解密國際空間站環境控制與生命保障系統

發布時間:2019-02-26 10:42    

自2000年11月2日起,國際空間站(ISS)開始常年有人在軌駐留,迄今已歷18年余。期間,ISS的環境控制與保障系統(ECLSS)一直在為營造一個可供乘員舒適居住和有效開展科學研究的環境而運轉著。

早期的空間站如“天空實驗室”等,需要航天員帶上供他們消耗的氣體和水,而如今的ISS,除了部分從地面定期補給外,在軌艙段的ECLSS則會盡可能多地、閉環式地回收利用和生產這些消耗品,其功能和性能已非昔日的“前輩”所能及。

1 大氣控制與供給/大氣再生

在地球的干燥大氣中,氮氣(N?)氧氣(O?)體積百分比分別是78%和20%。在ISS,也要維持艙內大氣壓力、氧分壓和地面大氣相近。由于乘員要呼吸,則需要隨時補充大氣中的O?濃度。在一個理想的系統中,是不需要補充N?的,然而當有航天器離開時,ISS通廊要減壓,就會發生氣體丟失,因此需要補充N?。

獲得這些重要氣體的途徑有兩條:一,將地面氣體裝在氣罐中送到ISS;二,在軌制造。從地面補給來的氣體或儲存在ISS氣閘艙外的高壓儲氣罐中備用,或直接排入艙內。

制氧裝置機柜以及水回收系統機柜圖

運輸O?到ISS的成本很高,因此在可能的情況下,在軌制氧是更好的選擇。美國艙段和俄羅斯艙段都配備有電解水制氧裝置,其過程是利用電將水分子分解成氫氣(H?)和O?。還有一種方法是采用固體氧氣發生器制氧,燃燒固體“蠟燭”,產生的副產品是氧氣。由于具有可燃性風險,這些“蠟燭”只有在極端緊急的情況下才使用。

除O?和N?之外,CO?是又一個備受關注的大氣成分,因為即使是低濃度,它也會降低航天員的精神敏銳性,尤其是長期暴露時更是如此。地球表面的CO?平均分壓低于1mmHg,ISS上的CO?濃度保持在4mmHg以下,一般在3.5mmHg左右,當濃度超出這個值時,航天員可能會出現頭痛。CO?暴露水平超過20mmHg時會導致乘員頭痛、呼吸頻率加快、績效下降、中樞神經系統可能受到抑制。去除CO?的主要途徑是通過CO?去除裝置

保持大氣潔凈的另一套裝置是微量污染物控制系統(TCCS),它可以去除ISS上可能存在的200多種污染物中的大部分,包括碳氫化合物、酮類、硅樹脂、乙醛、硫化物以及無機物。

大氣控制系統的最后一個組成部分是艙間通風(IMV),通過艙段之間的大氣交換,使艙內大氣形成良好的混合。大約2~3h,艙間通風系統就可以將ISS內的所有大氣循環一遍,當發生火災或化學品泄漏時,艙間通風風機就會關閉。

節點艙2的艙段間通風管道示例

2 溫度與濕度控制

不僅乘員需要舒適的環境,ISS上的一些設備也需要大氣將多余的熱帶走。安裝在實驗艙、節點艙2、節點艙4和氣閘艙的通用艙室通風系統,以及安裝在ISS合作伙伴艙段的類似空調系統發揮著循環大氣、制冷和大氣除濕的作用。通用艙室通風系統直接與艙間通風系統管道相連,使所有艙段之間大氣流通,從而保證了大氣混合均勻。

大氣被風機吸入,然后通過大氣顆粒物高效過濾器冷凝熱交換器。當大氣通過低溫回路水冷的金屬層時,其中的水就會在冷板上凝結,然后被吸入小孔,從而與大氣分離開來。被除去濕氣的較冷大氣直接經通風口進入艙內。如果乘員想要調節艙內溫度,可以通過調節風機管道內的風門來實現。

3 水的回收與管理

水在太空中是極為珍貴的必需品。水可由多種航天器向ISS運送,ISS上水的類型有6種,包括飲用水、技術水、冷凝水、廢水、專用液體碘化水環熱控系統的主要功能之一就是跟蹤各類水的數量。

來自美國艙段的冷凝水會收集在水處理裝置的廢水箱中。如果水箱存水太滿,環熱控系統飛控人員可能就得將水排出站外。通常在水注滿之前,乘組就會將水卸載到應急水箱中。應急水箱是一個柔性囊袋,可以容納約43kg水。

