简介

能在地球大气层以外的宇宙空间运行的各类飞行器称为航天器(spacecraft)。航天器又可分为无人航天器(如各种人造卫星及太空探测器等)和载人航天器两种。从目前发展情况来看， 载人航天器只有三种类型， 即载人飞船(manned spaceship)、航天飞机(spaceshuttle)和太空站(space station)。

航天器环境控制多与生病保障相联系，二者共同构成的环境控制与生命保障系统是有效保障航天员在太空中生活的基础。

为了保证航天员的生命安全， 载人航天系统必须拥有一套独立完整的救生设施， 而无人航天器就无需考虑这个问题。因为载人航天是一项复杂而又艰险的活动， 在整个飞行过程中， 包括发射、上升、轨道运行， 以及返回着陆过程中， 都有可能发生紧急情况。万一载人航天器无法恢复到安全工作状态， 则必须根据不同的飞行阶段， 采用相应的应急救生设备和措施， 使航天员得以逃生、逃避和营救。载人航天器的环境控制与生命保障系统(以下简称环控生保系统)是保障航天员在太空环境里生存、生活和工作的基础措施。1它的基本作用是维持密闭舱中规定的大气温度、湿度和压力，控制大气成分，净除二氧化碳和微量污染。

系统简介系统构成环控生保系统是载人航天器的一个关键组成部分。随着载人航天技术的不断发展，环控生保系统也日臻完善， 它的主要构成是供气调压分系统、气体净化和污染控制分系统、气体循环和温湿度控制分系统、水供给和管理分系统、食品供给与管理分系统、废物收集与处理分系统， 以及航天服分系统。下图是水星号飞船的环控生保系统示意图。1

主要功能环控生保系统的功能可以概括为以下8个方面：

(1)环境控制功能：控制乘员舱内部的大气压力和气体成分；控制舱内的温度、湿度和空气流动速度；补充舱内泄漏的气体和监测大气。

(2)循环和净化功能：利用高压氧储存器(pressure vessel)或超氧化物(如超氧化钾)等对乘员舱供氧；填充稀释性惰性气体(如氮气)；消除(吸收或还原)因人体代谢等排放出的二氧化碳；检测和净化大气中各种污染物。

(3)水处理功能：饮用水和其他生活用水的储存和供应；水的质量保障和监测；废水的回收、净化或处理。

(4)废物处理功能：航天员大小便的收集和处理；生活垃圾的处理。

(5)饮食供应功能：食品的储藏和供应；食品和饮料的调配和加工；进餐方式和餐具供给；饮用水的调配、加温或冷却。

(6)卫生保健功能：提供衣物、用具和睡眠用品；乘员舱的清洁卫生设备与医学监督装置；运动与娱乐设施。

(7)安全与消防功能：各种安全救护、报警和防火设备与措施。

(8)舱内外活动保障功能：根据航天任务要求， 要提供以下的装备和设施， 主要有舱内与舱外活动航天服(space suit)；过渡舱(airlock)；便携式生保系统(portable life supportsystem；PLSS)；舱外活动机动装置(maneuveringmovable unit ；MMU)等。1

系统分类载人航天器在太空的飞行时间有长有短， 环控生保系统的工作模式也有所不同， 主要从补给品的提供情况来看， 可以划分为非再生式、半再生式和再生式三种系统， 下面分别加以说明：

(1)非再生式系统：这种环控生保系统又可以称为开放式或补给式系统。这是载人航天以来最为通用的方式， 即属于消耗性的原材料全靠载人航天器自身携带， 或者由其他航天器运送补给。乘员的代谢产物和生活垃圾不回收再生， 而是抛出舱外或封存带回地面。该系统结构简单， 适用于短期载人航天使用。现在无论是载人飞船还是航天飞机，由于飞行时间短， 都是采用这种非再生式环控生保系统。

