不同领域得到或正在得到广泛的应用。

根据国外大量资料表明，其中红外吸收式特别适合用在军用尤其是宇航飞行中，因此飞船二氧化碳分压传感器即采用了红外线气体吸收原理测量二氧化碳的浓度。

红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。

分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免的伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动—转动光谱，这种光谱为红外吸收光谱。

红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围为0.75—1000um，根据仪器技术和应用不同习惯上又将红外光区分为三个光区：

近红外光区，中红外光区，远红外光区。

根据量子力学原理，光是由光子所组成，当气体收到红外光束照射时，光子作用于该气体分子，该分子选择性吸收某些频率的光子，并从低能态跃迁到高能态；从宏观上看，表现为透射光的强度变小，这种现象称为吸收。

根据这种吸收，可应用于气体浓度的测量。

二氧化碳在红外区有三个比较明显的吸收谱线，一个吸收中心波长位于近红外1.573um处（适用于光纤二氧化碳传感器）、一个位于中红外4.26um处，还有一个就是在我们选择中心波长4.26um处的吸收谱线作为检测依据，因为此波段的吸收最为强烈，衰减最剧烈。

根据气体选择性吸收理论可知，当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。

具体是，当一束光强为I0的输入平行光通过待测气体时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，则光通过气体时发生衰减。

电调制非分光红外（NDIR）技术是当前应用的前沿技术，也是系统的核心技术所在。

采用非分光红外测量技术，在实际操作中可以采用单光束双波长实现，即通过选用两种窄带滤光片，它们的中心波长相近但一个允许待测气体对应的吸收波长通过，而另一片则完全阻止其通过，以此实现调制和提取浓度信号。

同时，为了系统的稳定和测量的精度以及真正实现手持型便携式，我们采用了电调制、低功耗设计方案，利用脉冲控制光源。

而且在实现低功耗的同时也增强了光源的辐射特性和延长了光源的寿命。

电调制的实现，有效地消除了机械调制所带来的种种缺点：

有可动部件，需要专门的马达驱动，调制盘容易损坏，体积大不易于集成化等等。

为了实现设计目标，我们选用专用的手持型电源芯片和微功耗光源，再利用微控制器，整个系统由+5V单电源供电即可，很好地实现了手持型便携式。

非分光红外二氧化碳气体传感器系统的设计构成主要包括：

光源及探测接收模块（传感头）、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换以及由微控制器控制的人机控制和信号显示输出等模块。

其具体的系统结构图如右图所示。

选择恰当的光源和滤光片以及相应的探测器是非常关键的一步。

从传感器出来的信号是极其微弱的，必须对其进行放大和滤波，在获得较强的信号的同时保证尽可能地消除噪声，达到较高的信噪比，为后续的信号处理提供真实有效的数据。

微控制器负责信号的运算和浓度的换算、自动标定、实时的显示跟踪以及实现与计算机的数据通信等等。

如此实现对航天器中二氧化碳浓度的测量。

目前在载人航天器上使用的排除方法：

主要是用氢氧化锂或超氧化物（超氧化钾或超氧化钠等）非再生方法排除二氧化碳，用活性炭吸附和催化氧化等方法排除其他微量有害气体。

超氧化物在排除CO2的同时还放出氧供航天员呼吸，同时还能净化舱内部分其他微量有害气体。

但还要用LiOH辅助排除部分CO2,使得CO2排除和产氧的比与人的呼吸商相匹配。

航天医学工程研究所以前对用LiOH排除CO2的技术研究比较充分，颗粒状无水LiOH制备工艺比较成熟。

所以，十分明确地选用LiOH排除CO2的方案。

3.温湿度控制分系统参数测量

载人航天器中的温度控制系统的主要任务是要在航天器飞行的每一个阶段控制座舱内的大气温度，为航天员提供安全、舒适的温度环境及通风条件，并未舱内的电子仪器设备的正常工作提供合适的温度环境；舱内的大气中的水汽主要来自人及人的活动相关的设施中，这也是载人航天器与无人航天器的明显不同之处，在太空的环境之下，如何收集舱内水分控制舱内大气湿度是个重要的问题。