注滿水的應急水箱(左圖)和節點艙1中的“水墻”(右圖)

在ISS,水處理裝置是水系統一個非常關鍵的部分。首先,儲存在廢水箱中的水流經一個離心泵,這個離心泵被稱為主液體分離器(MLS),然后水通過一個顆粒物過濾器,接著流經多級過濾床,將其中的不揮發性有機物和無機物如肥皂、鹽類等清除。

之后,水在一個可以將小分子揮發性有機物氧化的催化反應器中得到進一步純化。然后進入氣體分離器中,氣體分離器可以將氧化過程中產生的氣體清除,以避免其對下游整個飲用水總線中安裝的精濾器造成阻塞。分離出的氣體被送回艙內供乘員呼吸,從而避免了氧氣的任何浪費。為預防微生物生長,要向水中添加少量的,然后這些潔凈的水就被輸出到產水箱中,產水箱可以將水補充給飲水管線。乘員通過安裝在這條飲水管線上的飲水分配器來取水飲用或復水食品。水處理裝置每小時可處理13L水。制氧裝置也利用飲用水管線中的水來產出H?和O?。

ISS乘員們正在飲用從尿液和汗液中回收的水

來自尿處理裝置的廢水也會被加工處理。人尿液中大部分是水,但還含有許多有機和無機的廢物,如尿素、氯化物、鈉、鉀,以及肌酸酐。人們經常會感到驚奇,航天員們喝的竟然是回收的尿液!但實際上這種水比我們在地面飲用的水更純凈。為什么要通過處理ISS上的尿液來替代新鮮水?其根本就是費用問題,6名乘員每日產生大約9kg的尿液,其中約85%(或約7.7kg)要處理成水。2015年,向ISS發射運送0.5kg水的費用大約是2.5萬美元,通過尿處理相當于每日節省大約42.5萬美元的費用(包括裝水的水箱的發射運輸費),一年下來,僅水的發射運輸費就可節省約1.55億美元。

4 應急狀況與處理

ISS上的緊急狀況有三類:火災、快速泄壓、有毒化學品溢出。

火災是航天飛行中非常嚴重的威脅,在地面發生火災,一種選擇是快速逃離所處建筑物,相比之下,生活在ISS的航天員,離開ISS則是最后采取的手段。火災監測與滅火是環控生保系統的功能之一,預防火災的首要一步就是要確保ISS上所用的材料都是防火的。其次,整個ISS內安裝了煙霧探測器,其作用方式類似地面的煙霧探測器。一旦監測到煙霧,軟件就會自動發布火災警告,并在整個ISS以及地面的任務控制中心響起警報。當警報發布時,軟件系統的首要反應就是關掉所有風機,關閉艙間通風,從而有助于抑制火情和預防煙霧傳播到其它艙段。

艙內煙霧探測器

發生火災時,乘組需對安全庇護區的大氣進行采樣,以確保這個區域是安全的。在確認安全后,一個小組將前往火災現場試著確認著火位置。一旦著火位置被確定,乘組就要用手持式滅火器進行滅火。

手持式滅火器配置了載荷機柜噴嘴(左圖)和艙內無遮攔處使用的噴嘴(右圖)

如果傳感器如壓力控制組件探測到大氣壓力下降,很可能是船體出現裂縫,大氣正在泄漏,在這種情況下,計算機系統會發布快速減壓應急警報;或當乘員感覺到耳膜鼓脹,也可以啟動手動快速減壓警報。接下來乘員就要根據應急反應要求來定位、隔離或修復漏洞。

有毒大氣泄漏意味著ECLSS進入保障的最高級別緊急狀況。ISS上有多種對乘員有潛在危險的化學品,有些是溫和的刺激物,有些則可以致傷甚至奪去乘員的生命。除了熱交換器接口出現氨泄漏外,其他情況下都不會自動發布有毒物質泄漏的警報,乘員只能憑眼看或鼻聞來發覺異常。

便攜式呼吸裝置和配置有滅火筒的防毒面具,發生火災或毒性泄漏(諸如氨泄漏)后,乘員將不同的過濾器(橙色盒任意一側)與防毒面具連在一起使用

編譯/武艷萍? 吉定豪

編輯/楊若凡

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