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【Telegram中文版】这项技术,助力航天员“太空漫步”【Telegram中文官网】

近日,神舟十四号航天员陈冬、刘洋身着舱外航天服,在航天员蔡旭哲和地面人员的配合支持下,圆满完成约6小时的出舱活动。舱外航天服是航天员出舱活动必需的支持装备,针对空间站任务出舱活动需求,我国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服已列装服役,为执行出舱任务的航天员保驾护航。我们知道,舱外航天服可以看作是一种特殊的载人航天器,那么在长达数小时的出舱活动中,航天员在舱外航天服的密闭环境中呼吸产生的二氧化碳(CO₂)该如何处理呢?

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航天员在舱外活动期间,为了确保安全、健康、高效地完成任务,必须使用便携式生命保障系统(PLSS,舱外航天服环控生保系统)对航天员新陈代谢产生的CO₂进行连续清除,从而将其浓度控制在对人体无害的范围内。便携式生命保障系统一般安装在背包结构内,同时集成了包括供气调压、通风净化、温湿度控制等主要功能模块的产品,对CO₂清除设备的体积、质量、能耗、散热、结构等方面有许多要求。CO₂清除设备的选择主要取决于出舱任务类型、出舱时间、频次及出舱环境。

这项技术,助力航天员“太空漫步”

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背包式便携式生命保障系统

基于氢氧化锂(LiOH)的CO₂清除技术

我国“飞天”舱外航天服采用非再生式的氢氧化锂(LiOH)作为吸附剂进行CO₂清除。通过将LiOH压制成药饼,使LiOH吸收罐在保证较高吸收效率的同时可极大降低航天员舱外活动时的呼吸阻力,延长其舱外活动时间。

这项技术,助力航天员“太空漫步”

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航天员身着“飞天”舱外航天服开展舱外活动

基于LiOH的CO₂清除技术发展至今已非常成熟。虽然需要在每次完成出舱活动后需对其进行更换和补充,但对于一般短期出舱任务,其设备操作简单、功能可靠,被用于绝大部分已有的舱外航天服环控生保系统。

从20世纪60年代末的阿波罗系列登月服至今,美国EMU舱外航天服和俄罗斯Orlan-M舱外航天服均采用了该项技术。但由于吸附剂不可再生且功能单一,且消耗性资源均需地面运输补给,增加了保障性难度。因此,面向未来长期、频繁的舱外活动和深空探测任务,需要应用再生式的CO₂清除技术。

基于金属氧化物的CO₂清除技术

研究和应用再生式的CO₂清除技术,是面向未来长期、频繁的舱外活动及深空探测任务的关键。例如验证基于碱性金属氧化物的CO₂清除技术,一般采用氧化银作为吸附剂。在该反应中CO₂不会与金属氧化物直接反应,只有当足够的水蒸气与氧化物反应生成OH-时,才会发生反应。最终CO₂与氧化银在低温条件下反应生成碳酸银固体粉末。清除装置由金属氧化物吸附罐和再生器两部分组成。航天员在舱外活动结束,返回空间站后,可使用再生器对吸附剂进行重复利用。

尽管金属氧化物罐可重复利用,但回收代价较大。与LiOH吸收罐相比,无论是罐体本身还是回收装置质量都比较大,出舱时间同样受限于所携带吸附剂数量,且回收过程耗能巨大。

快速循环胺技术

为此,研究人员还在探寻一种更高性能、再生式的技术——快速循环胺技术。快速循环胺技术以固态胺作为吸附剂,利用固态胺吸附同时去除CO₂与水蒸气。当固态胺吸附饱和时,将其暴露向真空,破坏碳酸氢盐的化学键,释放出CO₂,从而完成再生。

与金属氧化物CO₂去除系统相比,其设备质量和体积更低;吸附剂可即时再生,无需在空间站安装大型高能耗再生设备,可极大降低发射成本与空间站能耗;使用时间无限制,大大提升了舱外航天服续航时间,为今后出舱任务规划、出舱前吸氧排氮时间安排等提供了充足的时间保障。

由于该系统设备的再生装置必须集成于便携式生保背包中,对通风净化管路的设计提出了更高要求。该技术将应用于NASA重返月球任务所使用的xEMU登月航天服,也是未来我国实施载人登月任务的研究重点。

这项技术,助力航天员“太空漫步”

系统设备再生装置集成于便携式生保背包中

舱外航天服CO₂清除能力是航天员进行舱外活动的主要约束条件之一。在不远的将来,中国人探索外空的脚步将迈向月球及更远的深空,工程将不断取得技术突破,助力航天员“太空漫步”。