空間站是如何凈化艙內(nèi)空氣的?
發(fā)布日期:2024-09-11 信息來源:中國載人航天 分享:
自2021年天和核心艙發(fā)射以來,已有7個航天員乘組共21人次前往空間站執(zhí)行飛行任務(wù)。由于太空為真空環(huán)境,為了給航天員提供一個健康舒適的“太空之家”,空間站環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(簡稱環(huán)控生保系統(tǒng))發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。如何保證航天員在清新健康的空氣環(huán)境中工作生活?空間站是如何凈化艙內(nèi)空氣的?
中國空間站艙內(nèi)畫面
中國空間站將在軌運營10年以上,與短期飛行任務(wù)相比,空間站任務(wù)時間更長,對艙內(nèi)環(huán)境指標(biāo)要求更加嚴(yán)格。空間站艙內(nèi)有害氣體可能對乘組產(chǎn)生較明顯的毒性積累效應(yīng),并可能造成敏感元件腐蝕、化工產(chǎn)品催化劑中毒等影響。
空間站艙內(nèi)微量有害氣體來源包括:人體釋放(含大小便),艙體材料和上行貨物釋放,設(shè)備老化等原因的釋氣,食品、個人衛(wèi)生用品和垃圾釋氣,以及火災(zāi)等其他因素產(chǎn)生的有害氣體。隨著各項實驗任務(wù)逐步開展,空間站艙內(nèi)有害氣體成分日趨復(fù)雜。因此,微量有害氣體作為艙內(nèi)環(huán)境控制的主要對象之一,在長期運行中的影響更加需要重視。
艙內(nèi)環(huán)境檢測
中國空間站艙內(nèi)微量有害氣體的控制由環(huán)控生保系統(tǒng)實現(xiàn),該系統(tǒng)的功能是在航天器中創(chuàng)造和維持類似地面的環(huán)境條件,保障飛行乘組的在軌生存,實現(xiàn)人、環(huán)控生保系統(tǒng)與環(huán)境間的物質(zhì)交流和回收。在此過程中,微量有害氣體也會隨物質(zhì)循環(huán)同步產(chǎn)生遷移和流轉(zhuǎn)。
1 空間站艙內(nèi)空氣凈化功能
空間站艙內(nèi)空氣凈化功能主要包括:CO2分壓控制、微量有害氣體濃度控制、微生物控制,同時還涉及到了艙內(nèi)濕度控制等功能。
其中,CO2分壓和微量有害氣體濃度控制分別通過CO2去除子系統(tǒng)和微量有害氣體去除子系統(tǒng)等物化再生生保子系統(tǒng)實現(xiàn);微生物和濕度控制通過微生物凈化器、溫濕度控制子系統(tǒng)冷凝水回收環(huán)節(jié)實現(xiàn)。
艙內(nèi)環(huán)境檢測
相關(guān)的物質(zhì)流轉(zhuǎn)包括:CO2、水汽以及微量有害氣體等在通風(fēng)系統(tǒng)的支持下實現(xiàn)艙間流轉(zhuǎn),即通過各類裝置集中處理CO2、去除微量有害氣體和控制濕度,通過通風(fēng)流場保證其他區(qū)域的CO2、微量有害氣體及濕度濃度場的均勻性。
CO2去除子系統(tǒng)
CO2去除系統(tǒng)是空間站環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)中一個重要的再生系統(tǒng),其功能是去除艙內(nèi)由人體代謝產(chǎn)生的CO2,將CO2分壓維持在醫(yī)學(xué)要求范圍內(nèi),其工作原理是利用吸附反應(yīng)器內(nèi)5A分子篩對CO2氣體的選擇吸附特性,利用熱真空條件實現(xiàn)分子篩材料的解吸再生。
微量有害氣體去除子系統(tǒng)
針對航天器內(nèi)艙體、設(shè)備、物資和航天員產(chǎn)生的各類微量有害氣體,微量有害氣體去除子系統(tǒng)通過物理吸附、化學(xué)吸附和催化氧化的綜合方法予以去除。
2 微量有害氣體遷移和去除措施
微量有害氣體去除子系統(tǒng)作為空間站的主份控制設(shè)備,主要去除正常條件下釋放到艙內(nèi)的微量有害氣體。在其設(shè)計過程中,針對空間站艙內(nèi)空氣中的微量有害氣體種類、醫(yī)學(xué)指標(biāo)要求以及各類去除技術(shù)的特點,確定了有害氣體產(chǎn)生規(guī)律和適用于空間站的微量有害氣體負(fù)荷模型,針對性去除艙內(nèi)微量有害氣體。
航天員在空間站內(nèi)工作
除了微量有害氣體去除子系統(tǒng)這一主要凈化路徑外,經(jīng)分析和評估,有害氣體還有以下遷移和去除形式:
航天員的汗液和呼出水汽揮發(fā)至座艙大氣中,被溫濕度控制子系統(tǒng)以冷凝除濕的方式實現(xiàn)收集。根據(jù)系統(tǒng)分析和研制經(jīng)驗,空氣中的部分有害氣體負(fù)荷會隨著冷凝水轉(zhuǎn)移成為水污染物負(fù)荷,最終通過水處理子系統(tǒng)完成深度凈化處理。
少量有害氣體被CO2去除子系統(tǒng)吸收,該系統(tǒng)在控制艙內(nèi)CO2分壓的同時實現(xiàn)少量有害氣體的轉(zhuǎn)移和凈化。
部分大分子、高沸點的有機污染物,如全氟烷基類有機物,可能以持久性有機污染物的形式與懸浮顆粒物、衣屑、灰塵等吸附結(jié)合,其中部分可被微量有害氣體去除子系統(tǒng)去除掉,剩余的則會經(jīng)過艙內(nèi)通風(fēng)回路積聚在微生物凈化器等高效過濾器內(nèi)部,隨過濾器的定期更換廢棄而被去除。
微量有害氣體在艙內(nèi)的流轉(zhuǎn)遷移情況
3 微量有害氣體控制結(jié)果
根據(jù)采樣下行氣體樣本的分析結(jié)果,艙內(nèi)空氣中微量有害氣體控制結(jié)果均大幅低于允許濃度,反映經(jīng)過微量有害氣體去除子系統(tǒng)凈化后,艙內(nèi)空氣質(zhì)量符合指標(biāo)要求。
目前,微量有害氣體控制能力在中國空間站上已經(jīng)過“神舟十二號”至“神舟十七號”任務(wù)階段的全面在軌驗證,整體空氣指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)均滿足要求,證明各凈化子系統(tǒng)分類分級的控制措施有效。
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