(2)半再生式系统：该系统又可以称为部分再生式或物理化学再生式系统。这种环控生保系统能将乘员产生的二氧化碳和废水全部或部分回收处理， 生成氧气和纯净水， 提供给乘员循环使用， 而地面只需补给食品以及部分氧气和饮用水。该系统结构比较复杂，属于第二代环控生保系统， 适用于中长期太空飞行(几十天到一年左右)使用， 现在太空站上装备的就是这种半再生式的环控生保系统。

(3)再生式系统：又称为密闭生态生保系统或可控生态生保系统。顾名思义， 在该系统里， 除了人以外， 还有动植物生存， 犹如一个小自然界。在这个系统里， 生物和非生物以闭路形式进行质量交换， 不断地为乘员提供氧气、水分和食物， 除了阳光以外， 基本上无需系统外补给， 维持人和动物的生存， 建立一种稳定的动态平衡生态环境。这是一种最为复杂的第三代环控生保系统， 适用于长期载人太空飞行， 例如往返于火星的探险漫游。美国和俄罗斯等国家都在开展各种试验研究， 许多关键技术还没获得突破。美国进行的多次生物圈试验， 其目的就是要建成这种再生式系统， 为火星飞行和飞向其他行星做好准备。1

“神舟”号飞船环控生保技术1992年我国启动载人航天工程， 环控生保技术进入工程研制阶段。环控生保系统虽经过预研和局部的卫星飞行试验验证， 但作为一个系统， 它是“神舟”飞船系统中最新的系统之一， 也是我国载人航天需要突破的多项关键技术之一。

通过“神舟” 1 ～ 4号无人飞行试验的验证，“神舟”5和6号两次载人飞行任务的考核， 表明环控生保系统的大气压力控制技术从系统设计到产品设计形成了自主研制的体系， 为我国载人航天后续任务中对不同的载人密闭座舱的大气压力控制系统的设计奠定了基础。2

座舱大气净化技术载人舱内由人体代谢产生的CO2和其他气体以及座舱内由材料或设备产生的有害气体需要净化。净化系统技术在我国航天器上为首次研制和应用， 其技术特点有：

1)采用的净化剂有很高的净化效率， 研制的氢氧化锂净化效率达80%以上；

2)装填易碎的氢氧化锂颗粒化学材料的净化罐产品满足航天力学环境要求是以往航天产品所未遇到过的；

3)飞船密闭舱内大气的有害气体的产生是多方面的因素， 要根据密闭舱内可能出现的有害气体， 采取相应的净化措施， “神舟”4 号返回舱返回后在舱内测出气体中一氧化碳浓度超标， 为了确保“神舟”5 号首次载人飞行的安全， 环控生保系统专门研制了用活性炭浸渍铂钯贵金属催化剂的一氧化碳净化罐；

4)净化罐设计时充分考虑了防止氢氧化锂粉尘的析出， 结构上有多层过滤层， 因此， 净化罐在净化有害气体的同时， 对密闭舱内的空气尘埃也起到清洁过滤作用；

5)对航天员大小便时产生氨气、硫化氢等异味气体进行净化处理。2

座舱大气温湿度控制技术由于航天器的热管理和热控制技术关系到航天器的安全可靠性问题， 所以一直是航天器系统研究的重点之一。卫星平台大部分是非密封结构， 热控制技术以被动式温控技术为主。3载人航天器座舱内空气的温度控制就需要以强迫对流换热为主的主动式温控技术， 即液体回路式主动温控技术。环控生保系统的温湿度控制回路(内回路)采用乙二醇水溶液为流体回路工质， 飞船热控系统外回路采用全氟三乙胺溶液为工质。内外回路通过中间热交换器耦合形成一个完整的流体式主动温控系统。外回路中的辐射器是整个流体回路的主冷源。内回路的设备分2类， 一类是控制流体流动的设备， 另一类是热交换设备。其中冷凝干燥换热器是内回路的核心设备， 通过冷凝干燥换热器上的风机将舱内的空气强迫流过换热表面， 对空气进行降温。同时， 空气中的水蒸汽冷凝成液态水。这种降温除湿原理的流体回路热控制技术在我国航天器上是首次应用。

