飞船乘员舱生命保证系统

飞船乘员舱(以下简称“船舱”)生命保证系统指保证乘员正常生活和工作能力而在飞船上设置的仪器、设备和必要的生活物品的总称。它主要由大气控制系统、气体储存系统以及水和废物处理系统所组成。生命保证系统还具有检测系统工作状态的仪器、仪表和控制装置。乘员可随时监视系统工作情况，并根据需要进行调整和应急处理。图1、2分别是早期载人飞船生命保证系统和设想中的长期载人飞船生命保证系统示意图。

图1 早期载人飞船生命保证系统示意图

1.密封船舱 2.杂质净除器 3.通风机 4.臭味吸收器 5.CO₂净化器 6.热交换器 7.水分离器 8.滤器 9.氧气瓶 10.减压器 11.通风机 12.热交换器 13.冷凝水

大气控制系统 大气控制系统能按乘员生理-心理要求调节舱内气体环境温度、湿度和压力，控制大气成分，净除二氧化碳和微量污染物。并向船舱供氧或者氧-氮（或其它稀释气体）混合气以补偿乘员的代谢和船舱泄漏消耗。
大气温度控制 载人飞船在航行过程中，可遇到极为严峻的高温环境。热负荷主要来源于人的代谢产热、舱内设备产热以及由外部传入座舱的热量。后者包括吸收太阳和其它天体的辐射热以及再入大气层时传入船舱的气动力热等。船舱大气温控系统主要以散热方式保持舱内适宜温度环境。由于热负荷变动范围较大，温控系统须具有足够散热和调节能力。温控系统分“被动式”、“半被动式”和“主动式”三种。“被动式”不含有流体或运动部件。含有流体或运动部件，且热沉温度低于热源温度的系统称“半被动式温控系统”。若系统使用热泵，且散热温度高于热源温度则称“主动式温控系统”。飞船船舱外部的涂层及其它被动温控技术通常不属于生命保证系统研究的范畴。船舱大气温控系统主要采用半被动式温控技术，利用消耗性液体（通常是水）的蒸发潜热和宇宙真空环境，以控制蒸发压力的方法控制舱内气温。采用水蒸发散热器（或水升华式散热器）的方法只适于短期飞行计划。美国的水星载人飞船曾采用。随飞行时间延长和乘员人数增多，消耗性水蒸发散热技术只能作为辅助性的温控手段，主要采用流体泵压循环温控系统，传热流体通过热交换器把舱内气体的热量带到空间辐射散热器散向宇宙空间。今后应用热管温控技术，系统重量将减轻。

图2 长期载人飞船生命保证系统

1. 飞船船舱排出大气 2. 微量污染净化系统 3.CO₂净化系统 4. 大气温度控制系统 5. 大气湿度控制系统 6. 浴水处理装置 7. 从浴水中回收的水8. 饮用水 9.食物制备 10.食物储存 11.废物12.粪便 13.废物处理系统 14. 储存 15. 尿处理系统 16. 从尿中回收的水 17. CO₂还原 18.氧回收系统 19. 水和废物组合处理系统 20.灰21. 再生氧

