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再生生保系統:保障航天員長期駐留空間站
http://www.CRNTT.com   2022-05-20 16:24:26


 

  讓資源在太空“生生不息”

  2020年5月5日,長征五號B運載火箭在文昌航天發射場發射成功,拉開了中國空間站在軌建造階段飛行任務的序幕。

  再生式環控生保是空間站關鍵技術之一。2005年,在國家863計劃支持下,環控生保室已經開展了基礎研究等工作。2008年,再生式環控生保通過關鍵技術立項論證評審。

  這十幾年來,環控生保科研團隊憑借著一股不服輸的勁頭兒,艱難起步、論證研製,攻克了大容量電解等關鍵技術難點,為空間站建造打下了堅實基礎。

  在以往的載人飛行任務中,環控生保使用的是非再生技術,也就是航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶。隨著空間站任務一步步推進,航天員在太空駐留的時間越來越長,僅依靠地面攜帶已無法滿足要求,環控生保技術必須要從非再生走向再生。

  再生式環控生保系統,顧名思義,就是實現水等消耗性資源的循環利用,保障航天員在軌長期駐留。這個系統可以收集航天員揮發的水分、排放的尿液,還有呼出的二氧化碳,然後把這些收集到的水汽、水和二氧化碳還原成航天員可在軌利用的氧氣和水。

  再生式環控生保系統包括電解制氧、飲水收集與處理、尿處理、二氧化碳以及微量有害氣體去除等子系統。其中,水氣分離是不少子系統研發過程中都要面對的共同難題。

  “微重力條件下,水氣處於混合狀態。”電解制氧團隊相關負責人解釋說,要在太空中進行電解制氧,將水電解成氧氣和氫氣後,還需要通過膜分離技術將氣體與液體分離。

  合適的膜材料並不好找。電解制氧團隊一次次調研試驗,可研製出的膜材料重量和壽命仍不符合指標要求。後來,他們通過請教行業內資深專家,研究前沿論文,創新性地設計了新型膜結構。研製過程中,他們一次次碰壁,又一次次突破難關。最終,研製出的膜材料,壽命比最初提升了10倍,重量也下降到了最初的1/4。

  如今,在中國空間站天和核心艙內,由電解水產生的氧氣,解決了航天員呼吸問題,大大降低了物資補給成本。這只是再生生保技術在空間站的運用之一。

  “一年來,我們研製的尿處理和冷凝水收集裝置成功轉化了2600多公斤的水,為兩艘貨運飛船節省了將近一半的上行重量。”子系統負責人丁平自豪地說,“整個再生生保系統實現了氧氣資源100%再生,水資源80%再生。有了完整的再生系統,發射重量大大減少,每年能節約上行物資6噸左右。”

  天上運行每一秒,地面牽動無數心

  4月29日,天和核心艙已在軌運行滿一年。這意味著,環控生保系統也運行了一周年。

  一年,365天,8760小時,525600分鐘……屏幕上,代表著環控生保系統運行時間的數字不斷跳動著。每分每秒,都牽動著環控生保科研人員的心。

  “國際空間站20年的運行經驗表明,環控生保系統在軌故障率達到平均每年22起左右。”卞強介紹說,中國空間站環控生保系統也面臨著同樣的風險和挑戰。為了保證航天員安全,團隊工作人員在各階段全方位排查故障,還進行了高強度、多批次試驗,確保產品不帶任何隱患上天。

  動態水氣分離器是尿處理子系統的核心部件。在進行正樣產品交付前,設計師鄧明君像往常一樣進行產品性能測試。電機通電運轉後,面板顯示一切正常。鄧明君並沒因此就放鬆警惕。突然,他發現電機運行噪聲似乎有點異常。

  鄧明君將耳朵凑近電機仔細傾聽。經歷了近千次試驗,他對電機發出的噪聲再熟悉不過。以往的電機噪聲平穩而細膩,而這次的噪聲似乎有一絲“瑕疵”。他將手輕輕放在電機上,隱約感覺到了異常振動。

  沒有猶豫,鄧明君果斷停止試驗。上報項目組領導決策後,他們將電機送回廠家進行拆解,成功排除了故障。 


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