环控生保系统在飞船座舱大气温湿度控制中是一个重要的实施环节， 但舱内大气的温湿度控制主要还取决于整个飞船的热平衡状态。因此，环控生保系统所承担的空气温湿度控制还必须与飞船总体、热控和结构等多个系统密切配合。2

座舱空气通风技术环控生保系统在对座舱内空气的五大参数进行控制的时候离不开强迫通风。在微重力环境下， 舱内的空气假如不进行通风的话， 人呼出的CO2 会在人的口鼻区造成局部的浓度积累， 影响到航天员的安全。另外， 为了满足仪器设备散热的需要， 设备周围也要有一定的通风环境。通风主要靠风机来实现。在飞船座舱总体布局设计时应精心布局各类风机的安装位置， 使整舱形成一定的风场。在载人航天任务中，对噪声的控制也是一项特殊的要求。而在座舱内风机的噪声是主要的噪声源， 因此， 风机设计必须考虑噪声控制问题。通风系统中的特种风机设计是环控生保系统技术中的一项重要的单机设备设计技术。航天风机在航天器其他系统中基本不用， 而在地面其他领域里的小型风机无法适应航天的特殊需要。中心自主研制了多种离心式小型风机和轴流式小型风机， 研发了无刷直流微特电机。从设计方法到工艺制造形成了自主的载人航天特种风机的技术标准， 为今后载人航天器的通风系统设计奠定了基础。2

飞船应急状态下的环控生保技术环控生保系统在考虑飞船应急状态下的生命保障主要针对3种应急状况：

1 密闭舱压力应急

飞船密闭舱压力应急是对航天员生命安全威胁最大的故障之一， 因此必须要有航天服作为飞船密闭舱的安全备份。中国航天员科研训练中心研制的舱内压力服是“神舟”飞船的主要个人救生防护装备。环控生保系统有专门保证舱内航天服供氧的系统， 航天员在飞行中一些特定的时段， 为了安全起见， 在正常的舱压环境下也需要身穿航天服， 这时需要给航天服通风， 因此， 环控生保系统的航天服循环子系统就有这两方面的功能。

2 座舱火灾应急

飞船座舱出现火灾也是对航天员造成生命安全威胁的一个重点关注设计问题， 因此， 飞船的防火灭火设计是非常重要的一个方面。载人航天器的防火安全设计技术是一项很复杂的技术， 飞船总体从系统角度建立必需的防火安全设计原则和规范， 环控生保系统提供一定的烟火火情探测设备和一定的灭火设备， 系统还配置了个人呼吸防护面罩， 以备急需时保证航天员的生命安全。

3 飞船着陆后的应急状态

飞船返回舱着陆后的一个可能故障是航天员无法打开舱门， 假如救援人员较长时间不能到达， 就需要打开环控生保系统的着陆通风阀， 并开启着陆风机， 依靠着陆风机将舱内的空气与舱外的空气交换， 保证已经着陆的航天员的生命安全。飞船返回舱应急返回到水面， 尤其是海上时舱门和通风阀都不宜打开， 防止返回舱在风浪中海水灌入舱内， 中心针对这种工况设计有装填超氧化钾材料的空气再生器， 利用超氧化钾吸收CO2 的同时反应产生O2 的特点， 保证航天员在密闭的返回舱内的O2 供应和CO2 浓度的控制， 以保证航天员在较长时间里等待海上救援人员的到达。

环控生保系统的这些措施在“神舟”5和6号飞行任务中都没有使用， 但载人航天人命关天， 因此， 这些措施是必备的。作为环控生保系统应在总体的综合策划下对应急状态下的航天员生命安全措施精心设计、充分试验， 这也是环控生保系统研制的一个很大的特点。2