座舱大气的温度和湿度的设计值取决于人体的热舒适性。

一般来说，座舱大气温度应控制在15到30℃，最佳范围是18到23℃，相对湿度为25%到70%，气流速度范围为0.1到0.3m/s。

另外，舱内设备外表面和座舱外壁内表面的温度不超过40℃，不能低于露点温度。

因此，关于舱内的温湿度的相关参数测量显得十分重要。

目前国际上在航天器研制中所用的温度传感器主要有热电偶和热敏电阻两种。

由于在航天器的应用中，保证测量精度和高可靠性最为重要；另外，在轨温度的监测主要侧重于稳态温度水平。

因此，从这个角度来说，热敏电阻具有一定的优势，目前国内外航天器上用于飞行试验的温度传感器主要采用热敏电阻。

在载人航天器中采用辐射式主动热控方法来对仪器或者航天器某个舱段的温度进行控制的。

其中热控百叶窗是一种利用低幅射率可动叶片不同程度地遮挡具有高辐射率的仪器散热表面的方法来控制温度的装置。

如图为弃装置原理图。

环境控制和生命保障系统中的湿度控制通常是利用冷凝去湿的方法来进行的，即将环境大气冷却到露点以下，收集和去除冷凝水，实现湿度控制。

水的气—液相分离在地面上是很容易的，但在微重力环境中，浮力，自然对流，密度分层等现象已不复存在，因此水的气—液相分离变得比较复杂，一般利用表面张毛细力和惯性力等技术来解决这些问题。

在这种功能中，进行湿度的测量是有必要的。

常见的湿度测量的方法有：

动态法（双压法，双温法，分流法），静态法（饱和盐法，硫酸法），露点法，干湿球法和吸湿法。

早期的载人飞船，随处餐在的冷凝水成为令人十分头疼的问题，“双子星座”飞船曾采用铺设溪水材料的办法简单处理。

现代载人航天器使用一种带有孔板输出机构的冷凝热交换器，以5%通风气流吧冷凝水引出排水细孔，再经过动态水/气分离器吧水和气体分开。

这样的湿度控制装置除湿控制装置除湿效果好，寿命长，循环空气阻力小。

4.水管理分系统参数测量

水管理技术用于为航天员储存和供给足量的符合标准的饮用水和生活用水。

收集冷凝水，卫生和洗涤废水、大小便的冲洗废水；进行废水及废物管理分系统收集的尿液处理和再生，达到饮用水、卫生用水或洗涤用水的卫生学标准；水管理技术的另一个重要方面是水的分配和供给技术，以及为温度和湿度控制等需要消耗性用水的系统及设备提供水的储存和供给技术

在饮用水的储存和供给系统、废水回收过程以及水的净化和储存过程中，必须保持是无菌的。

通常采用巴式灭菌法、在水中添加化学物质和在水回收装置或饮水储存中，电解产生银离子，加进水流这三种办法。

水的回收的基本方法可以归纳为针对尿液中水回收的蒸馏法和主要用于处理卫生用水的废水的过滤法。

为保证供给的水符合使用标准，在载人航天器中的水管理系统中必须要有对水质的检测环节。

在国际空间站上水质监测的大部分工作是由乘员健康保障分系统来完成的。

在水的再生过程中，利用水质的过程控制来检测水处理的下游洁净水的品质。

在国际空间站美国居住舱中安装了过程控制和水质监测设备（PCWQM）。

按照水质标准规定的水质要求，利用PCWQM进行处理后的洁净水的水质监测。

PCWQM检测的项目有：

电导率、pH值、光度计测碘含量和通过CO2红外探测器检测总有机碳（TOC）。

其检测步骤为：

1）PCWQM接受从水处理（WP）离子交换来的洁净水。

2）接通电导率、温度和碘含量检测仪，温度检测数据用于修正pH值和电导率的读数。

每分钟要检测120mL处理后的洁净水。

3）在样品采集回路中连续分析水的总有机碳（TOC）和pH值。

该样品回路是从水处理回路上引出的一个旁路（气流量为1mL/min）。

TOC的分析过程包括：

测量pH值；让样品通过固体酸化剂，将水中的碳酸盐和碳酸氢盐转化成CO2；用总无机碳（TIC）气/液分离器将CO2消除，并将其拍到座舱空气中；将氧气混入样品，并将混合物暴露在紫外线下，是有机碳氧化为CO2。

用总无机碳（TIC）气/液分离器将氧化有机碳产生的CO2分离，并排除；CO2受到红外线照射，吸收红外线，红外探测器检测红外线被吸收的量值。

红外吸收量的大小与样品中的总有机碳含量成正比。

总结与展望

载人航天环控生保系统在早期的航天活动中，由于任务时间较短，采用了非再生式的环控生保系统，因此该系统是一个完全的开环系统。

随着载人航天事业的发展，航天环境控制和生命保障技术已从初期的开环环控生保系统，发展到如今几乎密闭的系统。

再生氧气和再生水技术的发展，将减少对地球再供应的依赖性，增加了远离地球进行长期太空探索的可能性。

完全密闭的生物再生的环控生保系统将为人类定居火星或者更加远的星球铺平道路，环控生保技术的发展将使人类更深入探索太空的梦想变成现实。

参考文献

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北京航空航天大学出版社，2004.

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