大气湿度控制 舱内气体湿度控制系统主要用于除去来自乘员呼出气和汗液蒸发的水汽。去湿方法有二： 一是“干燥去湿法”，利用硅胶和分子筛等先吸附水汽并在宇宙真空条件下“解吸”。另一方法采用冷凝分离技术，简单可靠。其原理是把船舱循环通风气体中的水汽冷凝在热交换器的特制表面上，借助一定压力差，通过透水但不透气的多孔材料把水抽吸到储水容器中，作为蒸发散热或处理待用水源。冷凝水分离器形式主要有三： 带抽吸装置的换热芯体-毛细结构组合式，离心式和亲水-憎水结构组合式等。
压力调节和气体成分控制 船舱内气体环境总压的调节准则是由乘员的生理需要以及上升和返回段船舱结构所允许的压力差所决定。上升段，由船舱泄压阀排放舱内气体，当舱压达到预定值时自动关闭。在轨道航行期间，补偿气体不断注入舱内维持总压一定。如舱内气体环境采用纯氧制度，则由压力敏感元件控制供氧量补偿舱内氧气泄漏消耗。如采用混合气制度则供氧量和供氮量（或其它稀释气体）维持舱内总压和氧分压一定。船舱压力超过预定值时，由船舱压力调节器自动调节。在氧分压控制技术中，选择精度高、性能可靠的测量元件极为重要。近年极谱式氧分析仪和质谱氧分析仪已被成功用于载人航天氧分压测量和大气控制系统。
二氧化碳净化 船舱大气控制的关键问题之一是净除乘员不断产生的二氧化碳。美国短期的水星、双子星座和阿波罗计划和航天飞机均采用氢氧化锂吸收剂，性能可靠，在含有水汽的气体中可以很容易地吸收二氧化碳。其化学反应式为：
2LiOH+CO₂→Li₂CO₃+H₂O+485kcal/kg CO₂
分子筛是一种可重复使用的二氧化碳净化剂，在天空实验室中曾采用，效果良好。还有一些再生式二氧化碳净化方法，如电渗析、低温冻结、扩散以及液态或固态吸收剂、吸附剂等。按照吸附和解吸期间系统所处的条件又可有：变温解吸、低温解吸、纯净气体解吸、置换解吸和组合解吸等类别。近年对固态胺和氢去极化电池的研究也已取得可喜成果。固态胺在较低温度下更易再生，在低二氧化碳分压下有更好的吸收能力，并且不需预先干燥。氢去极化电池较分子筛和固态胺的等效重量要轻得多。
微量污染控制 微量污染控制系统的功用在于消除烟雾、尘埃、臭气及其它微量有害气体并控制微生物的繁殖。微量污染物来源于人体排泄物和设备的挥发物等。微量污染物浓度极低，检测和鉴别困难，常规化学分析和吸附、吸收等得不到满意效果。控制方法可以采用过滤、催化氧化燃烧和吸附等综合处理技术。强迫通风式干过滤可以除去尘埃。吸附技术可以有效地消除臭味和烟雾，活性炭能较好地吸附中、高沸点的碳氢化合物，但对低沸点的气体，如CO₂、H₂和CH₄ 等，效能都很差，要采用催化氧化燃烧方法。强碱、重金属盐、酚、乙醇等都有抑制细菌繁殖的作用，催化氧化燃烧的加热过程也有抑制细菌繁殖的作用。必要时可辅以紫外线消毒。
气体储存系统 由于乘员的代谢消耗、船舱的泄漏以及意外减压条件下恢复舱压的需要，氧和氮 （或其它稀释气体）的储存和供给极关重要。储存的方法有：高压常温气态储存、单相超临界压力低温储存、两相亚临界压力低温储存、固态储存和化学储存等。高压常温气态储存，方法简单可靠，可长期储存，并能提供船舱复压所需的供气流量，也可作为出舱活动生命保证系统充气气源。低温储存，具有较低储存压力和高流体密度，储存体积小、结构重量轻。单相超临界压力低温储存，能象气态储存一样供给单相气体，在任何重力状态下都能正常工作。两相亚临界低温储存，重量更轻，但由于气液混合存在，须解决相分离技术问题。固态氧储存，储存密度最大而无需承压壳体，但气化控制相当困难。迄今为止，高压气态储存和超临界压力低温储存仍是载人飞船中采用的主要方法。
自然界中一些含氧的化合物可考虑作为载人飞船的氧源。根据“制氧容易、产氧量高”原则，一些碱金属和碱土金属的过氧化物、超氧化物以及过氧化氢等都可能作为载人飞船的氧源。苏联东方号、上升号和联盟号飞船曾采用碱金属超氧化物系统产生氧气，吸收低分压水汽和二氧化碳。碱金属超氧化物系统可靠性高、重量轻。超、氧化钾同舱内气体的化学反应式为：
4KO₂+2H₂O→4KOH+3O₂
4KOH+2CO₂→2K₂CO₃+2H₂O
2K₂CO₃+2H₂O+2CO₂→4KHCO₃
多年来，人们还对一些无机氧回收系统进行大量研究工作。二氧化碳可由去极化电池或其它方法收集并供给Sabatier反应器。其反应式为：
CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O (Sabatier反应器)
CH₄→C+2H₂ （高温分解）
2H₂O→2H₂+O₂ （电解）
或者Bosch反应器，反应式为：
CO₂+2H₂→C+2H₂O (Bosch反应器)
2H₂O→2H₂+O₂ （电解）
采用电解水取氧技术有可能制成无腐蚀、低功耗并能输出高压氧的系统。固体电解取氧法有最低的等效重量。理论上，从二氧化碳中回收1kg氧至少要消耗3.44KWh电能。究应采用何种氧气回收技术还须进行综合比较。
水处理系统 水处理系统的功能是收集、净化废水，并根据需要为乘员储存和供给饮用水。短期航行用的载人飞船，多装备储水容器从地面携带清洁水，并收集和储存取自湿度控制系统的冷凝水作为饮用和蒸发散热的水源。长期航行多乘员载人飞船，须有废水处理系统，能从洗浴废水、尿液以及湿度控制系统的冷凝水中回收饮用水。回收水必须无菌，不含有有机和无机杂质，储存期间还要定期消毒。从湿度控制系统取出的水基本上是纯净的。经过滤器和活性炭床并通过离子交换树脂消除气味，再经消毒处理后即可饮用。从尿液和洗浴废水回收后作饮用水时，须符合卫生学标准方可饮用。从尿液中回收饮用水的技术方法有：电渗析法，空气蒸发冷凝法，电解燃料电池取水法，蒸气压缩法，油喷射蒸发取水法和蒸气高温分解法等。电渗析法净化水的技术在工业上已引起广泛兴趣。其主要部件是“渗透堆”，由许多对阴、阳离子渗透膜交错组成，带有电极的渗透膜两边加上一定电压，从循环的尿液中净除电解质，从而得到纯净的水。空气蒸发冷凝法是直接把尿液蒸发到循环气流中。此系统由蒸发器、冷凝器、通风机、水分离器和加热器等组成；尿液在蒸发前需先经过预处理和过滤，然后在蒸发器的毛细体中均匀分布，加热后蒸发，杂质沉积在毛细体中。电解-燃料电池取水法，将离子交换电解电池和离子交换膜燃料电池组合应用，尿液经过电解产生氢和氧，两者又在燃料电池中反应生成水。蒸气压缩法，首先将尿液蒸发，经压缩、冷凝后将水取出。油喷射蒸发取水法，是蒸气压缩法的一种改进，主要差别是在标准的蒸气压缩循环中插入油循环回路。蒸气高温分解回收水系统由尿蒸发器、催化剂和凝冷器等组成，尿液在蒸发器中蒸发，蒸气通过催化剂使微量污染物质氧化并排至舱外，水蒸气凝结后储存在容器中并在低压低温下蒸馏，从而获得饮用水。这种高温分解和低压蒸馏技术也许是最有希望的回收水的方法。选择从尿液中回收水的方法时，很大程度上取决于能源和热沉的条件。洗浴废水的处理量很大，可考虑采用逆渗透技术，以一定压力使洗浴废水通过一个半透膜滤除溶解物质。半透膜要能承受较高压力。一些空心多孔玻璃纤维过滤器和高性能半透膜的出现，使这种回收水的方法充满希望。
储存水的满意消毒方法是巴氏灭菌法和碘消毒法的综合应用。巴氏灭菌法对大多数有机物质效果显著，碘消毒法可进一步加强灭菌的效果。
废物处理系统 为了使乘员有一个舒适和卫生的船舱环境，载人飞船必须具有能够收集、储存和处理废物的系统。废物主要包括人的粪便、尿、废气和其它杂质。在失重状态下，收集废物必须藉助一定外力，如压力、抽吸力或手力。尿液收集器有“密封式”和“通风式”两种。后者要采用复杂的尿气分离器和过滤装置，前者用法烦琐且易引起感染。在短期航行中，乘员食用低残渣性食物，无需粪便处理，但为期数日以上的航行，则不可缺少。早期的粪便收集器是一种套筒式手工装置；长期的载人飞船，则采用大小便组合式收集器，利用通风机使船舱大气流过收集器以利于尿的收集和粪便的沉积。通过粪便收集器的气流须经过滤器消除臭味后方可回流到舱内。
轻便式真空吸尘器可用来收集通风不足部位集聚的杂质，收集的废物储存，应符合卫生要求，用杀菌剂、低温冻结或干燥脱水的办法可以消除或抑制微生物在储存条件下繁殖。向舱外投放废物应以不致干扰飞船姿态和不致造成外界污染为原则。长期航行时须备有乘员淋浴设施；在天空实验室，曾采用可折叠的淋浴装置。
载人航天生命保证系统的发展历史可分为两个阶段，最初十年的生命保证系统比较简单，属于非再生式系统；七十年代以来，开始发展再生式生命保证系统。再生式系统，由于减少了物质的消耗而使重量大为减轻。发展安全可靠、容易维护的再生式生命保证系统及其先进部件、分系统和组合系统是当前研究工作方向。它必将在未来的载人航天事业中出现。